Dimensionamento de Sistemas Motor e Acionamento: Evite Sub ou Superdimensionamento para Desempenho Ótimo

O dimensionamento adequado é um aspecto crucial da seleção de motor. Se um motor for subdimensionado, ele não conseguirá controlar a carga, levando a ultrapassagem e oscilação.

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 operações. Pode não caber fisicamente e certamente custará mais. Consumirá mais espaço valioso em um gabinete de controle ou no chão de fábrica.

O que considerar ao comprar um motor?

Com muita frequência, fornecedores simplesmente recebem uma ligação pedindo um motor de certa potência. O engenheiro pode estar comprando um motor do mesmo tamanho que o de uma plataforma anterior. Eles podem ter adicionado uma margem de segurança generosa para compensar mudanças. Eles podem ter usado uma proporção de 10:1 ou 5:1 de carga e inércia para inércia do motor – ou alguma mistura do 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 variação motor-a-motor ou mudanças esperadas nas condições de operação da máquina. A margem de segurança deve ser adicionada sobre um cálculo informado, no entanto.

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

Dimensionamento Motor-Acionamento

Para dimensionar efetivamente o motor, é necessário calcular a inércia da carga (JL). A razão entre a inércia da carga e a inércia do motor (essencialmente, inércia do rotor) dá 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 baixa razão de inércia (ex: 4:1 ou 1:1) indica que o fará um trabalho muito eficaz de controlar a carga, mas também revela que o motor pode ser 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 estrutura, mas que produz mais torque. É daí que vem toda a abordagem de 10% de superdimensionamento.

O processo de seleção envolve a coleta de dados seguida por análise detalhada. Requer conhecimento do sistema mecânico, parâmetros operacionais e as circunstâncias sob as quais 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 a 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 mudar 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 velocidade-torque 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 roda a velocidade constante sob carga constante; os acionamentos de eixo são uma aplicação de serviço intermitente, devido à aceleração e desaceleração necessárias para seguir o caminho da ferramenta requerido.

Velocidade e motores

Os acionamentos de robôs e máquinas-ferramenta mudam continuamente a velocidade para gerar o perfil de movimento requerido. A seleção da relação de engrenagem e sua relação com o torque gerado do motor precisa ser totalmente considerada. Se a carga deve operar a uma velocidade constante, ou torque, a relação de engrenagem ótima pode ser determinada. Na prática, 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 requerida da carga e uma estimativa inicial das relações de engrenagem necessárias permitirão que a velocidade de pico do motor seja estimada. Para evitar que o motor não atinja sua velocidade requerida, devido a flutuações na tensão de alimentação, a velocidade máxima requerida deve ser aumentada por um fator de 1,2. Este fator é satisfatório para a maioria das aplicações industriais, mas pode ser refinado para uma aplicação especial, por exemplo, quando o sistema tem que operar a partir de uma fonte restrita como encontrado em aplicações tão diversas como aeronaves e plataformas de petróleo offshore.

Tensão

Como a velocidade de pico de um motor depende da tensão de alimentação, períodos de baixa tensão precisam ser considerados. Como diretriz, um acionamento é normalmente dimensionado para que possa rodar na velocidade de pico a 80% da tensão de alimentação nominal. Se um sistema é alimentado por uma fonte vulnerável a quedas ou blecautes, cuidado considerável terá que ser tomado para garantir que o acionamento, seu controlador e a carga sejam protegidos de danos; isso é particularmente agudo com sistemas de microprocessador, que, se não configurados corretamente, podem travar ou reiniciar sem aviso, levando a uma possível situação catastrófica.

Onde o desempenho de aceleração é tudo importante, a inércia do motor deve ser adicionada à inércia de carga refletida, e o torque requerido para acelerar esta inércia total na taxa requerida deve ser determinado. Uma combinação motor-acionamento será necessária com uma capacidade de torque de pico de pelo menos 1,5 a 2 vezes este valor para garantir capacidade de torque suficiente.

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

Em máquinas de altíssimo desempenho, a safra mais recente de acionamentos de auto-ajuste pode compensar muito efetivamente ressonâncias e vibrações da máquina, suportando 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 esquecidos incluem quaisquer restrições dimensionais e de orientação resultantes do design mecânico.

Se estes podem ser identificados em um estágio inicial, pode evitar desempenho insatisfatório uma vez que o equipamento é instalado. Em particular, se o motor é montado na posição vertical, shimming especial ou pré-cargas de rolamento podem ser necessárias.

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

Rolamentos

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

Caixas de Engrenagens

Um trem de engrenagens convencional é composto por duas ou mais engrenagens para mudar a velocidade angular e torque entre um eixo de entrada e saída. Caixas de engrenagens fornecem uma ferramenta importante para gerenciar inércia. Uma caixa de engrenagens reduz a inércia pelo quadrado da relação de engrenagem. A compensação é que caixas de engrenagens também reduzem a velocidade do motor. A maioria dos motores servo opera em velocidades entre 2000 e 6000 rpm, o que lhes permite operar em uma velocidade útil mesmo quando usados com uma caixa de engrenagens de alta relação de redução.

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

Engrenagens helicoidais são amplamente usadas em sistemas robóticos, pois dão uma razão de contato mais alta comparada com engrenagens retas para a mesma razão de mudança de velocidade, a penalidade sendo carga axial da engrenagem.

Os fatores limitantes na transmissão por engrenagens são a rigidez dos dentes da engrenagem, que pode ser maximizada selecionando a maior roda de engrenagem de diâmetro prático para a aplicação, junto com a minimização do backlash ou movimento perdido entre engrenagens individuais.

Fusos de Esferas e Fusos de Rosca

Em um fuso de rosca, há contato direto entre o fuso e a porca, o que leva a um atrito relativamente alto e, portanto, um acionamento ineficiente. Para aplicações de precisão, 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 rosca, mas a potência é transmitida à porca via rolamentos de esferas lineares, na rosca da porca.

Acionamento por Correia

O uso de uma correia dentada ou acionamento por corrente é um método eficaz de transmissão de potência entre motor e carga, mantendo ainda a sincronia

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

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