Tipos de motores en Motion Control

Puede que no fabriquemos motores en ADVANCED Motion Controls, pero trabajamos con ellos todos los días y construimos servoaccionamientos para hacerlos funcionar, así que podría decirse que sabemos un par de cosas sobre ellos. Nos sentimos muy orgullosos de poder servir a cualquier aplicación, y eso significa que tenemos un accionamiento para casi cualquier tipo de motor que pueda encontrar. ¿Qué tipos de motores existen y dónde se utilizan?

Servomotores

En general, todos los servomotores se engloban dentro de los motores de imanes permanentes, que tienen imanes permanentes tanto en el estator (la parte que permanece quieta) como en el rotor (la parte que gira en el centro del estator).

Con el tiempo, sin embargo, los límites de qué es un servomotor y lo que no lo es se han difuminado un poco. Esta ambigüedad se debe en parte a la ampliación de los usos de los servoaccionamientos más allá del servocontrol.

Hace décadas, los servoaccionamientos hacían poco más que amplificar una señal de mando, de ahí su nombre alternativo, servoamplificadores. En tecnología de control de movimiento Con el tiempo, los ingenieros descubrieron que los servoamplificadores podían modificarse y configurarse para controlar otros tipos de motores de la misma forma que los servomotores. Los servoaccionamientos de hoy en día son mucho más versátiles y pueden configurarse fácilmente para una amplia variedad de tipos de motor, aunque siguen manteniendo el término "servo" en su denominación.

Los servomotores se utilizan en millones de aplicaciones, desde vehículos teledirigidos hasta fresadoras CNC o robots quirúrgicos. Los servomotores son populares por varias razones, entre ellas su eficiencia energética y su pequeño tamaño.

Pero lo más importante es que pueden ofrecer un control muy preciso cuando disponen de un dispositivo de realimentación y un servoaccionamiento.  ADVANCED Los accionamientos de Motion Controls son capaces de controlar casi cualquier servomotor que pueda encontrar.

CC cepillada (monofásica)

Los motores de corriente continua con escobillas son quizás el tipo de motor más sencillo que existe. Tienen imanes permanentes fijados en el estator y bobinas de alambre en bucle en el rotor. Cuando la corriente eléctrica pasa por las bobinas, el campo magnético crea una fuerza que hace que el rotor se mueva. La pregunta es: ¿cómo hacer llegar constantemente la corriente continua a un objeto que gira sin que los cables se enreden? La respuesta son las escobillas conductoras y un conmutador.

El conmutador es una pieza redonda con puntos de contacto metálicos conectados a cada una de las espiras de la bobina del rotor. Las escobillas conductoras no son como las escobillas de pelo; suelen ser piezas de una mezcla de grafito que se cargan con un muelle para hacer contacto eléctrico con el conmutador del motor cuando éste gira para proporcionar la corriente eléctrica. Ofrecen un gran rendimiento a un precio económico. Sin embargo, un inconveniente es que el contacto físico entre las escobillas y el conmutador crea fricción, lo que desgasta las escobillas y crea muchas partículas de polvo con el tiempo. Por ello, los motores con escobillas son más susceptibles de sufrir costes de mantenimiento durante un largo periodo de tiempo que sus homólogos sin escobillas, a pesar de tener un coste inicial más bajo. Para aplicaciones de bajo coste, aplicaciones de corta duración, o aplicaciones en las que el motor es fácilmente accesible para ser reparado o reemplazado, entonces un motor de CC con escobillas puede servir.

El control de los servomotores es nuestro juego, por lo que cada ADVANCED El servoaccionamiento de Motion Controls puede hacer funcionar un motor de CC con escobillas, siempre que esté en el rango de potencia adecuado, por supuesto.

DC sin escobillas (trifásico)

Los motores sin escobillas adoptan el enfoque contrario al de los motores con escobillas. Colocan los imanes permanentes en el rotor y hacen pasar la electricidad por el estator. Ya no hay un conmutador mecánico. En su lugar, las tres fases del motor del estator se alimentan de corriente continua y sus bobinas interactúan con el campo magnético de los imanes del rotor. Alternando de forma controlada cuál de las dos fases del motor está activa a la vez, los campos magnéticos hacen girar el rotor.

Los motores sin escobillas de CC suelen ser más caros que sus homólogos con escobillas. Sin embargo, el reducido contacto mecánico (es decir, la ausencia de escobillas) en los motores sin escobillas de CC significa una excelente disipación del calor, una menor necesidad de mantenimiento y una mayor eficiencia eléctrica, todo lo cual puede reducir los costes a largo plazo.

Para las aplicaciones en las que el motor no es fácilmente accesible para su mantenimiento o se desea una mayor eficiencia que la de un motor con escobillas, entonces un motor de corriente continua sin escobillas trifásico puede ser el camino a seguir.

El control de servomotores sin escobillas es fácil con nuestros productos. Con pocas excepciones, todos nuestros servoaccionamientos comercializados activamente pueden funcionar con motores DC sin escobillas.

CA sin escobillas

También conocidos como motores síncronos de imanes permanentes o PMAC, los servomotores AC sin escobillas son increíblemente eficientes. Al igual que los motores de corriente continua sin escobillas, la corriente eléctrica circula por el estator y los imanes permanentes están en el rotor.

Hoy en día, la distinción es menos sobre los motores en sí cuando se comparan los motores de CA sin escobillas con los motores de CC sin escobillas, sino más bien cómo son impulsados por el servoaccionamiento. Con la CA sin escobillas, la corriente pasa constantemente por las tres fases, pero alternando hacia adelante y hacia atrás de forma sinusoidal, como se ve en el suministro de CA de la pared. Este fenómeno crea un campo magnético rotativo neto, que gira mucho más suavemente que el campo magnético que se consigue encendiendo y apagando las fases del motor en un motor sin escobillas de CC.

Al igual que los motores sin escobillas de CC, rara vez requieren mantenimiento debido a la ausencia de escobillas mecánicas. El inconveniente de los motores sin escobillas de CA en comparación con los motores sin escobillas de CC (y los motores de inducción de CA, que se tratarán más adelante) es su coste inicial aún mayor. Sin embargo, su eficiencia en el rendimiento y su mínimo coste de mantenimiento pueden compensarlo a largo plazo.

Los servoaccionamientos AMC DigiFlex Performance y FlexPro pueden configurarse para hacer funcionar motores de CA sin escobillas siempre que haya un dispositivo de retroalimentación.

Otros motores rotativos

Stepper

Los motores paso a paso son similares a los motores sin escobillas, pero el movimiento se define en "pasos" incrementales. ¿Cómo se consigue esto? El rotor y el estator tienen forma de "dientes", pero a diferencia de los engranajes, los dientes no se engranan, sino que se utilizan para la alineación magnética. Hay menos dientes en el estator que en el rotor, por lo que no se pueden alinear todos los dientes a la vez. Al magnetizar diferentes fases del estator como norte o sur, el rotor se desplazará ligeramente para alinearse o contraalinearse con las fases activas.

Incluso con sólo dos o tres fases de motor, los motores paso a paso pueden moverse en incrementos muy controlados con cada paso, que puede ser inferior a un grado de movimiento. Con el half-stepping (alternando entre el uso de 1 y 2 fases alineadas a la vez) y el microstepping (activando y desactivando las fases más gradualmente), la resolución puede duplicarse a expensas del par. Esto hace que los motores paso a paso sean excelentes para aplicaciones de alta precisión.

El control de motores paso a paso se utiliza en impresoras (2D y 3D), ópticas, máquinas CNC de gama baja, componentes informáticos, objetivos de cámaras y otros dispositivos que necesitan un control de posición preciso. ADVANCED Los servoaccionamientos FlexPro y DigiFlexPerformance de Motion Controls pueden utilizar motores paso a paso de bucle cerrado. Esto significa que los motores necesitan retroalimentación del codificador para que los servoaccionamientos puedan operar como servomotores.

Inducción de CA

Inventados por Nikola Tesla, los motores de inducción son posiblemente el tipo de motor más común del mundo. A diferencia de los otros motores rotativos que hemos analizado, los motores de inducción de CA no utilizan imanes permanentes ni en el estator ni en el rotor.

Al igual que los servomotores de CA sin escobillas, se basan en una estructura de bucle de CA trifásica, que produce un campo magnético giratorio neto. Sin embargo, en lugar de utilizar el campo para mover los imanes permanentes del rotor, el flujo magnético induce una corriente en el rotor, que está construido con un diseño de jaula de ardilla. Esta corriente produce un campo magnético que interactúa con el campo magnético del estator y hace girar el rotor. En cierto sentido, el rotor intenta constantemente alcanzar el campo magnético giratorio del estator. La diferencia de velocidad se conoce como deslizamiento.

La velocidad de un motor de inducción de CA puede ajustarse simplemente ajustando la frecuencia de CA. Además, el uso de CA, en contraposición a la CC, puede hacer que estos motores sean muy atractivos para aplicaciones de muy alta potencia. Por ello. Los motores de inducción de CA suelen utilizarse en dispositivos de gran tamaño, como grúas, ascensores, coches eléctricos y otra maquinaria pesada. Todos los ADVANCED Los servoaccionamientos digitales de Motion Controls pueden operar motores vectoriales de bucle cerrado, esencialmente motores de inducción de CA con retroalimentación de codificador.

Motores no rotativos

No todas las aplicaciones de control de movimiento implican hacer girar algo o articular articulaciones.

Motores lineales

Los motores lineales pueden considerarse como un motor de corriente continua sin escobillas "desenrollado" en el que se intercambian el estator y el rotor. Hay una pista larga de imanes permanentes que alternan su polaridad y un carro móvil con tres fases de bobinas. La dirección de la corriente a través de estas bobinas magnetiza las fases al norte o al sur, lo que tira o empuja a lo largo de la pista del motor respectivamente.

Estos motores se utilizan para aplicaciones en las que es necesario un movimiento lineal preciso y de alta velocidad, como las impresoras 3D industriales o las demostraciones de lanzamiento de bolas de AMC. Pueden orientarse horizontalmente, verticalmente o en ángulo. Sin embargo, estas características tienen un precio: los motores lineales son mucho más caros que otros tipos de motores.

Todo ADVANCED Los servoaccionamientos digitales DigiFlex Performance y FlexPro de Motion Controls pueden accionar motores lineales.

Actuador lineal

Los actuadores lineales son una alternativa a los motores lineales. Técnicamente, no son realmente un tipo diferente de motor. Se trata de un motor rotativo, como un servomotor, un motor de inducción o un motor paso a paso, acoplado a un mecanismo de bola y tornillo para crear un movimiento lineal. Debido a que este diseño es muy susceptible a la holgura, la retroalimentación de doble bucle se utiliza a menudo cuando se necesita precisión. Los bucles utilizan un dispositivo de realimentación en el motor rotativo y otro en el componente de movimiento lineal.

Los actuadores lineales se encuentran en muchos dispositivos, como grandes máquinas de taller, impresoras 3D de sobremesa y grandes sistemas de pórtico. Suelen ser una alternativa menos costosa que los motores lineales de CC, con la contrapartida de que las velocidades máximas son más lentas y se requiere más espacio para su integración (debido al motor rotativo). Sin embargo, un sistema de control de movimiento con un actuador lineal puede ser increíblemente eficiente y producir mayores fuerzas que los que utilizan un motor lineal.

Bobinas de voz

Las bobinas de voz son motores lineales monofásicos con un recorrido limitado a menos de un ciclo eléctrico. Son útiles por su velocidad de respuesta, precisión y exactitud.

Las bobinas de voz son las más comunes en los altavoces de audio. El movimiento de vaivén, junto con el corto alcance del movimiento y la precisión, permiten a las bobinas de voz crear las vibraciones que hacen el ruido audible de las señales eléctricas. En las aplicaciones de control de movimiento, los motores de bobina móvil se utilizan para movimientos lineales de corto alcance, como en las máquinas de ensayos de vida útil acelerada, en las que los materiales pueden someterse a muchos ciclos de tensión de forma controlada, en los dispositivos de amortiguación activa, en los que un peso puede moverse rápidamente hacia adelante y hacia atrás para contrarrestar las vibraciones no deseadas, o en cualquier aplicación de posicionamiento de corto recorrido en la que se necesite alta velocidad y precisión.

El uso de un servomotor para controlar una bobina móvil es análogo al control de un servomotor de CC con escobillas, con la principal diferencia de que el movimiento es lineal en lugar de rotativo. En el caso del control de un servomotor, la corriente es proporcional al par, mientras que en el control de una bobina móvil, la corriente es proporcional a la fuerza. Y como todos nuestros servoaccionamientos pueden controlar motores con escobillas, también pueden controlar bobinas de voz.

Reflexiones finales

Esperamos que este blog le dé una idea de los diferentes tipos de motores que existen y de cómo se pueden utilizar. Si no está seguro de qué tipo de motor necesita para su aplicación de control de movimiento, póngase en contacto con nosotros. De nuevo, no fabricamos motores, pero conocemos todos los aspectos del control de movimiento y estaremos encantados de hacerle recomendaciones. Trabajaremos con usted para crear una solución de control de movimiento que satisfaga todas las necesidades de su aplicación.

por Jackson McKay, ingeniero de marketing