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#Tendencias de productos
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Control de movimiento - Un atajo para dimensionar los motores
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La constante del motor ayuda a seleccionar motores de corriente continua en aplicaciones de control de movimiento.
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Los motores de corriente continua con escobillas y sin escobillas son una buena opción en aplicaciones sensibles a la potencia o que buscan la eficiencia.
Muchas veces, la hoja de datos de un motor o generador de corriente continua incluye la constante del motor Km, que es la sensibilidad del par dividida por la raíz cuadrada de la resistencia del devanado. La mayoría de los diseñadores consideran esta propiedad intrínseca del motor como una cifra de mérito esotérica, útil sólo para el diseñador del motor, sin valor práctico en la selección de motores de corriente continua.
Sin embargo, la Km puede ayudar a reducir el proceso iterativo de selección de un motor de corriente continua, ya que, por lo general, es independiente del devanado en una carcasa o tamaño de bastidor determinado. Incluso en los motores de corriente continua sin hierro, en los que Km depende del devanado (debido a las variaciones en el factor de llenado de cobre), sigue siendo una herramienta sólida en el proceso de selección.
Como el Km no tiene en cuenta las pérdidas de un dispositivo electromecánico en todas las circunstancias, el Km mínimo debe ser mayor que el calculado para tener en cuenta esas pérdidas. Este método también es una buena comprobación de la realidad porque obliga al usuario a calcular tanto la potencia de entrada como la de salida.
La constante del motor aborda la naturaleza electromecánica fundamental de un motor o generador. La selección de un devanado adecuado es sencilla después de determinar un tamaño de carcasa o bastidor suficientemente potente.
La constante del motor Km se define como:
Km = KT/R0,5
En una aplicación de motor de corriente continua con una disponibilidad de potencia limitada y un par conocido requerido en el eje del motor, se fijará el Km mínimo.
Para una determinada aplicación del motor, el Km mínimo será:
Km = T / (PIN - POUT)0,5
La potencia en el motor será positiva. PIN es simplemente el producto de la corriente y la tensión, suponiendo que no hay desplazamiento de fase entre ellas.
PIN = V X I
La potencia de salida del motor será positiva, ya que suministra potencia mecánica y es simplemente el producto de la velocidad de giro y el par.
POUT = ω X T
Un ejemplo de control de movimiento incluye un mecanismo de accionamiento de tipo pórtico. Utiliza un motor de corriente continua sin núcleo de 38 mm de diámetro. Se decide duplicar la velocidad de giro sin cambiar el amplificador. El punto de funcionamiento existente es de 33,9 mN-m (4,8 oz-in.) y 2.000 rpm (209,44 rad/seg) y la potencia de entrada es de 24 V a 1 A. Además, no es aceptable un aumento del tamaño del motor.
El nuevo punto de funcionamiento será el doble de velocidad y el mismo par. El tiempo de aceleración es un porcentaje insignificante del tiempo de movimiento, y la velocidad de giro es el parámetro crítico.
Cálculo del Km mínimo
Km = T / (PIN - POUT)0,5
Km = 33,9 X 10-3 N-m / (24 V X 1A -
418.88 rad/seg X 33,9 X 10-3 N-m) 0,5
Km = 33,9 X 10-3 N-m / (24 W - 14,2 W) 0,5
Km = 10,83 X 10-3 N-m/√W
Tenga en cuenta las tolerancias de la constante de par y la resistencia del bobinado. Por ejemplo, si la constante de par y la resistencia del bobinado tienen tolerancias de ±12%, el peor caso de Km será:
KMWC = 0,88 KT/√(R X 1,12) = 0,832 Km
o casi un 17% por debajo de los valores nominales con un devanado frío.
El calentamiento del devanado reducirá aún más los Km, ya que la resistividad del cobre aumenta casi un 0,4%/°C. Y para agravar el problema, el campo magnético se atenúa con el aumento de la temperatura. Dependiendo del material del imán permanente, esto podría ser hasta un 20% para un aumento de temperatura de 100°C. La atenuación del 20% para un aumento de temperatura del imán de 100°C es para los imanes de ferrita. El neodimio-boro-hierro tiene un 11%, y el samario-cobalto un 4%.
Curiosamente, para la misma potencia mecánica de entrada, si el objetivo es un 88% de eficiencia, el Km mínimo pasaría de 1,863 N-m/√W a 2,406 N-m/√W. Eso equivale a tener la misma resistencia de bobinado pero una constante de par un 29% mayor. Cuanto mayor sea la eficiencia deseada, mayor será el Km requerido.
Si en el caso de la aplicación del motor se conoce la corriente máxima disponible y la carga de par del peor caso, calcule la menor constante de par aceptable utilizando
KT = T/I
Después de encontrar una familia de motores con suficiente Km, seleccione un devanado que tenga una constante de par que supere ligeramente el mínimo. A continuación, comience a determinar si el devanado, en todos los casos de tolerancias y limitaciones de la aplicación, funcionará satisfactoriamente.
Evidentemente, elegir un motor o un generador determinando primero el Km mínimo en aplicaciones de motor sensibles a la potencia y de generador con problemas de eficiencia puede acelerar el proceso de selección. El siguiente paso será seleccionar un devanado adecuado y asegurarse de que todos los parámetros de la aplicación y las limitaciones del motor/generador son aceptables, incluidas las consideraciones de tolerancia del devanado.
Debido a las tolerancias de fabricación, los efectos térmicos y las pérdidas internas, siempre se debe elegir un Km algo mayor que el que requiere la aplicación. Es necesario un cierto margen de maniobra, ya que, desde un punto de vista práctico, no hay un número infinito de variaciones de bobinado disponibles. Cuanto mayor sea el Km, más tolerante será para satisfacer los requisitos de una aplicación determinada.
En general, las eficiencias prácticas superiores al 90% pueden ser prácticamente inalcanzables. Los motores y generadores más grandes tienen mayores pérdidas mecánicas. Esto se debe a las pérdidas en los rodamientos, el bobinado y las pérdidas electromecánicas, como la histéresis y las corrientes de Foucault. Los motores de escobillas también tienen pérdidas por el sistema de conmutación mecánica. En el caso de la conmutación por metales preciosos, muy popular en los motores sin núcleo, las pérdidas pueden ser muy pequeñas, inferiores a las de los rodamientos.
Los motores y generadores de corriente continua sin escobillas prácticamente no tienen pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en la variante con escobillas de este diseño. En las versiones sin escobillas, estas pérdidas, aunque bajas, existen. Esto se debe a que el imán suele girar con respecto al hierro posterior del circuito magnético. Esto induce pérdidas por corrientes parásitas e histéresis. Sin embargo, hay versiones de corriente continua sin escobillas en las que el imán y el hierro trasero se mueven al unísono. En estos casos, las pérdidas suelen ser bajas.