El impacto de las cargas de par, radiales y axiales en la selección del motor

Valentín Raschke | 07 de julio de 2023

Seleccionar un motor para una aplicación específica puede ser una tarea desafiante. Se deben considerar muchos factores, incluido el voltaje requerido por la aplicación, la corriente y el diámetro máximos, la velocidad, la eficiencia y la potencia, entre otros. Equilibrar estas consideraciones con otros requisitos de aplicación únicos ayudará a garantizar la selección del motor ideal. La colaboración entre los equipos de solución de movimiento y de ingeniería de diseño es vital desde el principio.

Cuando se contacta por primera vez con un proveedor para obtener ayuda en la selección de motores en miniatura, se debe abordar una pregunta vital: ¿Cuál es el punto de trabajo específico de la aplicación o el par y la velocidad requeridos? Comprender la carga del motor ayudará a determinar la potencia necesaria del motor y los accesorios necesarios. También es importante discutir cómo se integrará el motor en la aplicación. Los diferentes tipos de cargas tendrán un impacto significativo en el diseño requerido del motor y en su vida útil y confiabilidad.

La carga de par, radial y axial son diferentes tipos de cargas presentes en aplicaciones comunes de motores en miniatura. Son cruciales para el proceso de selección del motor.

El par es la cantidad de fuerza de rotación generada por un motor durante su funcionamiento. (Consulte la Figura 1 arriba). El propósito típico de un motor es convertir energía eléctrica (Pelec = voltaje x corriente) en energía mecánica (Pmech = torque x velocidad de rotación), por lo que la carga de torque está presente en casi cualquier aplicación para motores rotativos. .

La simple selección de un motor basándose en el valor de par requerido “x” suele ser insuficiente. El par (y la velocidad) requeridos en una aplicación deben entenderse durante todo el ciclo de movimiento, ya que el motor debe proporcionar la potencia mecánica necesaria sin sobrecalentarse. El proveedor de movimiento a menudo le pedirá que proporcione el ciclo de movimiento exacto que se espera que experimente el motor; esto permite analizar la temperatura máxima que puede alcanzar el motor antes de sobrecalentarse. Un ejemplo de esto se proporciona a continuación en la Figura 2.

Figura 2: Ciclo de movimiento típico de un motor utilizado en una herramienta eléctrica industrial.

Tenga en cuenta: Seleccionar el motor correcto requiere no solo comprender el valor de par requerido, sino también el perfil de par/velocidad durante todo un ciclo de movimiento y su ciclo de trabajo.

Figura 3: Ejemplo de transmisión por correa.

En determinadas aplicaciones, el motor o la caja de cambios no sólo debe proporcionar un determinado par para impulsar la carga, sino que también debe soportar una carga radial. Esta es una fuerza que actúa radialmente sobre el eje del motor. Un ejemplo es una transmisión por correa (Figura 3, a la izquierda), que se utiliza para impulsar un eje paralelo al motor. La fuerza de tensión debe considerarse como una carga radial que actúa sobre el eje del motor, especialmente si la correa está pretensada.

Un segundo ejemplo es una bomba de diafragma. Un pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo a una presión positiva o negativa en la válvula para facilitar el flujo de un líquido u otro material. Montado en el eje del motor, el pistón crea el movimiento y aplica una carga radial sobre el motor.

La carga radial es relevante para la selección del motor dado su impacto en las opciones de rodamientos. En el ejemplo de un motor paso a paso o de CC con escobillas, hay dos opciones de rodamientos estándar: rodamientos de manguito o rodamientos de bolas. Los rodamientos de manguito normalmente soportan una carga radial más baja y ofrecen una vida útil más corta, pero estos aspectos negativos se ven compensados ​​por su menor costo. Dependiendo del costo total del motor, el uso de dos cojinetes de deslizamiento en lugar de cojinetes de bolas puede reducir significativamente los gastos. Sin embargo, para aplicaciones donde hay una carga radial, como la transmisión por correa y la bomba de diafragma, utilizar al menos un rodamiento de bolas para el rodamiento delantero del motor ayuda a garantizar una vida útil razonable y, por lo tanto, es la mejor opción.

Figura 4: Carga radial en un motor BLDC que utiliza dos rodamientos de bolas.

Por el contrario, los motores de CC sin escobillas suelen utilizar dos rodamientos de bolas y pueden funcionar a velocidades mucho más altas que los motores de CC o paso a paso. Un fabricante de motores recomendará una fuerza dinámica radial máxima a la que se puede lograr una vida útil mínima del motor a una velocidad específica. La fuerza dinámica radial máxima dependerá del tamaño de los rodamientos utilizados, la distancia entre los dos rodamientos de bolas en el motor (Figura 4: Distancia “B”) y la posición donde se aplica la carga radial (Figura 4: Distancia “A” ). Un motor largo con rodamientos de bolas de gran tamaño normalmente soporta una carga radial mayor que un motor más corto (Figura 4).

Tenga en cuenta: al seleccionar un motor, la carga radial depende de su posición en el eje del motor, los cojinetes del motor, la vida útil requerida y la velocidad de la aplicación.

Hay dos tipos de cargas axiales: dinámicas y estáticas.

Si una aplicación requiere una rotación de 90° del movimiento giratorio a una velocidad más baja, un engranaje helicoidal (un eje helicoidal con una rosca en espiral impulsada por el motor) puede ser una solución ideal. El eje helicoidal impulsa la rueda helicoidal con una relación de reducción tan pequeña como aproximadamente 2:1 o mayor. Siguiendo la rosca en espiral del eje helicoidal, el motor debe soportar una carga radial y axial.

Figura 5: Un engranaje helicoidal que consta de un eje helicoidal (impulsado por el motor) y una rueda helicoidal de bronce.

Los cojinetes lisos no están diseñados para soportar cargas axiales significativas. A menudo es obligatorio equipar el motor con rodamientos de bolas. De manera similar a la carga radial, la carga axial dinámica máxima recomendada de un motor dependerá de los rodamientos de bolas y la precarga utilizados, la distancia entre los dos rodamientos de bolas en el motor y el requisito de vida útil.

En el ejemplo de un diseño típico de motor CC axial sin escobillas, la carga axial dinámica la soporta el rodamiento de bolas delantero, ya que el diámetro interior del rodamiento está unido al eje del motor. Si actúa una carga de empuje axial sobre el motor, se reduce la precarga en el rodamiento de bolas delantero. Esto puede provocar un juego radial adicional, lo que afecta negativamente a la vida útil, la vibración y el ruido del motor. En el caso de una carga de tracción axial, la carga actúa en la misma dirección que la precarga interna, aumentando su tensión. Los fabricantes de motores normalmente restringen la carga axial dinámica recomendada a un cierto límite que puede ser soportado por un rodamiento sin afectar negativamente su vida útil.

Figura 6: Diseño típico de precarga basado en resorte para un motor BLDC (eje unido a la bola frontal).

Tenga en cuenta: Dependiendo de su dirección, una carga axial dinámica impacta el conjunto de cojinetes del motor de manera diferente. Se debe mejorar el conjunto de rodamientos o los rodamientos mismos si las cargas axiales son mayores que las especificaciones recomendadas.

Además de una fuerza axial dinámica que actúa sobre el motor durante su funcionamiento, también existe la posibilidad de que al menos una vez durante su vida útil se aplique una carga axial estática al eje. Esto suele ocurrir cuando se ajusta a presión un componente adicional (por ejemplo, un piñón) en el eje del motor ensamblado (Figura 7). Las cargas de choque son otro ejemplo, como cuando se utiliza un motor en un dispositivo portátil y se deja caer al suelo.

En el ejemplo de un motor equipado con rodamientos de bolas, el límite recomendado para una operación de ajuste a presión suele ser mucho más alto que para una carga axial dinámica. De hecho, el factor limitante es únicamente el límite elástico de los rodamientos de bolas. Mientras la carga estática aplicada al rodamiento esté por debajo de su límite elástico, no habrá deformación permanente de las bolas del rodamiento ni de la pista de rodadura. De manera similar, exceder la carga máxima recomendada puede provocar una deformación permanente de las bolas y la pista del rodamiento, lo que resulta en una vida útil reducida y un aumento del ruido y la vibración del rodamiento.

Figura 7: Ruta de la fuerza durante un ensamblaje de ajuste a presión (eje unido al diámetro interior del rodamiento de bolas delantero).

Una diferencia adicional a considerar es si el eje del motor se puede soportar durante el ajuste a presión, como se muestra en la Figura 7. Ciertos motores están cerrados o están equipados con un codificador en la parte posterior, lo que impide el acceso al eje del motor. Sin soporte, la fuerza aplicada durante el ajuste a presión se transmite directamente al rodamiento de bolas delantero, cuya pista interior suele estar unida al eje del motor para absorber las cargas axiales. El soporte del eje trasero permite una mayor fuerza durante el ajuste a presión, ya que el flujo de fuerza se realiza a través del eje del motor, no de los cojinetes.

Tenga en cuenta: Las cargas axiales estáticas excesivas pueden dañar permanentemente los rodamientos de bolas de un motor, lo que afecta negativamente su vida útil, su ruido y su vibración.

Hemos revisado una selección de aplicaciones y ejemplos en los que otras fuerzas, además de la carga de par normalmente presente, actúan sobre un motor. Las más comunes son las cargas radiales y axiales, que deben considerarse en relación con su impacto en un motor y el proceso de selección del motor. Un proveedor dedicado de soluciones de movimiento como Portescap ayuda a los clientes a calcular las cargas experimentadas por un motor en una aplicación determinada y está completamente equipado para desarrollar la solución de movimiento más adecuada que cumpla, e incluso supere, los requisitos de la aplicación y el dispositivo.

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