Dimensionamiento de un motor y un sistema de transmisión

El tamaño adecuado es un aspecto crucial de la selección del motor . Si el tamaño de un motor es demasiado pequeño, no podrá controlar la carga, lo que provocará un sobreimpulso y un zumbido.

Sobredimensionar un sistema es tan malo como subdimensionarlo:puede controlar la carga, pero también será más grande y pesado, además de más costoso en términos de precio y costo de operaciones. Es posible que no se ajuste físicamente y ciertamente costará más. Ocupará más espacio valioso en un gabinete de control o en el taller.

¿Qué tener en cuenta al comprar un motor?

Con demasiada frecuencia, los proveedores simplemente reciben una llamada solicitando un motor de cierta potencia. El ingeniero puede estar comprando un motor del mismo tamaño que el de una plataforma anterior. Es posible que hayan agregado un margen de seguridad considerable para compensar los cambios. Es posible que hayan utilizado una relación de carga e inercia a inercia del motor de 10:1 o 5:1, o alguna combinación de las anteriores.

El objetivo debe ser especificar un motor que proporcione la velocidad, la aceleración y el par necesarios para colocar la carga en la ubicación designada y en el momento deseado. Puede incluir un margen de seguridad diseñado para compensar la variación motor-dos-motores o los cambios esperados en las condiciones de funcionamiento de la máquina. Sin embargo, el margen de seguridad debe agregarse además de un cálculo informado.

Un error común es elegir un motor con un par de servicio continuo igual al requisito de par máximo de la aplicación (normalmente visto durante aceleraciones/desaceleraciones extremas ). Aplicaciones de control de movimiento con frecuencia consisten en movimientos breves y rápidos. Elegir un motor clasificado para generar este par de forma continua significa esencialmente pagar por más motor del necesario.

Dimensionamiento de Motor-Drive

Para dimensionar efectivamente el motor, es necesario calcular la inercia de carga (JL). La relación entre la inercia de la carga y la inercia del motor (esencialmente, la inercia del rotor ) da una medida de la eficacia con la que el motor puede controlar la carga. Una relación de inercia alta indica que el sistema tendrá dificultades para controlar la carga. Una relación de inercia baja (p. ej., 4:1 o 1:1) indica que el motor hará un trabajo muy efectivo para controlar la carga, pero también revela que el motor puede estar sobredimensionado para el sistema

A menudo, los diseñadores incluyen la carga real, la caja de cambios y el motor, pero dejan fuera de la ecuación las correas, las poleas y otros elementos mecánicos. Simplemente pasan al siguiente tamaño principal o usan el mismo tamaño de cuadro pero uno que produce más torque. De aquí es de donde proviene todo el enfoque del 10 % sobredimensionado.

El proceso de selección implica la recopilación de datos seguida de un análisis detallado. Requiere conocimiento del sistema mecánico, los parámetros de operación y las circunstancias bajo las cuales se utilizará el equipo. También debe incluir detalles del entorno operativo, ya que si no se consideran en una etapa temprana, es posible que el sistema seleccionado no sea el adecuado.

Inercia – la tendencia de un objeto a resistir cambios en la aceleración – es uno de los principales desafíos en control de movimiento . El motor debe poder aplicar suficiente fuerza (en un sistema lineal) o par (en un sistema rotatorio) para cambiar la aceleración de la carga y hacerlo de manera controlada.

Las principales limitaciones que deben tenerse en cuenta durante el proceso de dimensionamiento se pueden resumir de la siguiente manera:

• Par máximo
• Par RMS
• Velocidad máxima
• Características de par-velocidad del motor

Además, se deben considerar dos regímenes de aplicación:

• Aplicación de servicio continuo
• Aplicación de servicio intermitente

La diferencia entre estos dos regímenes de aplicación se puede ilustrar con un torno. El accionamiento del husillo de un torno es una aplicación de servicio continuo, ya que funciona a una velocidad constante bajo una carga constante; los accionamientos de eje son una aplicación de servicio intermitente, debido a la aceleración y desaceleración requeridas para seguir la trayectoria requerida de la herramienta.

Velocidad y motores

Los accionamientos de robots y máquinas herramienta cambian continuamente de velocidad para generar el perfil de movimiento requerido. La selección de la relación de transmisión y su relación con el par generado por el motor debe considerarse en su totalidad. Si se requiere que la carga funcione a una velocidad o par constante, se puede determinar la relación de transmisión óptima. En la práctica, los casos a considerar incluyen la aceleración con y sin un par de carga aplicado externamente y los efectos de inercias de carga variables.

El conocimiento del rango de velocidad requerido de la carga y una estimación inicial de las relaciones de transmisión requeridas permitirán estimar la velocidad máxima del motor. Para evitar que el motor no alcance la velocidad requerida, debido a fluctuaciones en el voltaje de alimentación, la velocidad máxima requerida debe incrementarse por un factor de 1,2. Este factor es satisfactorio para la mayoría de las aplicaciones industriales , pero se puede refinar para una aplicación especial, por ejemplo, cuando el sistema tiene que operar con un suministro restringido como el que se encuentra en aplicaciones tan diversas como aeronaves y plataformas petrolíferas en alta mar.

Voltaje

Dado que la velocidad máxima de un motor depende de la tensión de alimentación, es necesario considerar los períodos de baja tensión. Como pauta, un variador normalmente se dimensiona para que pueda funcionar a la velocidad máxima al 80 % del voltaje de suministro nominal. Si un sistema se alimenta de un suministro vulnerable a caídas de voltaje o apagones, se deberá tener mucho cuidado para garantizar que el variador, su controlador y la carga estén protegidos contra daños; esto es particularmente grave con los sistemas de microprocesador, que, si no se configuran correctamente, pueden bloquearse o restablecerse sin previo aviso, lo que lleva a una posible situación catastrófica.

Cuando el rendimiento de la aceleración es lo más importante, la inercia del motor debe agregarse a la inercia de la carga reflejada y debe determinarse el par requerido para acelerar esta inercia total a la velocidad requerida. Una combinación de motor y accionamiento se necesitará con una capacidad de torsión máxima de al menos 1,5 a 2 veces este valor para garantizar una capacidad de torsión suficiente.

El par máximo de la combinación de motor y accionamiento debe exceder, por un margen seguro de al menos el 15 %, la suma del par de fricción estimado más el par de aceleración más cualquier carga de par continuo presente durante la aceleración. Si esto no se puede lograr, se requerirá un motor diferente o la relación de transmisión.

En máquinas de muy alto rendimiento, la última cosecha de unidades de ajuste automático puede compensar de manera muy efectiva las resonancias y vibraciones de la máquina, lo que permite un rendimiento preciso incluso a velocidades muy altas. La compatibilidad electromagnética tiene una influencia considerable en el diseño y la aplicación de un sistema.

Componentes de transmisión de potencia

Los requisitos mecánicos del motor deben identificarse en una etapa temprana del procedimiento de dimensionamiento y selección. Los elementos que se pasan por alto con frecuencia incluyen cualquier restricción dimensional y de orientación que resulte del diseño mecánico.

Si estos pueden identificarse en una etapa temprana, puede evitar un rendimiento insatisfactorio una vez que se instala el equipo. En particular, si el motor está montado en posición vertical, es posible que se requieran calces especiales o precargas de los cojinetes.

En la determinación de los requisitos de transmisión, los pares de fricción son quizás el aspecto más difícil del procedimiento de dimensionamiento del motor. .

Cojinetes

En el caso de un eje giratorio, un rodamiento es el método de soporte más utilizado. Hay muchos tipos diferentes disponibles, de los cuales el más común es el rodamiento de rodillos y de bolas.

Caja de cambios

Un tren de engranajes convencional se compone de dos o más engranajes para cambiar la velocidad angular y el par entre un eje de entrada y uno de salida. Las cajas de cambios proporcionan una herramienta importante para gestionar la inercia. Una caja de cambios reduce la inercia por el cuadrado de la relación de transmisión. La contrapartida es que las cajas de cambios también reducen la velocidad del motor . La mayoría de los servomotores funcionan a velocidades entre 2000 y 6000 rpm, lo que les permite funcionar a una velocidad útil incluso cuando se usan con una caja de engranajes de alta relación de reducción.

Las ruedas dentadas de dientes rectos o helicoidales se emplean normalmente en los trenes de engranajes convencionales. El engranaje recto tiene la ventaja de producir una fuerza axial mínima, lo que reduce el problema de cualquier movimiento de los cojinetes del engranaje.

Los engranajes helicoidales se utilizan ampliamente en sistemas robóticos, ya que brindan una mayor relación de contacto en comparación con los engranajes rectos para la misma relación de cambio de velocidad, con la penalización de la carga del engranaje axial.

Los factores limitantes en la transmisión de engranajes son la rigidez de los dientes del engranaje, que se puede maximizar seleccionando la rueda dentada de mayor diámetro práctica para la aplicación, además de minimizar el contragolpe o la pérdida de movimiento entre engranajes individuales.

Husillos de plomo y de bolas

En un tornillo de avance, hay contacto directo entre el tornillo y la tuerca, lo que conduce a una fricción relativamente alta y, por lo tanto, a un accionamiento ineficiente. Para aplicaciones de precisión, los husillos de bolas se utilizan debido a su baja fricción y, por lo tanto, a su buena respuesta dinámica.

Un husillo de bolas es idéntico en principio a un husillo de avance, pero la potencia se transmite a la tuerca a través de rodamientos de bolas lineales, en la rosca de la tuerca.

Transmisión por correa

El uso de una transmisión por correa dentada o cadena es un método eficaz de transmisión de potencia entre el motor y la carga, manteniendo el sincronismo

En la aplicación de transmisión lineal, los mismos procedimientos que se aplicaron a los husillos de bolas y de plomo se pueden aplicar a una transmisión por correa.

Una muy buena referencia sobre el tamaño del motor se puede encontrar en la web en:
http://www.electricmotors.com/sizing.html