Guía de selección de motores sin escobillas: conmutación, engranaje y especificaciones clave para confirmar

Qué es un motor sin escobillas, en términos de hardware

Un motor sin escobillas es una máquina síncrona de imán permanente cuyos devanados del estator se activan mediante un accionamiento electrónico en lugar de un conmutador mecánico, por lo que las únicas partes que se tocan son los cojinetes.

El número de piezas dentro de la carcasa es menor de lo que esperan la mayoría de los compradores por primera vez. Un estator laminado lleva devanados trifásicos; el rotor lleva imanes permanentes interiores o de superficie; dos cojinetes ubican el eje; y en las versiones con sensor, tres pestillos de efecto Hall se encuentran a 120 grados eléctricos de distancia. El contacto deslizante de cobre sobre carbón que desgasta un motor con escobillas desaparece, y con él el polvo de las escobillas, la película del conmutador y el retensado que los acompaña.

El oficio es sencillo: el accionamiento pasa a formar parte de las especificaciones del motor. El tiempo de conmutación, el límite de corriente, el bucle de velocidad y, en las unidades integradas, la interfaz del bus de campo, se encuentran en la electrónica. Un devanado que es correcto en un variador de seis pasos puede ser incorrecto en uno orientado a campo, porque los dos asumen diferentes formas de contraEMF y diferentes formas de onda de corriente.

• Ángulo de conmutación, que establece el par por amperio en cada velocidad y decide si el motor se calienta o funciona en silencio.
• Límite de corriente y protección contra pérdida, que reemplazan el fusible térmico que necesitaría un diseño cepillado.
• Lazos de velocidad y posición, que determinan si la máquina necesita un gabinete de control o una única placa integrada.

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Conmutación: control de seis pasos o orientado al campo

La conmutación de seis pasos cambia dos de las tres fases a la vez y es la forma más económica de hacer girar un motor sin escobillas; El control orientado al campo resuelve la corriente del estator en componentes de par y flujo y reduce la ondulación del par de aproximadamente el 10 al 15 por ciento del par nominal al 3 al 5 por ciento.

Los diseños trapezoidales están diseñados para transmisiones de seis pasos. El back-EMF tiene una parte superior plana a más de 120 grados eléctricos, por lo que la corriente se puede bloquear en la misma ventana y el producto de los dos permanece casi constante. Los diseños sinusoidales están diseñados para FOC, que necesita una estimación de posición continua y un bucle de corriente lo suficientemente rápido para rastrearlo. De la mezcla de los dos surge la mayor parte del ruido de los prototipos.

La frecuencia eléctrica, no la velocidad mecánica, es lo que el variador debe seguir. Un motor de 4 pares de polos a 4000 rpm ve 267 Hz; un corredor de 14 pares de polos a la misma velocidad del eje ve 933 Hz. En una portadora PWM de 20 kHz, el bucle de corriente solo obtiene alrededor de 21 períodos de conmutación por ciclo eléctrico en el extremo superior, razón por la cual un alto número de polos y devanados de baja inductancia empujan a los variadores hacia procesadores más rápidos o frecuencias portadoras más bajas.

En unidades SI, la constante back-EMF y la constante de par son numéricamente idénticas. Un motor con 0,05 V por radianes por segundo de contraEMF devuelve 0,05 Nm por amperio de corriente en cuadratura. Ese número único vincula el voltaje del bus con la velocidad máxima y la corriente con el par, y es lo primero que se debe verificar cuando una muestra funciona demasiado rápido o se detiene demasiado pronto.

Con o sin escobillas: la decisión depende del ciclo de trabajo

Un motor sin escobillas gana siempre que el ciclo de trabajo es largo, la carcasa está sellada o la carga necesita torque a baja velocidad; Un motor con escobillas reemplazables sigue ganando en costes de accionamiento y en proyectos en los que no se puede adaptar la electrónica adicional a tiempo.

La vida del pincel decide la mayoría de estos argumentos. Un motor con escobillas de 40 mm a 52 mm con escobillas de carbón reemplazables generalmente tiene una vida útil nominal de las escobillas en el rango de 1000 a 3000 horas, y esa cifra supone aire limpio, ambiente moderado y sin funcionamiento sostenido a baja velocidad. Un motor sin escobillas del mismo bastidor no tiene ningún elemento de desgaste en esa interfaz, por lo que los factores limitantes se trasladan a la vida útil de la grasa de los cojinetes y a los condensadores electrolíticos dentro del variador.

Los seis números que deciden la especificación

El par continuo a la velocidad de funcionamiento determina el tamaño del bastidor; cualquier otro número en la hoja de datos es una consecuencia de ese par más el ciclo de trabajo.

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Donde los diseños sin escobillas fallan en el campo

La corriente de los cojinetes, el sobrecalentamiento a baja velocidad y la sobretensión del lado de la transmisión debido al frenado regenerativo causan más fallas sin escobillas en el campo que los defectos del imán o del devanado.

• El voltaje del eje proveniente de la conmutación PWM se descarga a través de los cojinetes. Un cojinete híbrido cerámico o un anillo de cepillo conectado a tierra lo fija antes de que la pista de rodadura muestre estrías.
• El funcionamiento a baja velocidad con un par alto deja al ventilador ineficaz y los devanados finales se calientan. Reduzca el par continuo por debajo del 20 por ciento de la velocidad nominal a menos que el variador tenga una entrada de temperatura.
• El frenado regenerativo en una batería o en un bus de CC compartido puede elevar el riel por encima de la clasificación del capacitor. Confirme el umbral del chopper de frenado, no solo la potencia del motor.
• Los cables de motor largos añaden capacitancia y tensión de onda reflejada. Por encima de 30 m de cable no blindado, verifique el límite dv/dt del variador y el grado de aislamiento del devanado.

Pieza de catálogo o bobinado personalizado

Los motores sin escobillas disponibles en el mercado cubren los puntos de trabajo comunes de 24 V y 3000 rpm; En el momento en que el requisito incluye un eje no estándar, un sello IP65 o un conector específico, el devanado y la interfaz mecánica generalmente se personalizan en lugar de rediseñar la máquina en torno a una pieza del catálogo.

Dos familias realizan la mayor parte de ese trabajo. Los diseños de bajo engranaje utilizan combinaciones de ranuras y polos que suprimen el torque de retención, lo cual es importante cuando un codificador resuelve unos pocos minutos de arco y la carga es una lente o una jeringa. Las unidades de controlador integrado mueven el inversor hacia la tapa trasera, lo que elimina un gabinete, acorta el cable del motor y elimina por completo el problema de la onda reflejada.

Ambas rutas necesitan la misma información por parte del comprador: un punto de par-velocidad, un ciclo de trabajo, un voltaje del bus, un ambiente y un plano de montaje. Los proveedores que también mecanizan carcasas y ensamblan arneses internamente pueden mantener la pila de tolerancias desde el orificio del estator hasta el chavetero del conector en un conjunto de dibujos, que es donde la mayoría de los proyectos de personalización pierden tiempo.

Para un diseño de retención baja, revise la Gama de motores CC sin escobillas de bajo engranaje ; Para un paquete sellado con la electrónica a bordo, comience con el Motores DC sin escobillas con controlador integrado. .

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Preguntas prácticas que surgen antes de una ejecución de muestra

¿Cómo dimensiono un motor sin escobillas para un autobús de 24 V?

Comience con un par continuo a la velocidad del punto de trabajo y agregue un 20 por ciento. Luego, elija una constante de contraEMF para que el motor alcance la velocidad máxima a no más del 85 por ciento del voltaje mínimo del bus, que en un riel nominal de 24 V es de aproximadamente 20,4 V. Con 0,05 V por radianes por segundo, eso limita la velocidad a cerca de 400 rad/s, o 3800 rpm.

¿Puede un motor sin escobillas sin sensores arrancar a plena carga?

No. El Back-EMF es cero cuando está parado, por lo que un variador sin sensores debe acelerar el circuito abierto del motor hasta que el observador se bloquee, generalmente por encima del 10 por ciento de la velocidad nominal. Para un par máximo a velocidad cero, especifique tres pestillos Hall o un codificador incremental.

¿Qué clasificación IP debe utilizar una máquina de lavado?

IP65 según IEC 60529 cubre gabinetes herméticos al polvo con chorros de agua a baja presión desde cualquier dirección, lo que se adapta al procesamiento de alimentos y la limpieza médica. IP67 añade inmersión corta. En ambos casos, el cierre del eje y el prensaestopas son los primeros componentes que se califican, no la carcasa.

¿Importa el par dentado en un eje de posicionamiento?

Sí, cuando el eje se mueve lentamente o el codificador resuelve por debajo de un minuto de arco. El engranaje suele ser del 1 al 5 por ciento del torque nominal en un diseño estándar de 12 ranuras y 8 polos, y una combinación de polos y ranuras de bajo engranaje lo reduce sin cambiar la transmisión o el tamaño del marco.