rodamiento a bolas
Buena disipación de calor, alta capacidad de sobrecarga.
Línea velocidad-par larga- mente lineal, permitiendo una excelente regulación. brida frontal sensores Hall estator: bobinado carcasa Motor brushless miniatura. Se uti- liza en bombas portátiles de insu- lina para enfermos de diabetes. Estas bombas están alimentadas por baterías. El motor brushless es controlado para aplicar la dosis correcta.
www.BRUSHLESSMOTOR.ES Elevada eficiencia alcanzan- do el 90%: Aprovechan la energía eléctrica, convirtién- dola en potencia mecánica y generando menos calor. Idóneo para aplicaciones ali- mentadas por baterías, o donde el consumo sea impor- tante.
Muy baja constante eléctrica de tiempo y reducida induc- tancia, por lo tanto, mínimo ruido eléctrico, o interferen- cias eléctricas prácticamente inexistentes.
Campos de aplicación: entor- nos explosivos (sin chispas), salas limpias (sin desgaste) y cualquier otra aplicación que requiera velocidades de giro elevadas y larga vida en ser vicio.
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tación debido a altas velocidades (motores de escobillas) ni sobrecalentamiento del motor, por elevadas corrientes. No obstante, si la tem- peratura ambiente está por encima de los 25°C, debe calcularse un nuevo máximo par en continuo (corriente).
Dentro de este funcionamiento, existe la posi- bilidad de encontrar movimientos cíclicos ON – OFF que llevan al accionamiento a este equi- librio térmico después de realizar muchos mini ciclos seguidos. Entendemos que la carga efectiva final alcanza valores de estabilización, como si se tratara de un funcionamiento en continuo. El tiempo ON está por debajo de la constante de tiempo térmica del bobinado.
Rango de funcionamiento intermitente Un funcionamiento generalmente compuesto de una sucesión de ciclos iguales, cada uno de los cuales comprende un tiempo con carga constante y una pausa. El accionamiento puede entregar más potencia durante un tiem- po determinado.
El motor se puede sobrecargar con más corriente. En este caso, conviene calcular exactamente la nueva máxima temperatura del bobinado, para comprobar que la tempera- tura permanece por debajo de sus límites tér- micos. El tiempo ON está por encima de la constante de tiempo térmica del bobinado www.BRUSHLESSMOTOR.ES 5 Tutorial motor DC Rangos de funcionamiento del motor DC.
La parte izquerda del diagrama repre- senta el rango de funcionamiento en continuo, 24 h. La parte coloreada de la derecha es la zona de funciona- miento intermitente. En azul, la línea velocidad-par. En rojo, la línea de corriente. A medida que crece el par, las revoluciones disminuyen y la corriente aumenta, generando a su vez más calor.
RANGOS DE FUNCIONAMIENTO
Rango de funcionamiento recomendado Recomendamos trabajar aplicando la tensión nominal del bobinado del motor, asegurando de esta forma no sobrepasar la máxima velocidad permisible. Respecto a la corriente que debe de pasar por el bobinado, ésta nunca debe sobre- pasar el valor nominal (máx. corriente en conti- nuo), a excepción de funcionamientos cíclicos ON-OFF, o sobrecargas cortas. En este caso, deben analizarse cuidadosamente las cargas en función del tiempo. En casos complejos, consul- te con un técnico cualificado. La temperatura ambiente de funcionamiento se establece normalmente en 25° C. Recordemos que podemos aplicar otras ten- siones o temperaturas de trabajo distintas, ajustando los valores nominales del motor.
Rango de funcionamiento en continuo Se caracteriza por una carga constante duran- te un cierto tiempo (superior a la constante térmica del bobinado) donde se alcanza un equilibrio térmico. La temperatura permanece constante, igual o por debajo de la máxima temperatura de funcionamiento permitida.
Este rango está limitado por la máx. veloci- dad permitida y el máx. par en continuo, o por la máx. corriente en continuo. Cuando el motor funciona dentro del rango de funcionamiento en continuo, no ocurren problemas de conmu-
Tutorial motor DC www.brushlessmotor.es 6 Engranajes Grúa Cremallera Cinta tansportadora
Seleccione el tipo de trasmisión Otros accionamientos
Husillo
Parámetros del accionamiento
Diámetro de las poleas
Eficiencia
Fuerza de transporte
Inercia de la carga
Inercia del husillo de bolas
Inercia de las poleas
Relación de reducción
Par de la carga
Paso del husillo
Velocidad de la carga
Velocidad de transporte
Engranajes
El eje de salida del accionamiento mueve el eje de la carga por medio de ruedas dentadas.
El par de salida (MB) y la velocidad de sali- da (nB) del elemento motriz se calculan de acuerdo con la velocidad de funcionamiento deseada (nL), par de funcionamiento (ML) y reducción (i) de la combinación de ruedas.
Si existen pérdidas de potencia en los engra- najes (fricción,…), se debe introducir una efi- ciencia ( h ) menor del 100% para seleccio- nar un accionamiento más potente.
En funcionamiento intermitente (aceleraciones, cambios en la carga), la inercia de la carga (JL) entra en los cálculos. Se debe introducir la máxima inercia de la carga con los cambios en la carga.
Si los engranajes tienen una inercia (J1, J2) considerable, también debería ser incluida en los cálculos dinámicos.
Atención en aplicaciones de posicionamiento, donde el ajuste de los engranajes nos creará un juego u holgura en los cambios de senti- do de giro. En estos casos, el uso de pole- as con correas puede minimizar este juego, con su correspondiente pretensado, siempre por debajo de las máximas fuerzas radiales que puedan soportar los cojinetes. Velocidad del motor Nb = NL x i Nb = 1000 rpm x 4 = 4000 rpm
Potencia mecánica útil P = ( p / 30000 ) x M x n
P = 0,000105 x 416 mNm x 4000 rpm = 174 W 7 www.BRUSHLESSMOTOR.ES Tutorial motor DC
Cálculos básicos:
Ejemplo: Se necesita mover una carga de un par resistente de 1,5 Nm a una velocidad de 1.000 rpm, utilizando unos engranajes de rela- ción de reducción 4 a 1 debido al diseño constructivo compacto de la máquina. El fabri- cante de los engranajes nos indica que el talla- do de los flancos de los dientes es de alta calidad y tienen un rendimiento del 90 %.
Ejemplo: Calcular las prestaciones mecánicas útiles del motor (par en el motor, potencia) necesarias para girar esta carga.
Par del motor Mb = ML / ( i x h )
Mb = 1,5 Nm / ( 4 x 0,9 ) = 0,416 Nm = 416 mNm.
Cinta transportadora
La carga constante o variable se traslada en una cinta transportadora.
La fuerza de transporte (FL) y la velocidad de transporte (vL) se usan junto con el diámetro (d1) del rodillo tractor para calcular el par de sali- da (MB) y la velocidad de salida (nB) del ele- mento motriz.
Si hay pérdidas importantes en la transmisión (fricción,…), una eficiencia ( µ ) menor del 100%, este valor se tiene que considerar para seleccio- nar un accionamiento más potente.
En funcionamiento intermitente (cambios de ace- leración-deceleración y cambios de carga), la masa transportada (ML) debe considerarse en los cálculos. La máxima masa se debe de intro- ducir con los cambios en la carga.
Si el rodillo tractor y las poleas guía tienen una inercia considerable (J1, J2), también deberían incluirse en los cálculos dinámicos. 8 www.BRUSHLESSMOTOR.ES Tutorial motor DC
Cálculos básicos
Ejemplo: Hemos de desplazar una masa de 1 kg en una cinta transportadora, a una velocidad de 15 m/s. Los rodillos utilizados tienen un diámetro de 5 cm y nos indica el fabricante que despúes del pretensado de la cinta , el rendimiento del sistema es del 95 %. Calcular las prestaciones mecánicas útiles (par, velocidad, potencia) del motor necesa- rias para desplazar esta carga.
Par del motor Mb = ( d1 / 2 ) x ( FL / ? )
Mb = ( 0,05 m / 2) x ( 10 N / 0,95 ) = 0,26 Nm = 260 mNm
* 1 kg ~ 10 Newtons
Velocidad del motor Nb =( 60 / p ) x ( VL /d1 )
Nb=(60/3,1416)x(15m/s/0,05m)=5.730rpm.
Potencia mecánica útil P = ( p / 30000 ) x M x n
P = 0,000105 x 260 mNm x 5730 rpm = 156,42 W
Grúa elevadora
La carga está colgada de un cable (grúa).
La masa elevada (ML) y la velocidad de trans- porte (vL) se usan junto con el diámetro (d1) de la polea para calcular el par de salida (MB) y la velocidad de salida (nB) del accionamiento.
Si hay pérdidas importantes en la transmisión (fricción,…), se debería introducir una eficiencia ( ? ) menor del 100% para seleccionar un motor más potente.
En funcionamiento intermitente (aceleraciones, cambios en la carga), si la polea tiene una iner- cia (J1) considerable, se debería incluir en los cálculos dinámicos.
Básicamente las ecuaciones que aplican se basan en la fórmula de la cinta transportadora. Par del motor Mb = r medio x FL Mb = 0,025 x 10 N = 0,25 Nm = 250 mNm
* 1 kg ~ 10 Newtons Velocidad del motor Nb = ( 60 / p ) x ( VL / d1 ) Nb = ( 60 / p ) x (0,2 m/s / 0,05 m )= 76 rpm. Potencia mecánica útil P = ( p / 30000 ) x M x n P = 0,000105 x 250 mNm x 76 rpm = 2 W 9 www.BRUSHLESSMOTOR.ES Tutorial motor DC
Cálculos básicos
Ejemplo: Se han de realizar unas pruebas repeti- tivas en un laboratorio elevando una carga de 1kg a una velocidad de 0,2 m/s. El diámetro medio entre el cable completamente enrollado y desenrollado es de 5 cm.
Calcular las prestaciones mecánicas útiles del motor necesarias para elevar esta carga.
Transmisión por cremallera
El eje de salida del accionamiento mueve la carga por medio de una cremallera.
El par de salida (MB) y la velocidad de sali- da (nB) del elemento motriz se calculan de acuerdo con la velocidad de funcionamiento (nL) deseada, par de funcionamiento (ML), paso entre dientes de la cremallera (p) y núme- ro de dientes del piñón (z).
Si hay pérdidas importantes de potencia en la correa (fricción,…), se debería usar una efi- ciencia ( ? ) de menos del 100% para selec- cionar un motor más potente.
En funcionamiento intermitente (aceleracio- nes, cambios en la carga), la inercia de la carga (JL) entra en los cálculos. Se debe intro- ducir la máxima inercia de la carga con los cambios de la misma. Si el piñón – cremalle- ra, tienen una inercia (J1, J2) considerable, también se debería incluir en los cálculos diná- micos.
Es importante considerar las fuerzas radiales que tendrá que soportar el cojinete del accio- namiento como reacción a las masas ( fuer- zas ) que deberá desplazar.
Atención en aplicaciones de posicionamiento, donde el ajuste de los engranajes nos creará un juego en los cambios de sentido de giro. Velocidad del motor Nb = ( 60 / p x z ) x VL Nb = ( 60 / 0,002 m x 14 ) x 0,14 m/s = 300 rpm.
Potencia mecánica útil P = ( p / 30000 ) x M x n
P = 0,000105 x 49 mNm x 300 rpm = 1,54 W
10 Cálculos básicos
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Ejemplo: Se pretende mover una mesa de posicionamiento en su eje X, que pesa 1 kg, a una velocidad de 0,14 m/s, con un sistema de piñón – cremallera. El fabricante de la cremallera nos ofrece una combina- ción de paso entre dientes de la cremallera de 2 mm y un piñon asociado de 14 dien- tes. El rendimiento del sistema es del 90 %.
Calcular las prestaciones mecánicas útiles del motor necesarias para girar esta carga.
PardelmotorMb=((pxz)/(2 xp )) x (FL/ ? )
Mb = (0,002 x 14) / 6,2831 x ( 10 N / 0,90 ) = 0,049 Nm = 49 mNm.
* 1 kg ~ 10 Newtons
Husillo
El eje de salida de la unidad motriz acciona un husillo (con o sin bolas)
La fuerza de empuje (FL) y la velocidad de avance (vL) se usan junto con el paso del husillo (p) para calcular el par de salida (MB) y la velocidad de salida (nB) del accionamien- to.
En este tipo de transmisión puede haber pér- didas muy importantes según la combinación de tipo de rosca del husillo y la tuerca desli- zante. La eficiencia de una tuerca deslizante (sin bolas) puede estar entre 20 y 50 %. En cambio un tuerca con recirculación de bolas puede alcanzar una eficiencia del 95 %. Otro tema importante a considerar, es el tipo de perfil de la rosca. Recuerde que una rosca métrica o trapezoidal con tuerca deslizante, le puede ser útil para bloquear la carga si no existe tensión en el conjunto motriz. Cálculos básicos
Ejemplo: Se necesita regular la altura de un brazo en su eje Y de 1 kg de peso a una velo- cidad de 0,10 m/s. El fabricante nos recomien- da para esta aplicación lineal de poca frecuen- cia de uso, un husillo con tuerca deslizante de paso 2 mm y rendimiento 50%.
Calcular las prestaciones mecánicas útiles del motor necesarias para girar el husillo.
Par del motor Mb = p / (2 x p ) x ( FL / ? )
Mb = 0,002 / 6,2831 x ( 10 N / 0,5 ) = 0,0063 Nm = 6,3 mNm.
* 1 kg ~ 10 Newtons Velocidad del motor Nb = ( 60 / p ) x VL Nb = ( 60 / 0,002 m ) x 0,10 m/s = 3000 rpm.
Potencia mecánica útil P = ( p / 30000 ) x M x n
P = 0,000105 x 6,3 mNm x 3000 rpm = 1,98 W
11 En funcionamiento intermitente (aceleracio- nes, cambios en la carga) la masa en movi- miento (ML) entra en los cálculos. La masa máxima se debe introducir con los cambios en la carga. Si el husillo de bolas tuviese una inercia (JS) considerable, también se debería introducir en los cálculos dinámicos.
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Otros tipos de accionamientos
Para otro tipos de aplicaciones no detalladas en los ejemplos anteriores, la selección del conjunto motor se calcula de acuerdo con los datos de la carga (par, velocidad, potencia) y el voltaje de alimentación.
Par (M), velocidad (n) y potencia mecánica (Pmec) están relacionadas entre sí por la ecuación:
Pmec = p / 30 * n * M Pmec = p / 30 * 3000 rpm * 2 Nm = 628 W En funcionamientos intermitentes (donde se producen aceleraciones y cambios en la carga), la inercia de la carga (JL) con respec- to al eje del motor, se debe considerar en los cálculos. Hay que aplicar la máxima inercia de la carga y tener en cuenta los tiempos de su accionamiento. Ver Par de la carga ML
Par de la carga ML
La unidad de par es el Nm (Newton metro). Es la fuerza constante de rotación cuando se actúa sobre un brazo de palanca de 1 metro, colocado en la salida del accionamiento.
Habitualmente en micromotores, el par en con- tinuo de la carga se expresa en mNm. (mili Newton metro)
Tabla de conversión: 1 mNm = 0,001 Nm 1 Ncm = 0,01 Nm 1 Nm = 1000 mNm 1 kgcm= 0,0981 Nm = = = = 0,1 Ncm 10 mNm 100 Ncm 98,07 mNm El resultado final lo denominamos par efecti- vo (valor eficaz) RMS. El sumatorio corres- ponde a cada uno de los pares parciales al cuadrado por los tiempos de aplicación de cada par. Dentro de estos cálculos, se han de tener en cuenta las fuerzas necesarias que se requieren para mantener velocidades cons- tantes (par de fricción cinemática). 12 En funcionamientos intermitentes , se calcu- lan también los pares de aceleración (a) y fre- nada, con la ayuda de la inercia de la carga y sus tiempos de aceleración.
ML (acel. o frenada) = JL x a = JL x p / 30 * ( n2 – n1) / ( t2- t1 )
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