¿Qué es la tecnología brushless (sin carbones) y qué ventajas tiene?

Si bien es cierto que los motores brushless de corriente continua han existido durante más de medio siglo, en estos últimos 5 o 6 años han protagonizado una revolución en el campo de las herramientas eléctricas inalámbricas, al punto que ya no hay fabricante reconocido que no ofrezca al público su gama de herramientas brushless.

Uno podría preguntarse entonces a qué se debe ese alboroto creado por las herramientas actuales que incorporan un motor brushless, es decir, un motor sin carbones o sin escobillas.

O, dicho con otras palabras, ¿por qué razón una tecnología que durante décadas se usó casi exclusivamente en herramientas de precisión altamente especializadas hoy es prácticamente el estándar de herramientas inalámbricas tan diversas como taladros, sierras caladoras, rotomartillos, sopladores, llaves de impacto o cortadoras de césped?

La respuesta corta

Más allá de la ingeniería involucrada en los motores con y sin escobillas, la respuesta a la pregunta anterior es simple. En general, las herramientas eléctricas con motor sin escobillas otorgan un mayor rendimiento, básicamente porque a diferencia de las herramientas con escobillas, el motor se ajusta según la tarea a realizar. Esto representa un gran avance cuando se trata de administrar la duración de la batería, aumentando la autonomía y el rendimiento de las herramientas eléctricas inalámbricas.

Por otra parte, el hecho de carecer de escobillas significa un motor que no experimenta la caída de voltaje ni la fricción que se producen con un motor estándar. Esto implica: a) menor cantidad de piezas sujetas a desgaste, lo que aumenta la vida útil del motor y el rendimiento general, y b) menor pérdida de energía en fricción y calor, por lo que ese ahorro de energía se invierte para crear un mayor torque.

Todas estas ventajas se resumen, entonces, en herramientas que ofrecen:

• Mayor número de RPM
• Mayor autonomía de la batería
• Menos calor generado
• Mayor durabilidad
• Mayor potencia
• Tamaño más pequeño y compacto
• Menor peso
• Funcionamiento más silencioso

Tecnología de los motores con y sin escobillas

El abordaje de los detalles sobre la construcción y el funcionamiento de los motores con y sin escobillas escapa del propósito de esta nota, por lo que sólo vamos a tratarlo superficialmente y para fines ilustrativos.

Técnicamente hablando, ambos tipos de motores aplican un principio de funcionamiento similar, que es el siguiente. Cuando los devanados del motor se energizan, se crea un campo magnético temporario que es repelido o atraído por los imanes permanentes. La fuerza producida se convierte en rotación del eje, lo cual hace funcionar el motor. Mientras el eje se mantiene en rotación, la corriente eléctrica se dirige hacia diferentes grupos de devanado manteniendo, por lo tanto, la atracción y repulsión electromotriz que fuerza al rotor a girar continuamente.

Esta es la idea general. Ahora profundicemos un poco más, recordando concretamente la manera en que funcionan las herramientas eléctricas tradicionales, es decir, las que tienen escobillas.

Además de las escobillas, un motor de corriente continua estándar tiene otros componentes que muestra esta figura:

Tecnología brushless

La armadura, también conocida como rotor, es un conjunto giratorio de bobinas (devanado) que actúa como un electroimán con dos polos. Las escobillas generalmente son de cobre, plata o grafito y se usan para convertir la electricidad en movimiento. Hacen contacto con un interruptor giratorio mecánico llamado conmutador y entregan una corriente eléctrica. Cuando la corriente pasa a través de los devanados de la armadura, se crea un campo magnético, el cual interactúa con los imanes permanentes (norte y sur) ubicados en la parte exterior del motor llamada estator y producen la rotación del eje del motor.

La siguiente figura muestra un motor con escobillas real y la función de sus piezas clave.

Motor con escobillas – Herramientas eléctricas tradicionales

Ahora veamos cómo funciona un motor sin escobillas, cuyo esquema muestra la próxima figura.

Motor sin escobillas – Tecnología brushless

Como su nombre lo indica, estos motores no tienen escobillas ni conmutador. La posición de los imanes permanentes y los devanados de cobre que mueven la armadura está invertida con respecto al caso anterior: los devanados van ubicados en el estator, están fijos y rodean el eje, mientras que los imanes permanentes están montados sobre el eje del motor en la armadura. Este diseño exclusivo elimina totalmente la necesidad de escobillas y a falta de ello, una pequeña placa de circuito coordina el suministro de energía a los devanados.

Herramientas con tecnología brushless

Por lo tanto, en pocas palabras, la diferencia principal entre un motor sin escobillas y un motor con escobillas es que en lugar de imanes estacionarios y devanados giratorios (diseño típico de un motor con escobillas), un motor sin escobillas tiene devanados estacionarios y un imán giratorio. El principal beneficio es que un motor sin escobillas no tiene fricción, y con esto reduce el calor y aumenta la eficiencia general.

Además, puesto que el sistema electrónico se comunica directamente con los devanados estacionarios, la herramienta puede adaptarse según la tarea, y es por eso que los fabricantes comercializan este tipo de dispositivos como herramientas «inteligentes».

Para comprender este concepto de «inteligencia» imaginemos, por ejemplo, que usamos un atornillador/destornillador para introducir tornillos en un material blando, como un plástico. Dado que la corriente eléctrica está constantemente controlada por el circuito electrónico de acuerdo con la rotación del motor, una herramienta provista de motor sin escobillas detecta la falta de resistencia del material con mayor facilidad que un motor con escobillas y, por ende, solo extrae de la batería la poca corriente que necesita. Si luego cambiamos el material por uno más duro como caoba, por ejemplo, el motor sin escobillas percibirá la mayor resistencia que ofrece el material y entonces exigirá más corriente de la batería. Por el contrario, un motor con escobillas siempre extrae la máxima cantidad de corriente cuando se usa, independientemente del tipo de material involucrado, lo cual impacta directamente en la duración de la batería.

Pros y contras

Claro que no todo es perfecto. Tanto una tecnología como la otra presentan sus ventajas y desventajas cuando se aplican a motores para herramientas eléctricas inalámbricas.

Las herramientas con tecnología tradicional, por decirlo de alguna manera, están provistas de motores con escobillas y son más económicas, el control del motor es muy simple y no implica grandes gastos, y pueden funcionar en ambientes extremos (por ejemplo, cálidos, fríos o muy húmedos) debido a su escasez de dispositivos electrónicos y eléctricos. El reemplazo de las escobillas es necesario con una frecuencia que dependerá del uso, pero al menos garantizará una larga vida útil de la herramienta. Sin embargo, como contrapartida, estos motores presentan una mala disipación del calor debido al diseño de armadura interna, y los típicos problemas asociados con las escobillas, tales como fricción y generación de arco eléctrico, provocan interferencia electromagnética y disminuyen no sólo el rango de velocidad, sino también la utilidad del torque a altas velocidades.

Por su parte, las nuevas herramientas brushless con motor sin escobillas presentan una mejor disipación del calor porque los devanados están conectados a la carcasa; estas características térmicas mejoradas también permiten reducir el tamaño de las herramientas. La falta de escobillas garantiza un menor mantenimiento, así como un mayor rango de velocidad, ya que precisamente no hay limitaciones mecánicas impuestas por el sistema escobillas/conmutador. El ruido eléctrico es mínimo, la eficiencia es alta y el funcionamiento está garantizado a todas las velocidades con carga nominal. No obstante, la introducción de un circuito electrónico basado en sensores de posición de efecto Hall incrementa notablemente los costos de producción de estos motores y añade complejidad a su control, además de imponer limitaciones para usarlos en condiciones extremas.

Para visualizarlo gráficamente, la siguiente figura presenta una comparación entre motores con y sin escobillas que resume los conceptos que acabamos de exponer.

¿Qué herramienta conviene con o sin escobillas?

Está claro que la tecnología usada en las herramientas eléctricas sin escobillas proporciona un rendimiento superior a las herramientas con escobillas. Los motores con escobillas funcionan con una eficiencia de aproximadamente 75 a 80%, lo que significa que aproximadamente las tres cuartas partes de la potencia total que usa el motor se convierte en fuerza de rotación y el resto se pierde en forma de calor. Los motores sin escobillas, por otro lado, son típicamente de 85 a 90% eficientes. Sin embargo, el costo de estos motores es un 30% mayor que el de los motores convencionales con escobillas.

Como expresamos antes, dado que las escobillas y los conmutadores están en contacto constante con el eje, se desgastan más rápido con un uso intensivo. Los motores sin escobillas no presentan fricción ni caída de tensión, lo que ayuda a aumentar la vida útil del motor y proporciona un mejor rendimiento general. Además, esto mejora la duración de la batería y el tiempo de funcionamiento, y reduce en gran medida el mantenimiento de la herramienta.

Por lo tanto, si somos profesionales que hacemos uso diario y/o extensivo de herramientas inalámbricas, probablemente ya habremos optado por los modelos sin escobillas, o en caso contrario, estaremos considerando el cambio. Para el aficionado al bricolaje o el usuario hogareño, que de vez en cuando usa un taladro o una sierra para un trabajo ocasional, el dinero extra que necesitará gastar en una herramienta sin escobillas probablemente podría destinarse a otra cosa. Sin embargo, si estamos pensando en hacer del bricolaje una tarea frecuente, las herramientas eléctricas sin escobillas bien podrían valer la inversión en términos de duración, potencia y confiabilidad.

Una cosa es cierta, no obstante, y es que el impulso hacia las herramientas inalámbricas sin escobillas ya está dado y seguramente esto traerá aparejado un abaratamiento en los costos. La tendencia de muchos fabricantes para los años venideros, de que gradualmente los motores con escobillas vayan desapareciendo de las herramientas inalámbricas a fin de dejar la vía libre para la tecnología brushless no da la pauta de ello.