Domando los temblores: Guía del par de torsión y la ondulación del par

Llevo muchos años utilizando motores. En mi experiencia, he descubierto que no todo el par motor es igual. Puede que tengas un motor que parece tener suficiente potencia. Pero puede temblar, hacer ruido o no moverse con la suavidad deseada. Dos cosas suelen causar estos problemas: el par de arrastre y la ondulación del par. Quiero compartir lo que he aprendido sobre estos dos problemas. En este artículo, hablaré de lo que son. También hablaré de por qué ocurren y qué puedes hacer para solucionarlos. Este artículo es para ti si quieres que tu sistema de motor funcione sin sacudidas.

¿Cuál es la razón principal del par de arrastre en un motor?

Recuerdo la primera vez que sostuve un pequeño motor de corriente continua sin escobillas. Giré el eje con la mano. Sentí una sensación extraña, con baches. Era como si el rotor quisiera hacer clic en ciertos puntos. Esa sensación, amigos míos, es el par de engranaje. Es un chasquido que se puede sentir incluso cuando el motor no tiene potencia. Este efecto se produce debido a la forma en que los imanes permanentes del rotor y las piezas de acero del estator trabajan juntos.

Se puede pensar de esta manera. Los imanes permanentes del rotor siempre están funcionando. Tienen un potente campo magnético. El estator está hecho de un material del que tira el campo magnético. Los imanes quieren tomar el camino más fácil. Este camino conduce directamente a los dientes del estator. Esta fuerza de atracción hace que las piezas se alineen en una posición natural. Cuando se intenta hacer girar el rotor, es necesario utilizar cierta fuerza para alejar los imanes de los dientes del estator. Este es el par de arrastre. Esta sensación de baches es una parte normal del funcionamiento de muchos diseños de motores. Por eso se necesita una cierta cantidad de par sólo para conseguir que el rotor empiece a moverse desde un punto muerto.

¿Cómo funcionan conjuntamente el rotor y el estator para crear la ondulación del par?

A continuación, hablemos de la ondulación del par. Puede parecerse mucho al par de engranaje, pero es diferente. Ocurre cuando el motor está encendido y en funcionamiento. La ondulación del par es el cambio en el par que se produce cuando el eje del motor gira. El hecho de que el motor produzca un par desigual se debe a varias causas. La razón principal es la misma interacción magnética de la que hablamos con el par cogging. Los imanes del rotor siguen siendo atraídos hacia los dientes del estator. Este tirón crea un par de ondulación.

Pero hay otra razón importante por la que esto ocurre cuando encendemos el motor. La corriente eléctrica que pasa por el bobinado del estator crea su propio campo magnético. El motor genera par gracias a la interacción entre este campo y el de los imanes permanentes del rotor. Las formas de las piezas del estator y del bobinado no son perfectas. Por ello, su funcionamiento conjunto no es perfectamente uniforme. Cuando el rotor gira, la forma en que se alinean los dos campos magnéticos cambia constantemente. Esto hace que el par suba y baje. Esto es lo que crea la ondulación del par. Un buen sistema de control del motor tratará de manejar este par de ondulación.

¿Por qué se puede sentir el par de arrastre aunque el motor esté apagado?

Esta pregunta es muy buena. Ayuda a explicar qué es realmente el par de arrastre. Como he dicho antes, se puede sentir el par de arrastre sin que el motor reciba potencia. Es algo físico que ocurre debido a los imanes. Los imanes permanentes del rotor están siempre encendidos. Su campo magnético siempre está ahí. El núcleo del estator tiene partes que sobresalen, llamadas dientes. Estas partes dan al flujo magnético un camino a seguir.

El campo magnético siempre busca el camino más fácil. Esto significa alinear los imanes del rotor justo al lado de los dientes del estator. Esto crea una atracción muy fuerte. También crea una posición de reposo estable. Cuando giras el eje, estás luchando contra esta fuerza magnética. Tienes que aplicar un par para conseguir que los imanes se liberen de un diente y pasen al siguiente. Esta es la razón por la que se siente "desigual" o como si estuviera haciendo clic. Este es un comportamiento natural para cualquier motor que tenga imanes permanentes y un estator ranurado. Es un resultado directo de cómo está construido el motor. Cualquier motor de este tipo mostrará un par de arrastre.

¿Cuál es la verdadera diferencia entre el par de engranaje y la ondulación del par?

A menudo veo que la gente utiliza las palabras par de torsión y ondulación del par como si significaran lo mismo. Están relacionados, pero no son lo mismo. Creo que ponerlos en una tabla ayuda a ver las diferencias con más claridad.

Por tanto, el par de torsión es una pieza del rompecabezas. Ayuda a crear la ondulación del par. Cuando el motor está en marcha, se siente la ondulación total del par. Es una mezcla del par de arrastre y las ondulaciones de cómo aplicamos la corriente. Por lo tanto, mientras fluye la corriente, lo que se intenta controlar es la ondulación del par. El par de arrastre crea un nivel base de cambio que el control del motor debe tratar de suavizar. Es posible que un motor tenga un par de arrastre bajo. Pero aún así puede tener mucha ondulación de par si el sistema de control no está bien configurado.

¿Cómo modifica el diseño del motor estas fuerzas no deseadas?

El diseño del motor es la parte más importante a la hora de decidir cuánto par de arrastre tiene. He visto a ingenieros trabajar muchas horas en este tema. La cantidad de par de arrastre depende del número de ranuras del estator y de los polos magnéticos del rotor. Modificar estas cifras puede suponer una gran diferencia. Otro método que se utiliza a menudo es inclinar el rotor. laminaciones del estator o los imanes del rotor. En lugar de ser rectas, las ranuras del estator o los imanes se colocan en un pequeño ángulo. Esto hace que el cambio en la atracción magnética sea más gradual a medida que gira el rotor. Esto ayuda a suavizar el efecto de retención.

Para la ondulación del par, el diseño del motor también es muy importante. Se puede mejorar la forma de los imanes permanentes. La forma en que se coloca el bobinado en las ranuras del estator también marca una gran diferencia. Una buena configuración del bobinado puede ayudar a crear un campo magnético más suave cuando hay corriente. El objetivo del diseñador de motores es construir un motor que genere un par lo más constante posible. Esto simplifica mucho el trabajo del sistema de control del motor. Incluso el material de laminación del estator puede afectar al campo magnético y al par de ondulación que se produce.

¿Se puede controlar la ondulación del par mediante el accionamiento del motor?

Sí que se puede. Aquí es donde los nuevos métodos de control de motores son muy útiles. Una vez que se tiene un motor físico, no se puede cambiar su par de torsión incorporado. Pero se pueden hacer muchas cosas para reducir la ondulación total del par. El accionamiento del motor es como el cerebro electrónico. Le dice al motor lo que debe hacer. Controla la corriente que entra en los bobinados del estator. Modificando cuidadosamente esta corriente, el variador puede anular las variaciones de par.

Los métodos de control inteligente pueden aprender el patrón de ondulación del par de un motor. El sistema de control sabe que en una determinada posición del rotor, el motor tendrá una caída de par. Así que envía un poco más de corriente en ese preciso momento para compensarlo. Luego, cuando el motor alcanza un pico de par, el sistema de control reduce un poco la corriente. Para ello se necesita información muy exacta sobre la posición del rotor y un bucle de procesamiento rápido. Un accionamiento de alta tecnología puede reducir mucho la ondulación del par, a veces más del 90%. Es el objetivo de muchos sistemas que deben ser muy exactos.

¿A qué velocidad se convierte el par en un problema mayor?

Es una pregunta muy interesante. Se podría pensar que la ondulación del par siempre es mala. Pero su efecto depende realmente de la velocidad del motor. A velocidades muy bajas, la ondulación del par es fácil de notar. Piensa en un brazo robótico que intenta hacer un movimiento muy lento y suave. Cualquier fluctuación en el par hará que se mueva de forma brusca. En esta situación, tanto el par de arrastre como el par de ondulación son un gran problema. Necesitas un motor y un sistema de control diseñados para un funcionamiento suave a bajas velocidades.

Pero a altas velocidades, el efecto de la ondulación del par puede ser menos preocupante. La tendencia del rotor y su carga a mantenerse en movimiento ayuda a suavizar las cosas. El motor gira tan rápido que los pequeños y rápidos cambios en el par no tienen tiempo suficiente para provocar un gran cambio en la velocidad. El propio movimiento de avance del sistema actúa como un filtro. Aún así, incluso a altas velocidades, la ondulación del par puede causar problemas no deseados como sacudidas y ruido. Así, el movimiento puede parecer suave. Pero la ondulación del par que se produce por debajo puede estar causando tensiones en el motor y en todo el sistema. Las velocidades del motor a las que el par de ondulación es un problema dependen del uso específico.

¿Qué tipo de problemas causa un par desigual?

Cuando creo un nuevo sistema, siempre tengo que pensar en los resultados de la ondulación del par. Los problemas pueden ser pequeñas cosas molestas. O pueden ser cosas grandes que provoquen el fallo de todo el sistema. Los problemas más comunes son las sacudidas y el ruido. El cambio constante en el par puede hacer que todo el motor y las piezas a las que está conectado tiemblen. A menudo se oye como un zumbido. Empeora a medida que aumenta o disminuye la velocidad del motor.

En los sistemas que deben ser más exactos, los resultados son peores.

• No se detiene en el lugar correcto: En robots o máquinas de corte, la ondulación del par puede hacer que el motor no se detenga en la posición objetivo exacta. Esto hace que sea menos preciso.
• Mal control de la velocidad: Para un sistema que necesita una velocidad muy constante, la ondulación del par es un problema muy grave. Crea pequeños cambios en la velocidad, a veces llamados "rizado de velocidad". Esto no es bueno para cosas como escáneres, impresoras o tocadiscos.
• Desgaste de piezas: Las constantes sacudidas del par de ondulación pueden hacer que los rodamientos y otras piezas de la máquina del sistema se desgasten más rápidamente. Puede provocar tensiones y daños durante mucho tiempo. Un motor con una elevada ondulación del par requerirá un sistema de control más difícil y costoso para obtener una respuesta suave.

¿Cómo afectan los imanes permanentes a este comportamiento?

Los imanes permanentes son una parte muy importante de este tema, especialmente para los motores de corriente continua sin escobillas. Estos motores son potentes y consumen menos energía gracias al fuerte campo magnético de los nuevos tipos de imanes. Pero ese mismo campo es el que genera el par de arrastre. La fuerza, o densidad de flujo, de los imanes afecta directamente a la intensidad del par de arrastre. Un motor con imanes más potentes suele tener un par de arrastre mayor.

La forma de los imanes permanentes y su ubicación en el rotor también son partes muy importantes del diseño del motor. Los diseñadores pueden dar forma a los imanes para que el campo magnético sea más suave. Esto ayuda a reducir tanto el par de arrastre como la ondulación del par. Por ejemplo, en lugar de un simple imán cuadrado, pueden utilizar una forma más redondeada. También se puede utilizar la disposición de los imanes alrededor del rotor. Por ejemplo, una configuración especial puede concentrar el campo magnético en un lado y hacerlo más débil en el otro. Esta es otra herramienta para hacer que el motor funcione mejor y reducir las variaciones de par no deseadas. El tipo de motor es importante, porque no todos los motores utilizan imanes permanentes de la misma manera.

¿Cuáles son las mejores formas de reducir el par de engranaje y el par de ondulación?

He descubierto que para solucionar estos problemas hay que hacerlo en dos pasos. Hay que mejorar el motor y utilizar un método de control más inteligente. No se puede arreglar simplemente con programas informáticos si el motor tiene un par de arrastre muy alto desde el principio. Se trata de un buen diseño del sistema.

En primer lugar, debe elegir el motor adecuado. Si su trabajo requiere un movimiento muy suave a bajas velocidades, debe encontrar un motor que tenga un par de arrastre bajo. Esto podría significar un motor "sin núcleo" o "sin ranuras". En estos motores, los imanes no tienen dientes en el estator. También puede tratarse de un motor con láminas inclinadas en el estator, más polos o imanes con formas especiales. Estas características ayudan a superar la causa física del problema. Un motor estándar puede costar menos, pero podría no ser el adecuado para el trabajo.

En segundo lugar, hay que aplicar un control inteligente. Un nuevo accionamiento con un procesador rápido puede utilizar instrucciones especiales para eliminar activamente la ondulación del par. Para ello suele ser necesario un dispositivo de realimentación, como un codificador. Esta pieza informa al bucle de control de la posición exacta del rotor. Con este conocimiento, el variador puede cambiar la corriente cientos o miles de veces por segundo. Esto se hace para suavizar el par. Utilizar conjuntamente un buen motor y un accionamiento inteligente es la mejor manera de conseguir un movimiento suave, continuo y exacto.

Principales conclusiones

Después de muchos años trabajando con todos los tipos de motor que te puedas imaginar, aquí tienes las cosas más importantes que creo que debes recordar sobre el par de arrastre y la ondulación del par:

• El par cogging es un par de chasquido magnético. Se puede sentir cuando un motor no tiene potencia. Está causado por la atracción entre los imanes permanentes del rotor y los dientes del estator.
• La ondulación del par es el cambio ascendente y descendente del par cuando el motor está encendido. Es una mezcla de par de arrastre y ondulaciones que provienen de cómo se envía la corriente al bobinado del motor.
• No se puede eliminar el par de arrastre con un programa de control. Pero puede elegir un motor diseñado para reducirlo. Las laminaciones inclinadas y los diseños sin ranuras son dos formas de hacerlo.
• Puede combatir la ondulación del par con un accionamiento inteligente del motor. Los métodos de control de alta tecnología pueden moldear la corriente para anular los cambios de par. Pero para ello se necesita información exacta sobre la posición.
• Los problemas derivados de la ondulación del par se notan sobre todo a bajas velocidades. A un régimen más alto, el propio movimiento del motor ayuda a suavizar las cosas. Pero las sacudidas y el ruido pueden seguir siendo un problema.