Un motor de corriente continua con escobillas es un actuador electromecánico que convierte energía eléctrica en rotación mediante fuerzas magnéticas y un conmutador mecánico.
A nivel básico es simple: metes electricidad, sale rotación. Es una máquina de equilibrio dinámico entre fuerzas magnéticas y eléctricas.
El principio físico: la fuerza de Lorentz
Todo se basa en la fuerza de Lorentz: un conductor con corriente dentro de un campo magnético experimenta una fuerza.
La fórmula vectorial es:
Donde:
- F: Fuerza (Newtons).
- I: Corriente (Amperios).
- L: Longitud del cable.
- B: Campo Magnético (Teslas).
Para maximizar la fuerza, necesitamos mucha corriente (I), muchos metros de cable enrollado (L) e imanes muy potentes (B).
Anatomía interna: estator y rotor
Para convertir esa fuerza lineal en rotación, construimos una estructura inteligente:
- El Estator (La parte quieta): Crea el campo magnético fijo (B). En motores pequeños son imanes permanentes; en industriales pueden ser electroimanes (bobinas de campo).
- El Rotor o Inducido (La parte que gira): Es una bobina de cobre enrollada sobre un núcleo de hierro laminado. Aquí inyectamos la corriente (I).
- Las Escobillas (Brushes): Carbones que hacen contacto físico resbalando sobre el eje para inyectar la electricidad mientras gira.
El problema de la inversión: el colector
Aquí está el ingenio del diseño. Si inyectamos DC a una bobina dentro de un imán, la bobina girará media vuelta hasta alinearse con el imán (Norte con Sur)… y se quedará ahí parada. ¡No sirve de nada!
Para que siga girando, tenemos que invertir la polaridad de la corriente justo cuando pasa por la mitad.
El Colector de Delgas es un anillo de cobre cortado a trozos.
- Mientras el motor gira, las escobillas tocan primero una delga (+) y luego la otra (-).
- Esto invierte mecánicamente el sentido de la corriente en la bobina cada media vuelta.
- Gracias a esto, el campo magnético del rotor siempre está “persiguiendo” al del estator sin alcanzarlo nunca.
La fuerza contraelectromotriz (Back-EMF)
Un motor girando no es solo un consumidor de energía. También es un generador Al girar la bobina dentro de un campo magnético, por la Ley de Faraday, se induce un voltaje en ella.
Este voltaje se opone al voltaje que le estamos metiendo desde la batería. Por eso se llama Fuerza Contraelectromotriz (
La ecuación eléctrica del motor es:
Donde
¿Qué implica esto en la realidad?
El motor está parado (𝜔 = 0), así que la
Resultado: aparece una corriente próxima a la de rotor bloqueado (stall current). El driver, la fuente y las protecciones deben dimensionarse para soportarla.
El motor gira rapidísimo. La
Resultado: La corriente consumida es mínima. El motor se “autorregula”.
Si frenas un taladro con la mano, baja la velocidad → baja la
El taladro se calienta porque está intentando recuperar su velocidad a base de chupar amperios (es un ejercicio mental, no sujetes un taladro con la mano).
La curva característica: par vs. velocidad
Los motores DC tienen una relación lineal inversa entre Velocidad y Par (Torque).
- Velocidad Máxima (No-Load Speed): Ocurre cuando el Par es cero (motor girando en el aire).
- Par Máximo (Stall Torque): Ocurre cuando la velocidad es cero (motor bloqueado). Es la fuerza bruta máxima que puede hacer el motor antes de quemarse.
- Potencia Máxima: Se obtiene, curiosamente, al 50% de la velocidad máxima.
Desventajas: el precio de las escobillas
El diseño del motor DC es brillante, pero tiene un talón de Aquiles: El contacto físico.
- Chispas: Al saltar de una delga a otra en el colector, se producen arcos eléctricos. Esto genera ruido electromagnético (EMI) que puede volver loco a tu microcontrolador (por eso soldamos condensadores cerámicos en los terminales del motor).
- Desgaste: Las escobillas de carbón se gastan por rozamiento. El motor tiene una vida útil limitada.
- Polvo: El desgaste genera polvo conductor dentro del motor.
