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IMPLEMENTACIÓN DE LA REDUNDANCIA EN UN MOTOR PASO A PASO EN MINIATURA

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Turtorial

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Algunas de las recientes actividades de investigación en el ámbito de los accionamientos de motores eléctricos para aplicaciones críticas (como la industria aeroespacial y las centrales nucleares) se centran en la búsqueda de diversas topologías de motores y accionamientos tolerantes a fallos.

Tras analizar diferentes soluciones, este artículo se centra en el diseño de un motor paso a paso PM en miniatura que entra en esta categoría de tolerancia a fallos al proporcionar una mayor redundancia.

Los sistemas de seguridad crítica están adquiriendo una importancia creciente en el mundo industrial. Algunos ejemplos de estos sistemas son la industria aeroespacial, el transporte, las aplicaciones médicas y militares y las centrales nucleares. Todos ellos tienen instalados varios accionamientos de motores eléctricos hasta el punto de que las centrales dependen en gran medida de ellos. Cualquier fallo en estos accionamientos puede provocar fallos catastróficos en las plantas, lo que puede ser muy costoso en términos de recursos humanos y coste de capital, y claramente indeseable. Las técnicas que subyacen a la mayoría de los accionamientos eléctricos del mercado actual no son adecuadas para las aplicaciones críticas de seguridad. Por ello, es necesario mejorar la capacidad de supervivencia de los sistemas críticos, dada la creciente dependencia de los mismos y las graves consecuencias de su fallo. Una de las herramientas habituales en el diseño de sistemas críticos de seguridad es la redundancia. Lo ideal es que muchos sistemas tolerantes a fallos reflejen todas las operaciones; es decir, que cada operación se realice en dos o más sistemas duplicados, de modo que si uno falla el otro pueda tomar el relevo. Por tanto, la redundancia dentro del sistema es un aspecto esencial.

¿Qué es un motor tolerante a fallos?

Las especificaciones de un motor tolerante a fallos incluyen:

Mayor redundancia, al utilizar segmentos de motor idénticos en el mismo eje.

Fases aisladas eléctricamente para evitar el cortocircuito entre fases.

Devanados desacoplados magnéticamente para evitar la reducción del rendimiento en caso de fallo de las otras fases.

Fases físicamente aisladas para evitar la propagación del fallo a las fases vecinas y aumentar el aislamiento térmico.

¿Qué soluciones se ofrecen?

Acoplar dos motores en el mismo eje (figura 1) es lo que normalmente viene primero a la mente. Aunque su aplicación es sencilla, esta solución presenta varias limitaciones que hay que tener en cuenta:

Esta solución cuesta aproximadamente el doble que el sistema no tolerante a fallos.

El motor de accionamiento tiene que superar el par de fricción y el cogging del motor de ralentí, mientras que induce además pérdidas de hierro en este último, lo que reduce la eficiencia global del sistema.

Aporta frecuencias de resonancia imprevisibles que pueden afectar gravemente al buen funcionamiento del sistema.

No cumple en absoluto los requisitos de tamaño reducido y peso ligero exigidos por la industria aeroespacial

Tutorial FAULHABER Motor paso a paso

Figura 1: Dos motores acoplados en el mismo eje

La existencia de los motores FAULHABER Disc Magnet simplifica la búsqueda de la capacidad de redundancia. Por defecto, este diseño de motor patentado presenta 4 devanados que normalmente se conectan por pares para formar un motor paso a paso bifásico. Una solución personalizada que permite que los 4 devanados sean independientes entre sí crea dos motores paso a paso PM bifásicos con fases aisladas física y eléctricamente que son la clave para conseguir un sistema sin fallos (Figura 2). Los devanados sólo están parcialmente acoplados magnéticamente y la configuración redundante sólo conlleva una reducción del par del 30% en comparación con la configuración estándar del motor con una potencia disipada equivalente. Con un disipador de calor adecuado y un aumento de la corriente de fase, se puede alcanzar el mismo par de salida.

Conclusión

El diseño específico y patentado de algunos pequeños motores en miniatura existentes (de hasta Ø6mm) cumple, con muy poca adaptación, las especificaciones de un motor tolerante a fallos, robusto y fiable con el grado de redundancia que es crucial en las aplicaciones críticas de seguridad que dependen del funcionamiento sin fallos de los accionamientos de motores eléctricos.