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Sistemas A&D avanzados con micromotores

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Avance de los sistemas aeroespaciales y de defensa con motores en miniatura de precisión

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SISTEMAS AEROESPACIALES Y DE DEFENSA AVANZADOS CON MOTORES DE PRECISIÓN EN MINIATURA

Las aplicaciones aeroespaciales y de defensa son muy exigentes y requieren soluciones de control de movimiento extremadamente precisas y con gran densidad de potencia; en consecuencia, son algunas de las aplicaciones más difíciles de diseñar e implementar para los ingenieros de control de movimiento. Las especificaciones típicas de A&D requieren motores capaces de resistir temperaturas extremas, funcionar en condiciones de choque y vibración severas y encajar en espacios reducidos, todo ello manteniendo altos niveles de rendimiento. Este artículo repasa estos estrictos requisitos y aborda los retos de diseño a los que se enfrenta el fabricante de motores miniatura de precisión.

TECNOLOGÍAS DE MOTORES EN MINIATURA UTILIZADAS HABITUALMENTE EN APLICACIONES AEROESPACIALES Y DE DEFENSA

Tres tecnologías de motor se utilizan con frecuencia para los requisitos de movimiento en aplicaciones de A&D: Brush DC Coreless, Brushless DC (BLDC) y Stepper. Los motores de CC sin núcleo y BLDC suelen seleccionarse por su mayor eficiencia y menor peso; los motores BLDC están disponibles tanto en forma cilíndrica como plana y utilizan tecnologías de bobinado ranurado y sin ranurar. Los motores paso a paso también son una opción ideal para aplicaciones en las que se requiere precisión, pero la relación precio-rendimiento es lo más importante.

Las tres tecnologías se adaptan no sólo a los exigentes requisitos de rendimiento de las aplicaciones típicas de A&D, sino también a sus condiciones ambientales extremas. Los requisitos de temperatura son un ejemplo clave, ya que pueden oscilar entre -55 °C/-67 °F y 200 °C/392 °F; esto significa que todos los componentes de control de movimiento deben estar especialmente diseñados para sobrevivir en estos extremos y mantener niveles de alto rendimiento en todo el rango operativo. Los avances en materiales, en particular los metales utilizados en las carcasas de los motores, los lubricantes especiales para rodamientos, los recubrimientos especiales para componentes electrónicos y los plásticos para el aislamiento de las bobinas, permiten que los minimotores funcionen de forma fiable en estas condiciones.

El funcionamiento en entornos con grandes sacudidas y vibraciones es un segundo reto común que debe tenerse en cuenta. Son necesarias consideraciones especiales de diseño para que los micromotores funcionen en estos entornos extremos, ya que incluso pequeños movimientos de las bobinas del motor pueden dañarlo. El diseño del motor debe garantizar que los componentes internos críticos del motor (rotor, eje, cojinetes) y los componentes conectados (cajas de engranajes, codificadores) están adecuadamente asegurados para evitar movimientos cuando se exponen a las condiciones de choque y vibración más severas.

La exposición a los materiales potencialmente peligrosos que suelen encontrarse en estas aplicaciones es un tercer modo potencial de fallo del motor que debe tenerse en cuenta. Los ingenieros de diseño de motores tratan de incorporar materiales avanzados junto con diseños de sellado especializados dentro del motor. El diseño óptimo garantiza que el motor pueda funcionar con la máxima eficiencia en estos entornos extremos y, lo que es más importante, que el motor funcione de forma segura y fiable.

APLICACIONES AEROESPACIALES Y DE DEFENSA QUE REQUIEREN MOTORES EN MINIATURA

Las aplicaciones aeroespaciales y de defensa pueden dividirse en tres categorías: aeroespacial comercial, aeroespacial militar y defensa, y naves espaciales y cohetes. El elemento común entre todas ellas es la necesidad de diseños de motores ligeros y de gran potencia que proporcionen una forma de actuación. Desde el accionamiento de asientos hasta los sistemas de control de vuelo, pasando por el accionamiento de aletas o el control de válvulas, los motores miniatura de precisión son un componente esencial de estas aplicaciones.

Válvulas y actuadores

En los vehículos aéreos se utilizan varios tipos de válvulas y actuadores para realizar funciones críticas, como regular el flujo de combustible al motor y controlar el flujo de aire en la cabina del avión. Debido a su ubicación física en el avión, estos dispositivos suelen estar expuestos a entornos extremos y exigen la máxima densidad de potencia y respuesta dinámica del sistema de movimiento. Las consideraciones típicas de diseño incluyen:

- Modificaciones en el material de los imanes para garantizar que su fuerza no se degrade a medida que aumenta la temperatura

- La selección del material de laminación garantiza que los motores puedan soportar temperaturas extremas

- La selección adecuada de los cables conductores que conectan los motores a la electrónica del sistema garantiza que se mantengan flexibles en condiciones de frío extremo y que no se fundan con el calor extremo.

Cada una de estas modificaciones en el diseño de los motores debe tenerse en cuenta para garantizar un funcionamiento de alto rendimiento a lo largo de los amplios rangos de temperaturas extremas durante el ciclo de vida de la aeronave. Muchos de los diseños de válvulas heredados y de la generación actual utilizan motores paso a paso que regulan con precisión la posición o motores de corriente continua con escobillas que son ideales para válvulas de encendido/apagado. Sin embargo, los diseños de nueva generación están pasando gradualmente a utilizar motores de corriente continua sin escobillas para aplicaciones de actuación inteligente. Esto se debe a la capacidad de posicionamiento preciso del motor BLDC, que puede proporcionar datos sobre el número de operaciones, controlar cualquier comportamiento anómalo y suministrar información de mantenimiento, mejorando así la fiabilidad y el rendimiento general del equipo.

Accionamiento de persianas y asientos

El control electromecánico de las persianas de las ventanas y el accionamiento de los asientos son innovaciones en expansión para aviones privados y comerciales, cuyo objetivo es facilitar el uso a los pasajeros y aumentar el control del personal de la aerolínea. Estos sistemas permiten al pasajero subir o bajar cómodamente la persiana o la superficie del asiento con sólo pulsar un botón; también permiten al personal de vuelo controlar la luz ambiental de la cabina y adoptar la posición adecuada del asiento durante el despegue y el aterrizaje. Debido a su alta densidad de potencia, bajo nivel de ruido y bajo aumento de temperatura, los motores DC Coreless se utilizan principalmente en esta aplicación. La posibilidad de utilizar motores sin electrónica de control supone una clara ventaja económica, mientras que la alta eficiencia y el bajo peso del motor reducen la potencia y el consumo de combustible, un objetivo clave para todas las aerolíneas hoy en día.

Defensa inteligente

Las aplicaciones de munición inteligente implican un uso único en el que es imprescindible un control de precisión en un entorno de alta velocidad y vibraciones extremas. El control y la dinámica del motor son factores clave para el rendimiento global del sistema, por lo que en el diseño del motor deben tenerse en cuenta todos los parámetros que puedan afectar, aunque sea mínimamente, al rendimiento durante el funcionamiento.

Dependiendo de las prioridades del diseño, los diseños BLDC ranurados, sin ranuras y planos son soluciones de movimiento adecuadas para los sistemas de actuación de control de aletas. Con una alta densidad de potencia y un tamaño reducido, estos motores reducen el peso del sistema de actuación y proporcionan una alta respuesta dinámica de entrada desde el sistema de navegación para garantizar un excelente control de vuelo. En las aplicaciones de despliegue de alas, tanto las tecnologías de CC con escobillas como las de CC sin escobillas son ideales. Las aplicaciones EO/IR suelen utilizar motores DC de escobillas pequeñas y BLDC sin ranuras con alta densidad de potencia para minimizar el tamaño total del sistema. Los motores de CC con escobillas también ayudan a reducir el espacio ocupado, ya que sólo se necesita una electrónica de control sencilla para el funcionamiento del motor.

En general, para los sistemas de movimiento sencillos, los motores de CC con escobillas son las soluciones más rentables para satisfacer los requisitos de la aplicación, como el rendimiento, el tamaño y una vida útil prolongada. Para requisitos más complejos, un motor BLDC totalmente personalizado es probablemente la mejor solución.

CONCLUSIÓN

Una de las tareas más difíciles a las que se enfrentan los proveedores de soluciones de movimiento en el sector aeroespacial y de defensa es adaptar el sistema de motor en miniatura a las demandas exclusivas de cada aplicación. Para ello, los ingenieros de diseño de motores deben ser expertos en ajustar los elementos de diseño a los requisitos de la aplicación, así como en adaptar los diseños existentes para optimizar el SWaP (espacio, peso y potencia) y las distintas condiciones ambientales. En este contexto, los motores COTS (Commercial-Off-The-Shelf) resultan ideales para las aplicaciones aeroespaciales y de defensa, ya que combinan una potencia considerable con un chasis compacto y ligero. Los fabricantes equipados con una amplia gama de tecnologías de motores poseen una excelente capacidad para analizar requisitos específicos que abarcan diversas tecnologías. Esto se traduce a menudo en la oferta a los clientes de una gama de soluciones de control de movimiento que se ajustan con precisión a sus necesidades.