Los motores de transmisión directa llevan muchos años acompañándonos, pero parece que solamente en los últimos años los fabricantes de equipos e integradores de sistemas han comprendido las ventajas de ésta técnica. Este artículo compara y contrasta el uso de los motores de transmisión directa respecto a soluciones de motor más tradicionales; resalta las ventajas relativas y discute algunas dificultades y soluciones.

Terminología

Bien, empecemos con las definiciones y la terminología. Teóricamente el término «transmisión directa» se puede aplicar a cualquier motor que impulsa directamente una carga o un rotor sin elementos de transmisión como engranajes, poleas o cadenas. Mas a menudo el término hace referencia a motores sin escobillas, de imán permanente o síncrono que transmiten el par directamente a la carga o el rotor. Muchas veces tienen una baja altura del eje en comparación con su diámetro y un amplio hueco central. «Motor de par» también es un término que se utiliza a veces para describir los motores de transmisión directa que producen un par constante cuando están fijos o en movimiento con un corto rango angular.

¿Cómo funcionan los motores de transmisión directa?

Los motores de transmisión directa funcionan prácticamente igual que la mayoría de los motores CC sin escobillas. Los imanes están fijados al rotor del motor y los bobinados están colocados en el estátor del motor. Puesto que los bobinados reciben alimentación producen campos electromagnéticos que, o bien atraen, o repelen los imanes del rotor. Un sistema adecuado de interruptores o «conmutación» de la alimentación de los bobinados provoca un movimiento controlado. Existen motores de transmisión directa lineales y rotatorios, pero las versiones rotatorias son con diferencia las más usadas.

Motores de transmisión directa

Fig 1 – Arreglo motor tradicional

Los motores de transmisión directa normalmente tienen gran número de polos (>30 y a veces >100) que les permiten producir alto par sin velocidad o con una velocidad baja (normalmente <1000 rpm). Existen motores de transmisión directa con diámetros de >1 m que son capaces de producir un par de >10.000 Nm. Muchos motores de transmisión directa son sin «cuerpo», lo que significa que se suministran sin una carcasa, cojinetes o un sensor de retroalimentación. Esto permite a los constructores de máquinas e integradores de sistemas simplificar su diseño de la carcasa, el eje y los cojinetes para optimizar el tamaño total, la forma, el peso y el rendimiento dinámico.

El ratio par/inercia es también superior en los motores de transmisión directa que en soluciones de motores tradicionales y una constante eléctrica de tiempo pequeña. Esto significa que el par se aplica rápidamente cuando recibe el voltaje alcanzando así lo que los ingenieros de control llaman una buena servo «rigidez». Los motores más tradicionales están diseñados para generar par máximo a velocidades más altas (típicamente >1.000 rpm) y tienen el tamaño y la especificación según su potencia nominal. El tamaño y la selección de los motores de transmisión directa normalmente se basa en el par máximo o continuo más que en la potencia.

Ventajas y desventajas

Las ventajas del método de transmisión directa son:

  • Excelente rendimiento dinámico y un control preciso de la posición y/o velocidad
  • Sin retorno ni desgaste
  • Alta fiabilidad debido a bajo número de piezas y eliminación de engranajes, poleas, sellos, cojinetes, etc.
  • Compacto: baja altura axial y posible gran diámetro de hueco
  • Alto ratio par/inercia y alto ratio par/masa
  • Bajo rizado de par o «cogging»
  • Alto par a bajas velocidades
  • Eficiencia energética consecuencia de la eliminación de pérdidas en elementos mecánicos intermedios
  • Bajo ruido acústico o vibración autoprovocada
  • Sin/baja necesidad de mantenimiento
  • Requisitos bajos de enfriamiento gracias a la configuración ventajosa de la geometría térmica
  • Entrehierro relativamente grande y por tanto, buena resistencia a impactos y a entornos sucios.

Las dos razones principales para que un ingeniero de diseño elija la transmisión directa es el rendimiento dinámico y la forma. La ventaja de diseño de los motores que son relativamente planos con un gran hueco en el medio es que permite la colocación de anillos colectores, tubos y cables, es un aspecto que no se debe subestimar.

La desventaja principal normalmente es más bien una percepción que una realidad: se cree que los motores de transmisión directa con más caros que los motores tradicionales. Puede que haciendo una comparación simple entre dos ejemplos concretos esto sea cierto, pero una visión más general (teniendo en cuenta la eliminación de engranajes intermedios, acoplamientos, mantenimiento, así como la simplificación mecánica general) nos muestra que las soluciones de transmisión directa son, quizás sorprendentemente, la solución óptima en cuanto a costes y a rendimiento en muchas aplicaciones. Además, el coste final directo comparado se está reduciendo gradualmente puesto que se fabrican más motores de transmisión directa y aumenta la disponibilidad de imanes de neodimio, hierro y boro (Nd-Fe-B). La ventaja de coste/rendimiento se puede ilustrar claramente con el creciente uso de los motores de transmisión directa en aplicaciones sensibles a los costes como las lavadoras, donde los sistemas tradicionales de motor, correa y polea se están sustituyendo cada vez más por motores de transmisión directa más fiables y silenciosos.

Los ejemplos clásicos de aplicaciones de la transmisión directa se pueden encontrar en gran cantidad de suspensiones cardán como sistemas de antenas (por ejemplo, comunicaciones por satélite instalados en vehículos), cámaras de vigilancia y CCTV, escáneres, telescopios, electro óptica, tablas de tasas, sistemas de radar y armas. También hay aplicaciones en las herramientas de máquinas CNC, equipos de embalaje, robots e incluso en tocadiscos de alta gama.

La mayoría de los motores sufren la ondulación de la posición del par llamada «cogging». En motores tradicionales de alta velocidad este efecto normalmente no es importante, puesto que la frecuencia es tan alta que tiene un impacto insignificante en el rendimiento. Las unidades de transmisión directa sufren más este fenómeno, a menos que el sistema de control del motor utilice retroalimentación para contrarrestar de forma activa el efecto. Uno de los factores que quizás haya ralentizado la aceptación de los motores de transmisión directa es que es necesario un control eléctrico preciso. En los últimos años los controladores lo suficientemente rápidos (tasas de actualización de >4 kHz) y receptivos han empezado a estar disponibles a precios realistas.

Una de las mayores ventajas de utilizar motores de transmisión directa es la mayor precisión de posición, velocidad y dinámica. Sin tener que manejar acoplamientos, cajas de cambios, correas o cadenas, un motor de transmisión directa se fija directamente a la carga de modo que no existe la histéresis, retorno o «pérdida de movimiento» en ninguna dirección de movimiento. Para conseguir esto el motor de transmisión directa requiere un dispositivo de respuesta de posición de alta resolución para completar el bucle de servo. En algunos casos, los sensores de efecto «hall» típicamente utilizados para la conmutación de la alimentación a los bobinados del motor son suficientes, pero en muchos otros casos no ofrecen el rendimiento de medición suficiente para permitir un control preciso de posición o velocidad.

Si el hueco central de un motor de transmisión directa es bastante pequeño (<2”) existe gran variedad de sensores de respuesta de posición basados en tecnologías ópticas, magnéticas, capacitivas e inductivas. Como ya se ha mencionado anteriormente, uno de los factores clave para elegir un motor de transmisión directa es el factor de la forma y especialmente un amplio hueco central (>2”). Puesto que la mayoría de los sensores de posición cuentan con un hueco central pequeño de entrada del eje o de paso, esto significa que las opciones de elección de un sensor de posición adecuado para un motor de transmisión directa, hasta hace poco, estaba limitado y por tanto, era problemático. La primera opción son los codificadores ópticos de anillo con un suministro CC simple y una salida digital absoluta o incremental. Lamentablemente no son aptos para entornos sucios o húmedos puesto que no puede haber obstrucción de la vía óptica del sensor; tienen una tolerancia limitada a temperaturas extremas e impactos y requieren una instalación precisa para conseguir un rendimiento de medición correcto. Los codificadores capacitivos pueden enfrentarse a problemas similares con la complicación añadida de tener que despejar la acumulación de carga estática en el rotor. La segunda opción es un codificadore de anillo magnético, pero su ventaja ante los sensores de efecto «hall» utilizados para la conmutación puede ser escasa y no proporcionan una alta precisión debido a la histéresis magnética. Puesto que están basados en la detección de campos magnéticos CC pueden ser sensibles también a los campos magnéticos aislados del motor. La tercera opción es la tradicional: el resolucionador sin escobillas. Un resolucionador utiliza los principios físicos electromagnéticos similares a los del propio motor para detectar la posición del rotor en relación al estátor. Los resolucionadores normalmente no se ven afectados por partículas extrañas y tienen una inigualable reputación en cuanto a fiabilidad, resistencia y seguridad. No es sorprendente que los resolucionadores sean de hecho la opción estándar en muchas aplicaciones de alta fiabilidad o relacionadas con la seguridad, especialmente en el sector aeroespacial y de defensa. No obstante, pueden ser también voluminosos, pesados y caros, especialmente en formatos para amplios huecos, llamados a veces resolucionadores Slab. El uso de los resolucionadores Slab puede estar alimentado quizás por la creencia de que los sistemas de transmisión directa son demasiado caros para algunas aplicaciones.

Un enfoque diferente

Hay un nuevo tipo de sensores se está popularizando cada vez para la respuesta de posición de transmisiones directas: el codificador inductivo o «incoder». Los incoders utilizan el mismo principio electromagnético o inductivo que los resolucionadores, pero en lugar de ser voluminosos bobinados de transformador, son construcciones laminares de placa de circuitos impresos que al mismo tiempo son menos costosos, más compactos y ligeros. En lugar de utilizar el complejo suministro CA y procesado de señal que requieren los resolucionadores, los incoders utilizan unas interfaces eléctricas simples similares a aquellas que ofrecen los codificadores ópticos, entrada de suministro CC y salida electrónica digital. Los incoders están disponibles en formados absoluto o incremental (pulso A/B) con resoluciones de hasta 22 bits (aproximadamente 4 millones de recuentos por rev.); precisión de <40 segundos de arco (<0,01o) y coeficientes de temperatura muy bajos (<0,5 ppm/K). Hasta hace poco, los incoders se consideraban demasiado lentos para las aplicaciones altamente dinámicas, pero ahora ofrecen unas tasas de actualización más rápidas de hasta 10 kHz. Además, es importante destacar que se ajustan al factor forma de muchos de los motores de transmisión directa: baja altura axial, diámetro y hueco relativamente amplios. Asimismo, normalmente se suministran en formato sin carcasa, sin cojinetes, acoplamientos o sellos, de modo que se pueden fijar mecánicamente al motor de transmisión directa.

Sensores directos

Fig 2 – Ejemplo de un IncOder

La combinación de los incoders con los motores de transmisión directa es una solución que cada vez gana más popularidad entre los ingenieros de diseño. Está ganando adeptos puesto que continua demostrando alta fiabilidad, alto control de movimiento dinámico para aplicaciones en los sectores médico, aeroespacial, defensa, industrial y petroquímico.

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