Conceptos de dimensionado y eficiencia en servomotores

La eficiencia energética y el funcionamiento correcto de los servomotores son factores asociados en el diseño. Muchas veces no se tienen en cuenta y ello origina funcionamientos inapropiados o aplicaciones con consumos que pueden moderarse. En este artículo abordamos la descripción de las ideas esenciales que deben tenerse en cuenta para un correcto dimensionado de servomotores.

El dimensionado de un servomotor es el proceso de seleccionar el mejor motor para una aplicación servo. Los ingenieros suelen fallar en algunos conceptos de selección de motores como los siguientes: Dimensionado basándose en el rating de potencia del motor actualmente instalado o dimensionado basándose exclusivamente en requerimientos del par de la aplicación.

Otro error común es pensar que el ratio de inercia debe ser 1:1. Sin embargo, el propósito de dimensionar un motor no es alcanzar un ratio de inercia específico, sino más bien seleccionar el mejor motor para la aplicación. Lo importante no es utilizar como única norma la inercia, sino también considerar cada aplicación separadamente.

Factores secundarios en el dimensionado de motores:

Muchos factores secundarios son importantes para dimensionar servomotores, incluyendo: coste, resolución del codificador, rating ambiental, requerimientos de potencia o limitaciones de espacio. Pero los factores más críticos son que el dimensionado del servo motor puede estrecharse por cuatro motivos: ratio de inercia, velocidad, par @ velocidad máximos y par RMS @ velocidad. La comprensión de estos cuatro factores críticos es un paso vital para seleccionar el servomotor más apropiado para la aplicación que estamos estudiando.

Ratio de inercia

El primer factor clave para dimensionar un servomotor es el ratio del momento de inercia. Cualquier objeto rotando tiene un momento de inercia. El momento de inercia es una medida de lo difícil que es cambiar la velocidad de rotación de un objeto. El momento de inercia de un servosistema puede dividirse en dos partes: inercia del motor e inercia de la carga. Los catálogos de los fabricantes típicamente incluyen la inercia del motor. Sin embargo, la inercia de la carga, a menudo consiste en muchos componentes. Cada uno de los componentes que mueve el motor contribuye a la inercia de carga total que se determina usando las ecuaciones apropiadas para cada componente. Estos cálculos pueden manejarse bien usando el software de dimensionado del fabricante. Ratios de inercia de aproximadamente 5:1 son típicos en muchas aplicaciones. El rendimiento tiende a subir cuando el ratio de inercia baja, a menudo 2:1, 1:1 o menos. Pero cuando el alto rendimiento no es un factor crítico, ratios de 10:1, 100:1 o incluso más altos no son extraños. Si los demás factores no influyen, es mejor un ratio de inercia más bajo. Un ratio de inercia excesivamente bajo puede indicar que el motor es excesivamente grande y caro con poco incremento en el rendimiento. Si el ratio de inercia es el factor de dimensionado limitante, es importante comprender completamente los requerimientos de rendimiento del ratio de inercia antes de excluir un ratio de inercia más elevado.

Curva de par – velocidad

Están disponibles varios motores que proporcionan un conveniente ratio de inercia. Consecuentemente el objetivo es encontrar el motor más efectivo en costes que tenga capacidad para producir la velocidad y el par requerido por la aplicación. La capacidad de par y velocidad del motor se describe en el catálogo de la compañía usando una curva de par-velocidad individual para cada motor.

La curva del par-velocidad muestra varios puntos de interés. El par nominal es el máximo par del motor que puede producirse de forma continua a velocidad nominal y más baja, y está limitada por el calentamiento del motor. A este par nominal se le da el valor de par 100 %. Por otra parte, la velocidad nominal es la velocidad más alta a la que el par está disponible. El motor puede correr más rápido de forma continuada que a la velocidad nominal, pero el par disponible cae significativamente más rápidamente cuando el motor funciona. La velocidad máxima alcanzable del motor se lista en la parte superior de la curva del par de velocidad, y el par motor a la derecha.

La cuerva de par-velocidad tiene dos regiones, continua e intermitente. Si la combinación del par y velocidad requerida por el motor se encuentra en la región continua, el motor puede producir ese par y velocidad siempre sin ningún tipo de calentamiento del motor. Si la combinación del par y la velocidad producida caen en la región intermitente, el motor sólo puede producir esa velocidad y para en una cantidad de tiempo determinada. Si ese tiempo se excede, el motor empieza a recalentarse.

Para impedir el daño por calentamiento, los amplificadores modernos automáticamente incapacitan al motor y entra un estado de alarma si el límite de tiempo se excede. Pero un golpe corto de alto par se requiere tanto durante la aceleración como en la aceleración, y el motor puede funcionar intermitentemente en la región con seguridad. La cantidad de par que el motor puede producir por encima del par nominal, y la duración por la que puede producirse este para, varía entre fabricantes.

Bibliografía: Servo Motor Sizing Concepts. Design News June 2009