Cómo el par, la carga radial y axial impactan la selección del motor

Por Valentin Raschke, ingeniero de aplicaciones, Portescap | 29 de agosto de 2023

Buscar y seleccionar un motor para una aplicación específica a menudo puede ser una tarea desafiante, ya que hay muchos factores potenciales que deben tenerse en cuenta. Estos incluyen 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, por lo que es vital un enfoque colaborativo entre los equipos de solución de movimiento y de ingeniería de diseño desde el principio.

Cuando se acerca por primera vez a un proveedor de motores en miniatura para obtener ayuda en el proceso de selección del motor, una de las preguntas iniciales que se deben abordar es el punto de trabajo específico de la aplicación, o el par y la velocidad de la aplicación. Comprender la carga del motor ayudará a identificar la potencia necesaria del motor y los accesorios del motor necesarios. También es vital discutir cómo se integra el motor en la aplicación, ya que los diferentes tipos de cargas tendrán un impacto significativo en la vida útil y la confiabilidad del motor o en el diseño requerido del motor.

Exploraremos la carga de torsión, la carga radial y la carga axial, que son tres tipos diferentes de cargas que están presentes en aplicaciones comunes de motores en miniatura. También destacaremos por qué estas cargas 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. Como el propósito de un motor suele ser convertir energía eléctrica (Pelec = voltaje x corriente) en energía mecánica (Pmech = par x velocidad de rotación), la carga de par está presente en casi cualquier aplicación para motores rotativos.

En la mayoría de los casos, simplemente seleccionar un motor basándose en el valor de par requerido “x” no será suficiente. 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. Esto significa que a menudo el proveedor de movimiento 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.

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

En determinadas aplicaciones, el motor o la caja de cambios no solo debe proporcionar un cierto par para impulsar la carga, sino que también debe soportar una carga radial, que es una fuerza que actúa radialmente sobre el eje del motor. Un ejemplo de esto es una transmisión por correa, que se utiliza para accionar 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.

La carga radial es relevante para la selección del motor debido a 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 suelen soportar una carga radial menor que los rodamientos de bolas, además de ofrecer una vida útil más corta; esto se compensa con 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 el costo de un motor. Sin embargo, para aplicaciones como transmisión por correa y bomba de diafragma donde hay una carga radial, 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 una mejor opción.

Por el contrario, están los motores de CC sin escobillas, que normalmente utilizan dos rodamientos de bolas, ya que pueden funcionar a velocidades mucho más altas en comparación con 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 y la posición donde se aplica la carga radial. Un motor largo con rodamientos de bolas de gran tamaño normalmente soporta una carga radial mayor que un motor más corto.

Hay dos tipos de cargas axiales: carga axial dinámica y carga axial estática.

Si una aplicación requiere una rotación de 90° del movimiento giratorio a una velocidad más baja, un engranaje helicoidal puede ser una solución ideal. Un engranaje helicoidal consta de un eje helicoidal con rosca en espiral y accionado por un motor. 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.

Los cojinetes lisos no están diseñados para soportar cargas axiales importantes; Esto significa que 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. En caso de que actúe 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 afectará 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.

Tenga en cuenta que dependiendo de su dirección, una carga axial dinámica impacta de manera diferente en el conjunto de cojinetes del motor. En casos de cargas axiales excesivas por encima de las especificaciones recomendadas, se debe mejorar el conjunto del rodamiento o los propios rodamientos.

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 la vida útil del motor se aplique una carga axial estática al eje. Este suele ser el caso cuando se coloca a presión un componente adicional (por ejemplo, un piñón) en el eje del motor ensamblado. Las cargas de impacto, como cuando el motor se utiliza en un dispositivo portátil y se deja caer al suelo, son otro ejemplo en el que pueden ocurrir cargas axiales estáticas.

En el ejemplo de un motor equipado con rodamientos de bolas, el límite recomendado para una operación de ajuste a presión suele ser mucho mayor 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. Sin embargo, en la misma línea, exceder la carga máxima recomendada podría provocar una deformación permanente de las bolas y la pista del rodamiento, lo que resultaría en una vida útil reducida y un aumento del ruido y la vibración del rodamiento.

Una diferencia adicional a considerar es si el eje del motor puede soportarse durante el ajuste a presión. Ciertos motores están cerrados o están equipados con un codificador en la parte posterior, 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. Sostener el eje trasero permite una mayor fuerza durante el ajuste a presión, ya que el flujo de fuerza pasa a través del eje del motor, no de los cojinetes.

Hemos revisado una selección de aplicaciones y ejemplos en los que otras fuerzas, además de la carga de par que normalmente está presente, actúan sobre un motor. Las más comunes son las cargas radiales y axiales, que deben tenerse en cuenta en relación con su impacto en el motor y cómo influyen posteriormente en el proceso de selección del motor. Un proveedor de soluciones de movimiento dedicado ayuda a los clientes a capturar correctamente la imagen completa de las cargas experimentadas por el motor en una aplicación determinada y, por lo tanto, está completamente equipado para desarrollar la solución de movimiento más adecuada que cumpla (incluso supere) los requisitos de la aplicación/dispositivo.