Retos y oportunidades del diseño de motores ranurados

Retos y oportunidades en el diseño de motores ranurados en miniatura

La alta densidad de par y la mayor capacidad de refrigeración de los motores miniatura de corriente continua sin escobillas (BLDC) ranurados son fundamentales en numerosas aplicaciones que van desde la robótica a la electrónica de consumo. Sin embargo, para optimizar la eficiencia, el rendimiento y la fiabilidad de la aplicación, su especificación requiere una cuidadosa consideración. El asesoramiento sobre integración de ingeniería en la selección de motores BLDC ranurados estándar es ventajoso, y las consideraciones sobre diseño a medida beneficiarán el rendimiento de la aplicación a largo plazo.

Al carecer de escobillas para el proceso de conmutación, los motores de CC sin escobillas en miniatura presentan ventajas frente a sus homólogos con escobillas, como una mayor eficiencia, un funcionamiento a alta velocidad, una vida útil más larga y la posibilidad de mejorar el control. Dentro de los motores BLDC, existe la posibilidad de elegir entre configuraciones con o sin ranuras.

El estator, que es la parte exterior estacionaria que rodea al rotor, contiene los bobinados que canalizan el flujo de corriente eléctrica. Esto genera un campo magnético que interactúa con los imanes del rotor, haciendo que gire y cree movimiento. En un motor BLDC sin ranuras, los devanados suelen estar fijados en el estator mediante resina o se mantienen en su sitio mediante una cinta o un dispositivo mecánico de retención. Alternativamente, en un diseño con ranuras, los devanados se retienen dentro de ranuras o surcos.

Los motores sin ranuras suelen ser más compactos, y estos diseños también son beneficiosos para aplicaciones que requieren un funcionamiento más suave y una velocidad elevada. Sin embargo, los motores BLDC con ranuras permiten aumentar la cantidad de densidad de flujo magnético en el entrehierro, lo que se traduce en una mayor generación de par; esto ayuda a mejorar la dinámica del motor, haciendo que este diseño sea más fiable. Las ranuras también ayudan a disipar el calor, lo que permite mejorar la refrigeración.

DIMENSIONADO DE MOTORES BLDC RANURADOS

Los motores BLDC ranurados presentan retos únicos durante la fase de diseño, por lo que es necesario especificarlos cuidadosamente. Esto incluye un cálculo preciso de la pérdida en el núcleo, así como la responsabilidad de la saturación del material y la desmagnetización del imán a temperaturas de funcionamiento más altas, que pueden afectar al rendimiento, la eficiencia y la gestión térmica. Dimensionar el motor para cumplir los requisitos de par es un paso crítico. Este cálculo depende principalmente de las cargas eléctricas y magnéticas, junto con las dimensiones del rotor y el estator y la selección de los materiales.

Como principio general, si los puntos de trabajo de la aplicación implican alta velocidad y bajo par, la carga magnética debe optimizarse para reducir las pérdidas en el núcleo con un menor número de pares de polos. Las pérdidas en el núcleo, también conocidas como pérdidas en el hierro, se refieren a la energía disipada en el núcleo magnético del motor como resultado de la histéresis y las corrientes parásitas. En el otro extremo de la escala, si los puntos de trabajo incluyen baja velocidad y alto par, la carga eléctrica debe optimizarse para hacer frente a las pérdidas de cobre (también conocidas como pérdidas I²R). Las pérdidas de cobre representan la resistencia de los devanados al flujo de corriente eléctrica, y se presentan como potencia perdida en calor generado. La reducción de las pérdidas en el núcleo y en el cobre optimizará el rendimiento del motor para los puntos de trabajo de par-velocidad dados.

La relación básica entre el par generado viene dada por la siguiente ecuación: (Lea el libro blanco en nuestro sitio web para ver la ecuación)

UNA VISIÓN GENERAL DE LAS COMBINACIONES RANURA-POLO

La disposición/relación entre las ranuras del estator y los polos del imán permanente en el rotor se conoce como combinación ranura-polo, que describe las interacciones del campo magnético del motor.

Hay diferentes combinaciones de ranuras y polos posibles con los motores miniatura de ranuras. Debe considerarse un factor de bobinado alto para aumentar la constante de par del motor. Un alto LCM, o mínimo común múltiplo, entre el número de ranuras y polos (S, P), reduce la magnitud del par de arrastre, mientras que un alto GCD, o gran común divisor (S, P) ayuda a reducir las fuerzas radiales magnéticas desequilibradas y a aumentar la simetría radial.

El diseño tradicional de devanados concentrados con ranuras intergrales (ICSW) de dos polos que se muestra en la Fig.1 es posible, pero la constante de par es inferior a la del diseño de cuatro polos; esta opción no se recomienda para aplicaciones de par elevado y baja velocidad.

Existen varias combinaciones en función del par y la velocidad deseados, así como de la capacidad del motor para hacer frente a características como el par de arrastre, que crea ondulaciones de par y afecta a la suavidad del movimiento.

Además de la combinación de ranura y polo, también es posible otra configuración conocida como devanados concentrados de ranura fraccional (FSCW). FSCW incluye configuraciones de imanes de anillo multipolares con circuitos magnéticos cortos, y este diseño es adecuado para aplicaciones de baja velocidad y alto par. La Tabla 1 identifica las distintas combinaciones de ranura-polo y sus ventajas.

ESPECIFICACIÓN DE MOTORES BLDC MINIATURA RANURADOS

El par generado por el motor es proporcional a su volumen, la carga magnética y eléctrica, y su combinación de ranura-polo.

La especificación de estas características depende no sólo de los requisitos de par-velocidad de la aplicación, sino también de atributos más amplios que pueden afectar al rendimiento del movimiento, así como a la fiabilidad y longevidad.

Cuando se especifica un motor BLDC ranurado, los patrones de ranura del estator estándar y las configuraciones de imán estándar desarrolladas a lo largo de muchos años de producción pueden proporcionar una alta fiabilidad y un rendimiento suficiente si el tamaño del motor es estándar. Sin embargo, este diseño tradicional no suele aprovechar al máximo el circuito magnético, lo que también se traduce en un menor rendimiento en determinados puntos de trabajo de par-velocidad.

Teniendo en cuenta el conjunto de factores que influyen en la especificación, es crucial buscar el apoyo de integración de ingeniería de un especialista en movimiento como Portescap

como Portescap. Este es especialmente el caso de los OEM de mayor volumen. El diseño de motores a medida es extremadamente beneficioso, ya que este enfoque puede optimizar el rendimiento y la eficiencia para los puntos de trabajo específicos; basándose en diseños existentes personalizables, el tiempo de comercialización también suele ser más rápido que utilizando un diseño estándar cuando se tienen en cuenta todas las etapas de integración. Los motores BLDC ranurados también pueden especificarse por su rentabilidad, y teniendo en cuenta el mayor valor que puede aportar un diseño a medida, este proceso tiene el potencial de reducir los costes totales.

Si desea más información sobre especificaciones y diseños de motores de corriente continua sin escobillas adaptados a su aplicación, póngase en contacto con el equipo de Portescap en https://www.portescap.com