MÀQUINAS ELÈCTRICAS

CARRERA: INGENIERIA MECATRÒNICANIVEL: QUINTO PARALELO: “B” NOMBRE: PINTO KATHERINE FECHA: 29 / 06 / 2013

TEMA:

MOTOR LINEAL, BRUSHLESS, PASO A PASO Y SERVO MOTOR

OBJETIVOS: Indagar acerca de las características constitutivas de los motores. Identificar las diferentes aplicaciones de los motores.

RESUMEN TEORICO:

MOTOR LINEAL

Son máquinas impulsoras cuya fuerza de accionamiento es lineal y no circular como en los demás motores eléctricos. Lo que se quiere conseguir con el motor lineal es que dos placas magnéticas resbalen a gran velocidad por un carril. En el motor lineal, el campo magnético se mueve en línea recta.

CONSTITUCION:

La parte correspondiente al estator de los motores trifásicos se llama inductor y consta de un paquete de chapas en forma de peine, en cuyas ranuras va colocado un devanado trifásico. Se pueden emplear dos inductores situados uno encima de otro o solo uno.

Ilustración 1. Motor Lineal con 2 Inductores

La parte que corresponde al rotor en cortocircuito se llama inducido, está situado entre los dos inductores y formado por un material conductor macizo (Aluminio). Empleando un inducido de material magnético (Acero), se puede eliminar uno de los dos inductores, pues las líneas de campo vuelven, a través del acero, al próximo polo inductor. El inducido de acero puede recubrirse también con un material conductor.

FUNICONAMIENTO:

La corriente trifásica que circula por el devanado trifásico del inductor origina un campo magnético que se mueve en línea recta, el cual origina a su vez fuertes corrientes parasitas en el inducido. Según la regla de Lenz, el sentido de estas es tal, que frenan el movimiento del campo magnético.

En el motor lineal, el campo móvil del inductor y las corrientes parasitas en el inducido dan lugar a una fuerza en la dirección de dicho campo móvil. Si el inductor es fijo y el inducido es móvil, como por ejemplo en el transporte de chapas, el inducido se mueve arrastrado por el campo móvil. Si, por el contrario, el inductor es móvil y el inducido fijo, como en el caso del accionamiento de un carro de grúa, el inductor se mueve en sentido contrario a su propio campo móvil. Cualquiera de los dos elementos de un motor lineal, según sea fijo o móvil, el inductor puede actuar como estator o como rotor. 1

COMPORTAMIENTO EN SERVICIO

En el motor lineal, el entrehierro es mayor que un motor en corto circuito; además, la resistencia del inducido del motor lineal es mayor que las resistencias rotoricas. En consecuencia, su característica fuerza – velocidad es más plana, que la curva para motor – velocidad de giro del motor asíncrono correspondiente a la siguiente figura.

Ilustración 2. Características de un Motor Lineal

1 Adolf Senner. Principios de Electrotecnia. Pág. 218.

Por lo tanto, en carga, la velocidad del motor lineal disminuye rápidamente. Su arranque es suave, siendo la fuerza desarrollada, por el mismo máxima en dicho arranque, es decir, a la velocidad cero. El motor lineal desarrolla la máxima fuerza al arrancar y se comporta elásticamente al ser cargado. En servicio, la velocidad se mantiene bastante inferior a la del campo móvil; el desplazamiento vale generalmente más del 50%.

VENTAJAS: Su principal ventaja radica en que este motor puede conducir el movimiento sin necesidad de engranajes intermedios, tornillos, ejes inestables, etc, por ende se obtiene las siguientes ventajas:

Mayores valores de aceleración. Construcción simple y robusta. Reducción de los costes de mantenimiento y mayor disponibilidad de

componentes. Reducción de los niveles de ruido y vibración.

DESVENTAJAS: Necesidad de disipación del calor que se genera, por lo que es necesario

disponer de sistemas de refrigeración. La ausencia de elementos de transmisión mecánica que amortiguan los cambios

de carga repentinos, debido a las inercias mecánicas, representan un filtro de paso bajo para cualquier tipo de perturbación mecánica, hace que esta tarea tenga que realizarla un controlador electrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido para mantener la estabilidad.

APLICACIONES:

El motor lineal se utiliza para el movimiento de rodillos telares en fábricas, cintas, accionamiento para el transporte de materiales, cintas de transporte y de clasificación, accionamiento de puertas, actualmente se emplea en trenes rápidos.2

MOTOR BRUSHLESS

Brushless quiere decir "sin escobillas". Se trata de un motor sincrónico cuyo rotor es un imán permanente, y que es operado de modo auto controlado mediante un lazo de realimentación y una lógica de control. El estator consiste generalmente en 3 bobinados conectados en estrellas y dispuestos a 120º entre sí. El torque de rotación se produce por la interacción entre el campo magnético producido por las bobinas del estator, y el del rotor.

2 http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6280/04ML_1.pdf?sequence=4

Ilustración 3. Esquema Sencillo del Motor sin Escobillas

CONSTITUCION:

El rotor de imán permanente puede tener desde 2 hasta 8 polos de pares con polos alternos N y S.

Comúnmente se utilizan 4 tipos de configuraciones del rotor de imán permanente:

IMANES MONTADAS EN LA SUPERFICE. Los imanes permanentes radialmente magnetizados se montan en una estructura con el alma de acero. Como la permeabilidad relativa del material magnético es cercana a la unidad, este actúa como un gap de aire.

IMANES INSERTOS. En este arreglo, los imanes se encuentran insertos en la estructura. Con esta configuración el torque máximo desarrollado es mayor que en el caso anterior.

IMANES PERMANENTE INTERNO CON MAGNETIZACION RADIA. Los imanes se hallan insertos en el material del rotor con magnetización radial. La inductancia en el eje q es mayor que la inductancia en el eje d, y ambas son mayores que los casos anteriores.

IMANES PERMANENTE INTERNO CON MAGNETIZACION CIRCUNFERENCIAL3

FUNCIONAMIENTO:

3http://www.ib.cnea.gov.ar/nmayer/monografias/2008/Marcos%20Perez%20%20M%C3%A1quinas%20El%C3%A9ctricas%20Modernas.pdf

En este tipo de motor la corriente eléctrica pasa directamente por los bobinados del estator o carcasa, por lo tanto aquí no son necesarios ni las escobillas ni el colector que se utilizan en los brushed. Esta corriente eléctrica genera un campo electromagnético que interacciona con el campo magnético creado por los imanes permanentes del rotor, haciendo que aparezca una fuerza que hace girar al rotor y por lo tanto al eje del motor.

No hay ni escobillas, ni colector y tampoco delgas; pero ahora el elemento que controlará que el rotor gire sea cual sea su posición, será el variador electrónico; que lo que hace básicamente es ver en qué posición se encuentra el rotor en cada momento, para hacer que la corriente que le llegue sea la adecuada para provocar el movimiento de rotación que le corresponde. El variador es capaz de hacer esto, gracias a unos sensores en el motor, o también mediante la respuesta obtenida o mejor dicho, observación de cómo se comporta la corriente del motor. 4

VENTAJAS: Mayor eficiencia. Mayor rendimiento. Menor peso para la misma potencia. Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas. Relación velocidad/par motor es casi una constante. Mayor potencia para el mismo tamaño. Mejor disipación de calor. Rango de velocidad elevado al no tener limitación mecánica. Menor ruido electrónico.

DESVENTAJAS: Mayor costo de construcción. El control es mediante un circuito caro y complejo. Siempre hace falta un control electrónico para que funcione (ESC's), que a veces

duplica el costo.

APLICACIONES:

Actualmente, los motores BLDC se emplean en sectores industriales tales como: automóvil, aeroespacial, consumo, médico, equipos de automatización, ventilación e instrumentación.

SERVOMOTOR

4 http://www.tronic-controls.com/imag/MOTOR%20BRUSHLESS.pdf

Comúnmente denominados motores de control, son motores eléctricos especialmente diseñado y construidos para su utilización en sistemas realimentación, como actuadores. Su potencia de trabajo varía entre una fracción de watt y algunos cientos de watts. Se caracterizan por una alta respuesta dinámica, lo cual requiere baja inercia. Estos motores son, por lo tanto, más pequeños en diámetro y más largos en longitud.

CONSTITUCION Y FUNCIONAMIENTO:

Ilustración 4. Partes del Servomotor

Está conformado por un motor, una caja reductora, un circuito de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.

La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cuál es la corriente que consume. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado, pero no es muy alta si el servo está libre.5

COMPORTAMIENTO:

5 http://www.info-ab.uclm.es/labelec/solar/electronica/elementos/servomotor.html

La modulación por anchura de pulso PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto manteniendo el mismo periodo (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo según se desee.

Ilustración 5. Pulso en Alto

El sistema de control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mino que el servo entiende.

Ilustración 6. Pulso en ms

VENTAJAS: Es sumamente poderoso para su tamaño (mucho torque). Potencia proporcional para cargas mecánicas. No consume mucha energía. Mayor precisión.

DESVENTAJAS:

No es posible cambiar las características eléctricas del motor por tanto no se puede cambiar la velocidad del mismo.

Esta limitado por el circuito de control a únicamente variar de 0° a 180°. Su construcción puede ser costosa. Poder controlar varias secuencias de posiciones, es difícil sin utilizar sistemas

basados con micros.6

APLICACIONES

En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, computadoras, dispositivos de máquinas, sistemas guias y por supuesto, en robots.

MOTOR PASO A PASO

El motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.

CONSTITUCION:

Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Ilustración 7. Rotor

6 http://es.slideshare.net/themigue10/servo

Ilustración 8. Estator de 4 Bobinas

TIPOS DE MOTORES PASO A PASO:

Los motores paso a paso se dividen en dos categorías principales: de imán permanente y de reluctancia variable. También existe combinación de ambos, a los que se les llama híbridos.

MOTOR PASO A PASO DE IMÁN PERMANENTE

Ilustración 9. Motor Paso a Paso de Imán Permanente

Funciona con el principio básico del magnetismo: polos del mismo signo se repelen y de diferente signo se atraen. El estator tiene una solo fase constituida por uno o dos bobinados. Si se invierte la corriente se invierte la polaridad efectuando u rotor de giro de 180°

Se suelen mecanizar un número de dientes limitados por si estructura física. El hecho de ser dentado hace que su posicionamiento no varié aun desaparecían la excitación. Esto permite mayor precisión.

MOTOR DE RELUCTANCIA VARIABLE

Ilustración 10. Motor de Reluctancia Variable que pueden ser de dos tipos:

Saliente Simple y de Saliente Doble.

CARACTERÍSTICAS:

Son los más sencillos entre las maquinas eléctricas Tiene un estator con devanados de excitación y un rotor magnético con salientes. No se necesitan conductores en el rotor porque el par se produce por la tendencia

del rotor a alienarse con la onda de flujo producido por el estator de acuerdo con la posición de menos reluctancia.

MOTORES PASO A PASO HÍBRIDOS

Ilustración 11. Motores Paso a Paso Híbridos

La combinación de los dos anteriores. El rotor suele ser constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estado y dichos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente.

En este caso las bobinas del estator de los opuestos se excitan simultáneamente de forma tal que cuando a un diente le corresponde el polo norte al diente opuesto le corresponde el polo sur. Gira en sentido horario.7

RECOMENDACIONES PARA SUS APLICACIONES:

Cada aplicación de un motor paso a paso requiere un cuidadoso estudio. Deben tenerse en cuenta las indicaciones siguientes:

No se puede lograr una precisión de posicionado mayor que la declarada para el motor funcionando en vacío.

Al seleccionar la cupla de retención hay que tener en cuenta que cuando el sistema accionado presenta una fricción importante el rotor no alcanza la posición teórica de reposo.

La carga debe estar perfectamente definida, y su inercia debe conocerse al menos en forma aproximada.

Hay que tener en cuenta el comportamiento dinámico del conjunto (velocidades de trabajo, aceleración y desaceleración)

Elegir una fuente de alimentación que pueda suministrar la máxima corriente requerida por el motor con la máxima tensión; ello permite utilizar resistencias externas de alto valor, que mejoren la constante de tiempo del sistema.

Elegir incrementos de movimiento del sistema que sean múltiplos exactos del paso de1 motor. Ello permite obtener la máxima precisión de posicionado y simplifica e1 problema de control.

Lograr una adecuada relación entre la inercia del sistema y la propia del rotor.

CONCLUSIONES:

Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las transmisiones utilizadas en los accionamientos tradicionales, proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad, aceleración y precisión a alta velocidad, lo cual presenta evidentes ventajas, abriéndoles un amplio campo de aplicación y de futuro. 

El servo motor es un actuador mecánico en cualquier sistema de servo mecánico que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero reduciendo a cero la señal de error.

7 http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/maqeinstelectricas/MOTOR%20PASO%20A%20PASO.pdf

Los motores paso a paso presenta las ventajas de tener alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento.

BIBLIOGRAFIA:[1] Adolf Senner. Principios de Electrotecnia. Pág. 218.[2] http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6280/04ML_1.pdf?sequence=4[3]http://www.ib.cnea.gov.ar/nmayer/monografias/2008/Marcos%20Perez%20%20M%C3%A1quinas%20El%C3%A9ctricas%20Modernas.pdf[4] http://www.tronic-controls.com/imag/MOTOR%20BRUSHLESS.pdf[5] http://www.info-ab.uclm.es/labelec/solar/electronica/elementos/servomotor.htm[6] http://es.slideshare.net/themigue10/servo[7]http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/maqeinstelectricas/MOTOR%20PASO%20A%20PASO.pdf