Qué motor eléctrico elegir

Los motores eléctricos permiten realizar diferentes tipos de movimientos: rápidos, precisos, continuos, con o sin cambio de velocidad, etc. Cada aplicación requiere su propia tecnología de motor.

1. En primer lugar, se deberá optar por una de las tres principales familias de motores eléctricos:
   • Motores asíncronos AC —monofásicos o trifásicos—.
   • Motores síncronos: motores DC —corriente continua—, sin escobillas, etc.
   • Motores paso a paso.

2. Para ello, será necesario atender al tipo de aplicación, ya que será lo que permita elegir entre una de dichas tres familias:
   • Motores asíncronos, cuando los motores deban funcionar de forma continua y con pocos cambios de velocidad.
   • Motores síncronos, para aplicaciones dinámicas.
   • Motores paso a paso, para un posicionamiento preciso.

3. Dependiendo del movimiento deseado, también habrá que determinar las especificaciones técnicas y el dimensionamiento del motor:
   • En cuanto a las especificaciones técnicas, será necesario determinar la potencia, el par y la velocidad del motor.
   • Respecto del dimensionamiento, se tendrán en cuenta el espacio disponible —y, por tanto, el tamaño del motor— y el tipo de montaje —fijación del motor en el sistema—.

4. Las dimensiones y la solidez del motor dependerán igualmente del entorno industrial en el que se vaya a utilizar:
   • Existen modelos adaptados a cualquier tipo de entornos —atmósfera explosiva, húmeda, corrosiva, a altas temperaturas, etc.—.
   • Para entornos difíciles, existen motores con carcasas reforzadas, estancas, resistentes a los impactos o a la suciedad.

5. Por último, en los últimos años, la eficiencia energética se ha convertido en un criterio importante por considerar a la hora de elegir un motor:
   • Un motor eléctrico que consuma menos energía tendrá un bajo impacto energético, lo que reducirá considerablemente el importe de las facturas de electricidad.

Estos dos tipos de motores se construyen de manera diferente:

• La diferencia fundamental reposa en la fuente de alimentación:  corriente alterna —monofásica o trifásica— y corriente continua —CC/DC—, por ejemplo, en las baterías.
• La velocidad es otro elemento diferenciador. La velocidad de un motor DC se controla variando la corriente en el motor, mientras que la de un motor AC se controla variando la frecuencia, generalmente con un variador de frecuencia.

1. Motores AC:

Los motores AC son los más populares en la industria por sus numerosas ventajas:

• Son fáciles de construir.
• Son más económicos al presentar un menor consumo en el arranque.
• Son más robustos y, por tanto, su vida útil suele ser más larga.
• Requieren poco mantenimiento.

Debido a su funcionamiento, que implica la sincronización entre la rotación del rotor y la frecuencia de la corriente, la velocidad de los motores AC permanece constante. Por lo tanto, son especialmente adecuados para aplicaciones que requieran un movimiento continuo y pocos cambios de velocidad. Las bombas, los transportadores y los ventiladores son los campos de aplicación en los que mejor encaja este tipo de motores.

Asimismo, se pueden integrar en sistemas que no requieran alta precisión si se utilizan con velocidad variable.

SI bien, las funciones de control de velocidad los hacen más caros que otros motores.

Los motores AC se dividen en dos familias: motores monofásicos y motores trifásicos.

• Los motores monofásicos se distinguen por:
  • La potencia eléctrica —en kW—, que determinará el par.
  • El número de polos, que dará lugar a la velocidad de rotación.
  • El método de montaje: brida (B14, B5) o patas (B3).
  • La eficacia.
  • Un carácter menos industrial al ser menos potentes.
  • La posibilidad de conectarlos a la red eléctrica doméstica.
• Los motores trifásicos se distinguen por:
  • Una arquitectura que permite la transmisión de una potencia eléctrica mucho mayor que la de un motor con tensión monofásica.
  • Una utilización en entornos industriales —alrededor del 80 %—.
  • Una utilización en infraestructuras y equipos que requieran una potencia eléctrica elevada.

2. Motores DC:

Los motores DC son también muy comunes en entornos industriales al ofrecer ventajas considerables en función de su construcción —ver pregunta relativa a los motores brushless—:

• Son precisos y rápidos.
• Su velocidad puede controlarse variando la tensión de alimentación
• Son fáciles de instalar, incluso en sistemas móviles —alimentados por baterías—.
• El par de arranque es elevado.
• Las funciones de arranque, parada, aceleración o marcha atrás se efectúan con rapidez.

Son muy adecuados para aplicaciones dinámicas que requieran una alta precisión especialmente en términos de velocidad, como en el caso de los ascensores, o de posición, como en robots o máquinas herramientas.

También pueden ser una opción interesante para aplicaciones que requieran una potencia elevada —de 10.000 kW, por ejemplo—.

Sin embargo, presentan ciertas desventajas dependiendo de su construcción en comparación con los motores AC:

• Son menos comunes porque son menos adecuados para aplicaciones que necesiten de grandes potencias.
• Sus numerosas piezas se desgastan y su sustitución representa un coste significativo.

3. ¿Cuál es la tendencia actual en el mercado?

• Los motores DC con escobillas se utilizan cada vez menos para aplicaciones industriales. Para bajas potencias se utilizan motores AC, que requieren poco mantenimiento para usos equivalentes.
• Dado que la sustitución de las piezas de los motores DC son bastante caras, algunos fabricantes optan por motores AC con controlador eléctrico.
  • La combinación de un motor de corriente alterna y un variador de frecuencia se ha convertido en una solución rentable para la mayoría de las aplicaciones que soliciten variaciones de velocidad.

Los dos tipos de motores DC más comunes son los motores con escobillas y los motores brushless.

1. Motores con escobillas —brushed—

Los motores con escobillas son los motores más sencillos y populares, especialmente para equipos industriales básicos y aplicaciones con limitación de presupuesto.

• Algunas de las ventajas de los motores con escobillas:
• Son fáciles de controlar.
• El par a bajas revoluciones ofrece buenas prestaciones.
• Son económicos.

Se podrá elegir entre uno de los cuatro tipos de motores con escobillas, dependiendo de la aplicación.

• Motores de excitación en serie: 
  • En este tipo de motores, el estátor se conecta en serie con el rotor y la velocidad se controla variando la tensión de alimentación.
  • Sin embargo, este control de la velocidad es bastante deficiente: la velocidad disminuye tan pronto como aumenta el par del motor.
  • Este tipo de motor es una opción interesante en aplicaciones que requieran un alto par de arranque, como en automóviles o grúas.
• Motores de excitación en paralelo —shunt—: 
  • En este tipo de motores, el estátor se conecta en paralelo al rotor, lo que permite un par mayor sin reducir la velocidad a medida que aumenta la corriente del motor.
  • Este tipo de motores es adecuado para aplicaciones con velocidades constantes, como en aspiradores o transportadores.
• Motores de excitación compuesta —compound—: 
  • Este tipo de motores combina la estructura de los motores de excitación en serie y de los motores de excitación en paralelo —shunt—:
  • Ofrece, por lo tanto, un alto par de arranque y una mayor variación de velocidad.
  • Es perfecto para prensas rotativas, ascensores, carruseles de equipaje, bombas centrífugas o compresores.
• Motores con imán permanente:
  • Este tipo de motores contiene un imán permanente que da lugar a un bajo par.
  • Juega un papel relevante en el caso de aplicaciones que requieran un control preciso, como la robótica o los servosistemas.

Sin embargo, todos los motores de escobillas presentan algunas desventajas significativas:

• Son menos eficaces que los motores brushless —75-80 % respecto del 85-90 % de los motores brushless—.
• Su vida útil es corta ya que las escobillas, debido a la fricción regular, se desgastan más rápidamente con el tiempo —entre 1.000 y 10.000 horas de funcionamiento dependiendo de la frecuencia de aplicación, la potencia, la velocidad, las vibraciones, etc.—.
• El arco de las escobillas y del colector puede generar ruido electromagnético y dar lugar a incendios.
• Del mismo modo, el riesgo de chispas debidas a la fricción hace que se desaconseje su uso en entornos explosivos.
• La velocidad suele ser limitada debido al calentamiento de las escobillas.
• Las escobillas de grafito generan polvo que puede dañar otros dispositivos, sobre todo los ópticos.
• Necesitan lubricación, lo que hace imposible su uso en aspiradoras.

2. Motores brushless —sin escobillas—

Los motores brushless permiten colmar algunos de los puntos débiles de los motores con escobillas, sobre todo en lo que respecta a la presencia de escobillas. Si bien, estos motores también ofrecen algunas otras ventajas:

• Pueden funcionar a velocidades más altas —hasta 100.000 revoluciones por minuto en comparación con las 20.000 revoluciones por minuto de los motores con escobillas—.
• Su vida útil es más larga —más de 10.000 horas de funcionamiento—.
• Son más fiables y eficientes.
• No existe desgaste en las piezas, excepto en los rodamientos, lo que reduce las operaciones de mantenimiento.

La posibilidad de que estos motores funcionen a velocidades muy altas los hace especialmente aptos para amoladoras, ventiladores o sierras.

Los motores brushless están equipados sistemáticamente de un codificador, un sensor que permite la conmutación electrónica y la determinación de la posición del rotor. Por tanto, estos motores son perfectos para servomotores en aplicaciones de precisión.

No obstante, presentan algunas desventajas:

• El coste inicial es alto puesto que es necesario integrar un dispositivo de conmutación exclusivo —controlador—.
• Por lo general, también requieren un reductor en aplicaciones de transmisión.

¿Es el fin de los motores con escobillas? El Opportunity

En la carrera entre los motores con escobillas y los motores brushless, parece que son los motores con escobillas los que están destinados a caer en el olvido. Pero, contrariamente a lo que se podría pensar, los motores con escobillas siguen siendo populares en la industria y también en el espacio. Maxon, fabricante suizo de motores eléctricos, desarrolla constantemente nuevas tecnologías para motores con escobillas, y fueron sus motores con escobillas los que equiparon el Opportunity, el astromóvil de la NASA enviado a Marte en 2003.

El Opportunity embarcó 34 motores DC con escobillas capaces de funcionar con éxito en condiciones extremas con constantes variaciones de temperatura. La NASA lo tenía claro: aprovechar la simplicidad de control que ofrecen los motores con escobillas y, por consiguiente, la posibilidad de controlar 34 motores desde un único controlador. Los motores brushless habría requerido un controlador por cada motor, lo que habría supuesto un riesgo en términos de costes y complicaciones.

Los motores paso a paso convierten impulsos eléctricos en desplazamientos angulares. Son muy útiles en aplicaciones que requieran un control de posición en lazo abierto.

Existen tres categorías de motores paso a paso:

• Los motores de reluctancia variable: con las mismas características eléctricas, este tipo de motor es menos potente, pero más rápido que los motores de imanes permanentes.
• Los motores de imanes permanentes:  motores producción económica y resolución
  media —hasta 100 pasos/vuelta—.
• Los motores híbridos:  estos motores combinan las dos tecnologías anteriores y su precio es
  mayor. El par mejorado y una mayor velocidad son sus puntos fuertes. Tienen una resolución de 100 a 400 pasos/vuelta.

Los motores de imanes permanentes e híbridos son los más utilizados por sus ventajas:

• Son precisos.
• Son baratos.
• Son robustos.
• Su construcción es sencilla.
• El par es alto en el arranque y a bajas velocidades.

Sin embargo, no carecen de algunas desventajas:

• La velocidad y el par son relativamente bajos.
• El par disminuye bruscamente cuando aumenta la velocidad.
• Generan vibraciones que pueden dar lugar a problemas de resonancia.
• Existe el riesgo de sobrecalentamiento.

Para seleccionar un motor paso a paso, habrá que atender a:

• El par y la carga.
• El número de pasos.
• Las dimensiones del motor —peso, bridas de fijación del motor, etc.—.
• El precio.

Los industriales se centran cada vez más en la cuestión de la eficiencia energética. Una economía más verde y más respetuosa con el medio ambiente es uno de los objetivos de la CP 21, y muchos Estados ya se han comprometido con ella. La industria, con vistas sobre todo a limitar el consumo y a generar ahorro, ha ido adquiriendo en los últimos años equipos más eficientes energéticamente. Según un estudio de la Comisión Europea, los motores representan el 65 % del consumo de energía industrial en Europa. Proponer soluciones centradas en los motores es una de las principales acciones para reducir las emisiones de CO2. La Comisión prevé incluso la posibilidad de mejorar la eficiencia energética de los motores de fabricación europea entre un 20 y un 30 % de aquí al 2020. El resultado son 63 millones de toneladas de CO2 menos en la atmósfera y 135 mil millones de kWh ahorrados.

Cuando se desee integrar motores eficientes energéticamente para ahorrar y contribuir con el planeta, se deberán tener en cuenta primero las normas de eficiencia energética de los motores aplicables en el país o la zona geográfica. Sin olvidar que estas normas no se aplican a todos los motores, sólo a los motores eléctricos AC asíncronos.

Normas internacionales

• La Comisión Electrotécnica Internacional —IEC— ha definido las clases de eficiencia energética para los motores eléctricos comercializados, conocidas como códigos IE, que se resumen en la norma internacional IEC.
• El IEC ha identificado cuatro niveles de eficiencia energética para definir el rendimiento energético del motor:
  • IE1: eficiencia ESTÁNDAR.
  • IE2: ALTA eficiencia.
  • IE3: eficiencia PREMIUM.
  • IE4: eficiencia SUPER PREMIUM, aunque todavía en fase de estudio.
• La IEC también ha implementado la norma IEC 60034-2-1:2014, aplicable a los motores eléctricos para la determinación de las pérdidas y del rendimiento a partir de ensayos. Muchos países utilizan normas nacionales en materia de ensayos, a la vez que se remiten a la norma internacional IEC 60034-2-1.

En Europa

La UE ya ha adoptado varias directivas destinadas a reducir el consumo de energía de los motores, incluida la obligación de los fabricantes de comercializar motores energéticamente eficientes:

• La clase IE2 es obligatoria para todos los motores a partir del 2011.
• La clase IE3 es obligatoria desde enero del 2015 para los motores con una potencia de 7,5 a 375 kW —o IE2 si estos motores disponen de un convertidor de frecuencia—.
• La clase IE3 es obligatoria desde el 1 de enero del 2017 para los motores con una potencia nominal de 0,75 a 375 kW.

En Estados Unidos

En Estados Unidos, son de aplicación las normas definidas por la asociación NEMA —National Electrical Manufacturers Association—. Desde el 2007, el nivel mínimo requerido se ha establecido en IE2.
La misma clasificación se aplica a Australia y Nueva Zelanda.

En Asia

En China, las normas coreanas MEPS —Minimum Energy Performance Standard— se aplican a los motores asíncronos trifásicos pequeños y medianos desde 2002 —GB 18693—. En 2012, las normas MEPS se armonizaron con las normas IEC, pasando de IE1 a IE2 y ahora a IE3.

Japón armonizó su reglamentación nacional con las clases de eficiencia IEC e incluyó los motores eléctricos en los niveles IE2 e IE3 de su programa Top Runner en 2014. Presentado en 1998, el programa Top Runner obliga a los fabricantes japoneses a lanzar nuevos modelos al mercado más eficientes energéticamente que los anteriores, forzando así la simulación y la innovación energética.

India dispone una etiqueta de eficacia comparativa desde 2009 y una norma nacional de nivel IE2 desde 2012.