Motores de par sin escobillas: de la eliminación del par de engranaje a los tres grandes avances tecnológicos de 2026

Este artículo comienza con el principio del torque de cogging en motores sin bastidor, explica cómo la tecnología de núcleo sin ranuras elimina el rizado de par y la vibración, y destaca los tres principales avances logrados por los motores de par sin bastidor en 2025: aumentar el torque a baja velocidad mediante diseños de pares de polos altos que superan los 32 pares de polos, adoptar estructuras huecas sin bastidor para diseños compactos y ligeros, y utilizar imanes permanentes NdFeB de alto grado para mejorar la densidad de par.

El artículo también resume las ventajas de los motores de par sin bastidor, incluyendo un tamaño compacto y una alta densidad de par, al tiempo que analiza desafíos como la optimización del circuito magnético y la gestión térmica. Por último, ofrece pautas prácticas de selección basadas en el principio de "el par primero," junto con consideraciones clave de ingeniería para la instalación y la disipación del calor.

Comprender lo básico: ¿Qué causa el torque de cogging?

Para comprender plenamente el funcionamiento del motor, es esencial entender primero los tres componentes fundamentales de un núcleo de motor.

El anillo circular continuo situado en la parte más externa del estator se llama yugo. Las protuberancias con forma de dientes que se extienden hacia adentro desde el yugo se llaman dientes. Los espacios entre dientes adyacentes se conocen como ranuras, mientras que la abertura en la parte frontal de cada ranura se denomina abertura de ranura.

Para permitir el funcionamiento del motor, se enrollan bobinados conductores de cobre alrededor de los dientes. Debido a que los dientes poseen una excelente permeabilidad magnética, ayudan a fortalecer el campo magnético.

Cuando se coloca un rotor dentro del estator y comienza a girar, puede sentirse una resistencia periódica notable o una sensación de "tirones". En la ingeniería de motores, este fenómeno se conoce como torque de cogging.

Por ejemplo, considere un estator de seis ranuras y cuatro polos combinado con un rotor de cuatro polos. Dado que el número de polos magnéticos y ranuras no puede alinearse perfectamente, la atracción magnética entre los imanes del rotor y los dientes del estator fluctúa periódicamente durante la rotación. Cada vez que el rotor pasa por una posición de ranura, se produce una perturbación de par, lo que da como resultado vibración y un movimiento irregular.

Uno de los métodos más eficaces para eliminar el torque de cogging es el uso de una estructura de núcleo sin ranuras.

Como su nombre indica, un motor sin ranuras no contiene ni ranuras ni dientes. En su lugar, los bobinados de cobre se fijan directamente a la superficie interior lisa del núcleo de hierro. Sin dientes, la atracción magnética entre los imanes del rotor y el estator permanece constante durante la rotación.

Como resultado, los motores sin ranuras eliminan por completo el torque de cogging, proporcionando:

• Funcionamiento ultra suave

• Sin tirones ni vibración

• Rizado de par extremadamente bajo

• Alta precisión de posicionamiento

Esta es una de las ventajas de rendimiento más importantes de la tecnología de motores sin ranuras.

¿Qué avances tecnológicos han logrado los motores de par sin bastidor en 2025?

Los motores de par sin bastidor son motores síncronos de imanes permanentes y accionamiento directo de múltiples polos. A diferencia de los motores convencionales, eliminan estructuras no esenciales como carcasas, rodamientos y ejes de salida.

Su desarrollo se centra en tres objetivos clave:

• Par constante a baja velocidad

• Alta densidad de par

• Bajo rizado de par

En 2025, se han logrado importantes avances tecnológicos en el diseño electromagnético, la innovación estructural y el desarrollo de materiales, lo que hace que los motores de par sin bastidor sean ideales para los requisitos compactos, flexibles y de alta precisión de las articulaciones de los robots humanoides.

1. Diseño electromagnético: solución de la vibración a baja velocidad

El aumento del número de pares de polos se ha convertido en el factor clave que impulsa las mejoras de rendimiento.

En comparación con las configuraciones de 12 pares de polos más habituales hace cinco años, los motores de par sin bastidor de gama alta ahora cuentan con 32, 64 o incluso más pares de polos.

El mayor número de polos permite que el motor entregue un par nominal estable incluso a velocidad cero o a velocidades ultra bajas de hasta 0.1°/s, eliminando de forma eficaz los problemas de arrastre, atasco y vibración asociados a los motores convencionales.

Al mismo tiempo, la industria adopta ampliamente configuraciones optimizadas de bobinado concentrado de ranura fraccionaria, como 48 polos y 324 ranuras, reduciendo el torque de cogging a menos del 1% del par nominal.

Esto permite un control de movimiento excepcionalmente suave para aplicaciones exigentes como:

• Robots quirúrgicos

• Articulaciones de robots humanoides

• Equipos de semiconductores

• Sistemas de automatización de precisión

2. Innovación estructural: diseño compacto para robots humanoides

Los motores de par sin bastidor se han convertido en la arquitectura de motor preferida para los robots humanoides.

A diferencia de los motores DD (Direct Drive) con bastidor integrados, los motores sin bastidor presentan:

• Sin carcasa externa

• Sin rodamientos

• Sin eje de salida

Esta arquitectura minimalista ofrece importantes ventajas de integración.

El estator puede integrarse directamente en la carcasa del robot, mientras que el rotor se monta directamente sobre el eje de carga.

Las principales ventajas incluyen:

Longitud axial reducida a aproximadamente un tercio de la de los motores de accionamiento convencionales

Más de 30% de reducción del peso total

Dimensiones de la articulación significativamente menores

Espacio interno de cableado para cables, sensores y líneas de fluidos

La estructura hueca es particularmente adecuada para los requisitos de instalación compacta de las articulaciones de robots humanoides.

3. Avances en materiales: rendimiento estable de alto par en amplios rangos de temperatura

Los motores de par sin bastidor de gama alta suelen utilizar imanes permanentes de NdFeB de grado N52H y superior, ofreciendo valores de remanencia de hasta 1.45 Tesla.

Combinados con bobinados de aleación de cobre de alta conductividad, estos materiales mejoran significativamente:

Eficiencia de conversión electromagnética

Densidad de par

Capacidad de salida continua

El sistema completo de materiales admite funcionamiento en un amplio rango de temperatura de -40°C a 125°C, garantizando una salida de par estable en condiciones exigentes como:

• Entornos de alta temperatura

• Entornos de baja temperatura

• Ciclos frecuentes de arranque y parada

• Condiciones de sobrecarga leve

Este enfoque equilibra tanto el rendimiento como la fiabilidad a largo plazo.

Ventajas y desafíos de los motores de par sin bastidor

1. Ventajas principales

Tamaño compacto

El diseño hueco minimiza el espacio ocupado, simplificando el tendido de cables y la integración del sistema dentro de las articulaciones robóticas.

Alta densidad de par

Se puede lograr una gran salida de par incluso a bajas velocidades de rotación, lo que hace que los motores de par sin bastidor sean ideales para aplicaciones robóticas de baja velocidad y alta carga.

Rendimiento estable

La integración directa en las estructuras de la máquina mejora la resistencia a:

• Altas temperaturas

• Altos voltajes

• Exposición a radiación

• Entornos industriales hostiles

• Excelentes características de arranque y sin carga

• Baja tensión de arranque

• Baja corriente en vacío

• Mejor eficiencia energética

2. Desafíos técnicos

Optimización del circuito magnético

Los ingenieros deben optimizar cuidadosamente los materiales magnéticos y las configuraciones de bobinado para maximizar la eficiencia del circuito magnético y el factor de llenado de ranura.

Gestión térmica

Los sistemas de bajo voltaje a menudo requieren funcionamiento a alta corriente, generando un calor considerable. Un aumento excesivo de la temperatura puede acelerar el envejecimiento de los componentes y reducir la vida útil del sistema.

Requisitos de consistencia

Los sistemas robóticos multieje requieren un rendimiento del motor altamente consistente en todas las articulaciones. Las variaciones aumentan la complejidad de la puesta en marcha y afectan negativamente al rendimiento del control.

Reducción de costes

La localización de componentes clave sigue siendo fundamental para reducir los costes de fabricación y permitir una implantación comercial a gran escala.

¿Cómo seleccionar el motor de par sin bastidor adecuado?

1. Principio de selección de oro

La regla más importante es:

El par primero, la velocidad segundo

Los robots humanoides experimentan con frecuencia funcionamiento de arranque y parada y cargas dinámicas que cambian rápidamente.

Los márgenes de diseño recomendados incluyen:

• Par continuo ≥ 1.2–1.5 × par de carga en estado estacionario

• Par máximo ≥ 2 × par de carga de impacto

Para las articulaciones robóticas, también debe controlarse cuidadosamente la coincidencia de inercia.

La relación entre la inercia de la carga y la inercia del motor debe mantenerse:

≤ 5:1

para evitar vibraciones, inestabilidad y oscilación.

Selección del encoder

Para aplicaciones estándar de robots humanoides:

• Encoder absoluto de 23 bits

• Resolución de aproximadamente 0.0001°

Para aplicaciones de ultra alta precisión como:

• Robótica médica

• Fabricación de semiconductores

se recomienda un encoder de ultra alta resolución de 29 bits.

2. Consideraciones críticas de integración

Control de coaxialidad

El error excesivo de coaxialidad es una de las causas más comunes de fallo en motores sin bastidor.

La concentricidad entre estator y rotor debe mantenerse dentro de:

0.02 mm

Una desalineación excesiva puede provocar:

Mayor rizado de par

Sobrecalentamiento localizado

Fallo de rodamientos

Deben utilizarse comparadores de carátula de precisión durante el montaje para lograr una alineación exacta.

Gestión térmica

Debido a que los motores sin bastidor operan a baja velocidad y alta corriente, la generación de calor puede ser considerable.

Bajo condiciones como:

• Bloqueo continuo

• Operación a máxima potencia

se recomiendan encarecidamente sistemas de refrigeración por aire forzado o por líquido.

Los diseños avanzados de articulación pueden emplear:

• Tubos de calor integrados en la carcasa de la articulación

• Circulación de refrigerante dieléctrico

para aumentar la densidad de par continuo hasta cuatro veces.

Rigidez estructural

Los sistemas de accionamiento directo carecen de la amortiguación de la caja de engranajes.

Una rigidez estructural insuficiente puede provocar resonancia y vibración.

Las soluciones recomendadas incluyen:

Estructuras de articulación integradas huecas

Bases de soporte reforzadas de hierro fundido

Mayor rigidez del sistema

3. Puesta en marcha y optimización de EMI

Durante la puesta en marcha, deben habilitarse tres funciones clave:

• Compensación del torque de cogging

• Supresión de armónicos

• Compensación anticipada de la fricción

El ancho de banda del lazo de corriente debe superar:

• 2 kHz para aplicaciones estándar

• 5 kHz para aplicaciones de precisión de gama alta

Estas medidas reducen eficazmente el rizado de par y mejoran la suavidad del movimiento.

Por ejemplo, en aplicaciones de robótica quirúrgica, ajustar el controlador PI a:

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

puede lograr tiempos de respuesta de corriente de hasta 0.5 ms.

Supresión de EMI

Para abordar fuentes de ruido de frecuencia fija como la interferencia de 1.2 MHz, se recomiendan las siguientes soluciones:

• Apantallamiento con lámina de cobre en los bobinados del estator

• Capas de apantallamiento magnético nanocristalino

• Apantallamiento con tela conductora

• Núcleos de ferrita instalados en los cables de alimentación

Aumentar la frecuencia PWM de 15 kHz a 18 kHz puede incrementar ligeramente las pérdidas de conmutación, pero ayuda a evitar las frecuencias de resonancia mecánica y a reducir los picos de ruido electromagnético en aproximadamente 8 dB.

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