Dimensionamento de um sistema de motor e acionamento

O dimensionamento adequado é um aspecto crucial da seleção do motor . Se um motor for subdimensionado, ele não será capaz de controlar a carga, levando a overshoot e ringing.

Superdimensionar um sistema é tão ruim quanto subdimensionar – ele pode controlar a carga, mas também será maior e mais pesado, além de mais caro em termos de preço e custo de operação. Pode não caber fisicamente e certamente custará mais. Ele usará mais espaço valioso em um gabinete de controle ou no chão de fábrica.

O que considerar ao comprar um motor?

Com muita frequência, os fornecedores simplesmente recebem uma ligação pedindo um motor de uma certa potência. O engenheiro pode estar comprando um motor do mesmo tamanho de uma plataforma anterior. Eles podem ter adicionado uma grande margem de segurança para compensar as mudanças. Eles podem ter usado uma proporção de carga e inércia de 10:1 ou 5:1 para a inércia do motor – ou alguma mistura dos itens acima.

O objetivo deve ser especificar um motor que forneça a velocidade, aceleração e torque necessários para posicionar a carga no local designado e no tempo desejado. Pode incluir uma margem de segurança projetada para compensar a variação motor-dois-motores ou mudanças esperadas na condição de operação da máquina. A margem de segurança deve ser adicionada em cima de um cálculo informado, no entanto.

Um erro comum é escolher um motor com um torque de serviço contínuo igual ao requisito de torque máximo da aplicação (normalmente visto durante acelerações/desacelerações extremas ). Aplicativos de controle de movimento frequentemente consistem em movimentos breves e rápidos. Escolher um motor classificado para gerar esse torque continuamente significa essencialmente pagar por mais motor do que o necessário.

Dimensão do acionamento motorizado

Para dimensionar efetivamente o motor, é necessário calcular a inércia da carga (JL). A relação entre a inércia da carga e a inércia do motor (essencialmente, inércia do rotor ) fornece uma medida de quão efetivamente o motor pode controlar a carga. Uma alta razão de inércia indica o sistema que terá dificuldade em controlar a carga. Uma taxa de inércia baixa (por exemplo, 4:1 ou 1:1) indica que o motor fará um trabalho muito eficaz de controle da carga, mas também revela que o motor pode estar superdimensionado para o sistema

Muitas vezes, os projetistas incluem a carga real, a caixa de engrenagens e o motor, mas deixam correias, polias e outras coisas mecânicas fora da equação. Eles simplesmente passam para o próximo tamanho maior ou usam o mesmo tamanho de quadro, mas aquele que produz mais torque. É daí que vem toda a abordagem de 10% de tamanho excessivo.

O processo de seleção envolve a coleta de dados seguida de uma análise detalhada. Requer conhecimento do sistema mecânico, dos parâmetros operacionais e das circunstâncias em que o equipamento será usado. Também deve incluir detalhes do ambiente operacional, pois se não forem considerados em um estágio inicial, o sistema selecionado pode não ser adequado.

Inércia – a tendência de um objeto de resistir a mudanças na aceleração – é um dos principais desafios no controle de movimento . O motor precisa ser capaz de aplicar força suficiente (em um sistema linear) ou torque (em um sistema rotacional) para alterar a aceleração da carga e fazê-lo de forma controlada.

As principais restrições que devem ser consideradas durante o procedimento de dimensionamento podem ser resumidas da seguinte forma:

• Torque de pico
• Torque RMS
• Velocidade máxima
• Características de torque-velocidade do motor

Além disso, dois regimes de aplicação precisam ser considerados:

• Aplicação de serviço contínuo
• Aplicação de serviço intermitente

A diferença entre esses dois regimes de aplicação pode ser ilustrada por um torno. O acionamento do fuso de um torno é uma aplicação de serviço contínuo, pois funciona a uma velocidade constante sob carga constante; os acionamentos dos eixos são uma aplicação de serviço intermitente, devido à aceleração e desaceleração necessária para seguir o caminho da ferramenta necessário.

Velocidade e motores

Os acionamentos de robôs e máquinas-ferramenta mudam continuamente de velocidade para gerar o perfil de movimento necessário. A seleção da relação de transmissão e sua relação com o torque gerado pelo motor precisa ser totalmente considerada. Se a carga for necessária para operar em uma velocidade ou torque constante, a relação de transmissão ideal pode ser determinada. Na prática, os casos a serem considerados incluem aceleração com e sem torque de carga aplicado externamente e os efeitos de inércias de carga variáveis.

Um conhecimento da faixa de velocidade necessária da carga e uma estimativa inicial das relações de transmissão necessárias permitirão que a velocidade de pico do motor seja estimada. Para evitar que o motor não atinja a velocidade necessária devido a flutuações na tensão de alimentação, a velocidade máxima necessária deve ser aumentada por um fator de 1,2. Esse fator é satisfatório para a maioria das aplicações industriais , mas pode ser refinado para uma aplicação especial, por exemplo, quando o sistema precisa operar a partir de um fornecimento restrito, como encontrado em aplicações tão diversas quanto aeronaves e plataformas de petróleo offshore.

Tensão

Como a velocidade de pico de um motor depende da tensão de alimentação, os períodos de baixa tensão precisam ser considerados. Como diretriz, um inversor é normalmente dimensionado para que possa funcionar em velocidade de pico a 80% da tensão de alimentação nominal. Se um sistema for alimentado por uma fonte vulnerável a quedas ou apagões, cuidados consideráveis ​​devem ser tomados para garantir que o drive, seu controlador e a carga estejam protegidos contra danos; isso é particularmente grave com sistemas de microprocessadores, que, se não forem configurados corretamente, podem travar ou reiniciar sem aviso, levando a uma possível situação catastrófica.

Onde o desempenho de aceleração é muito importante, a inércia do motor deve ser adicionada à inércia da carga refletida e o torque necessário para acelerar essa inércia total na taxa necessária deve ser determinado. Uma combinação de acionamento por motor será necessário com uma capacidade de torque de pico de pelo menos 1,5 a 2 vezes esse valor para garantir capacidade de torque suficiente.

O pico de torque da combinação motor-acionamento deve exceder, por uma margem segura de pelo menos 15%, a soma do torque de atrito estimado mais o torque de aceleração mais qualquer carga de torque contínua presente durante a aceleração. Se isso não for possível, será necessário um motor diferente ou a relação de transmissão.



Em máquinas de alto desempenho, a última safra de acionamentos de auto-ajuste pode compensar de forma muito eficaz as ressonâncias e vibrações da máquina, suportando um desempenho preciso mesmo em velocidades muito altas. A compatibilidade eletromagnética tem uma influência considerável no projeto e aplicação de um sistema.

Componentes de transmissão de potência

Os requisitos mecânicos do motor devem ser identificados em um estágio inicial no procedimento de dimensionamento e seleção. Itens frequentemente negligenciados incluem quaisquer restrições dimensionais e de orientação resultantes do projeto mecânico.

Se isso puder ser identificado em um estágio inicial, poderá impedir um desempenho insatisfatório após a instalação do equipamento. Em particular, se o motor for montado na posição vertical, podem ser necessários calços especiais ou pré-cargas nos rolamentos.

Na determinação dos requisitos de acionamento, os torques de atrito são talvez o aspecto mais difícil do procedimento de dimensionamento do motor .

Rolamentos

No caso de um eixo rotativo, um rolamento é o método de suporte mais utilizado. Muitos tipos diferentes estão disponíveis, dos quais o mais comum é o rolamento de rolos e esferas.

Caixas de câmbio

Um trem de engrenagens convencional é composto por duas ou mais engrenagens para alterar a velocidade angular e o torque entre um eixo de entrada e saída. As caixas de engrenagens fornecem uma ferramenta importante para gerenciar a inércia. Uma caixa de engrenagens reduz a inércia pelo quadrado da relação de transmissão. A desvantagem é que caixas de câmbio também reduzem a velocidade do motor . A maioria dos servomotores opera em velocidades entre 2.000 e 6.000 rpm, o que permite que eles operem a uma velocidade útil mesmo quando usados ​​com uma caixa de engrenagens de alta relação de redução.

Engrenagens de dentes retos ou helicoidais são normalmente empregadas em trens de engrenagens convencionais. A engrenagem de dentes retos tem a vantagem de produzir força axial mínima, o que reduz o problema de qualquer movimento dos rolamentos da engrenagem.

As engrenagens helicoidais são amplamente utilizadas em sistemas robóticos, pois fornecem uma relação de contato mais alta em comparação com as engrenagens de dentes retos para a mesma relação de mudança de velocidade, sendo a penalidade a carga da engrenagem axial.

Os fatores limitantes na transmissão da engrenagem são a rigidez dos dentes da engrenagem, que pode ser maximizada pela seleção da roda de engrenagem de maior diâmetro possível para a aplicação, juntamente com a minimização da folga ou perda de movimento entre as engrenagens individuais.

Chumbo e fusos de esferas

Em um fuso de avanço, há contato direto entre o parafuso e a porca, o que leva a um atrito relativamente alto e, portanto, a um acionamento ineficiente. Para aplicações de precisão, os fusos de esferas são usados ​​devido ao seu baixo atrito e, portanto, boa resposta dinâmica.

Um fuso de esferas é idêntico em princípio a um fuso de avanço, mas a energia é transmitida para a porca através de rolamentos lineares de esferas, na rosca da porca.

Acionamento por correia

O uso de uma correia dentada ou acionamento por corrente é um método eficaz de transmissão de energia entre o motor e a carga, mantendo o sincronismo

Na aplicação de acionamento linear, os mesmos procedimentos que foram aplicados ao fuso e fuso de esferas podem ser aplicados a um acionamento por correia.



Uma referência muito boa sobre dimensionamento de motores pode ser encontrada na web em:
http://www.electricmotors.com/sizing.html