La vibración del motor afecta al rendimiento y la vida útil del mismo. Debido a que cada motor paso a paso tiene un punto de resonancia, es importante conocer las posibles soluciones para eliminar la vibración del motor desde el principio.
Los motores paso a paso están diseñados de forma que permiten que el rotor se mueva a una posición discreta. La inercia del rotor permite que el motor se sobrepase ligeramente de su objetivo con cada paso. Esto hace que el motor oscile antes de llegar al punto objetivo. El movimiento continuo del motor crea una frecuencia a partir de estas oscilaciones. En el punto en el que la frecuencia coincide con la frecuencia natural del motor, esta oscilación se vuelve resonante y produce ruido. Si esta resonancia supera el campo magnético entre los estatores y los rotores, el motor puede perder la sincronización.
Métodos de reducción de vibraciones eléctricas
En esta sección, discutiremos una variedad de métodos que se pueden utilizar para evitar la resonancia en su motor paso a paso. Tenga en cuenta que todo, desde los parámetros físicos y eléctricos hasta los parámetros operativos del motor, se puede ajustar. Cada método que se discuta aquí debe ser considerado seriamente antes de tomar una decisión final. Hablar con profesionales de motores paso a paso también es una buena idea y puede acelerar la búsqueda de la solución más rápida para su aplicación específica.
Dado que la resonancia ocurre a una velocidad de operación particular para su motor, evitar la conmutación a esa frecuencia resonante es la forma más sencilla de eliminar el problema. Hay aplicaciones en las que este enfoque no es posible, pero cuando lo es, evitar la velocidad resonante tendrá un efecto positivo en el rendimiento también.
Otra técnica para reducir las oscilaciones es la micro-pasada a una distancia de paso más fina. La bobina en el motor paso a paso se energiza causando que el motor se sobrepase de su posición, debido a un cambio rápido de flujo. La micro-pasada mueve el flujo del estator más suavemente reduciendo la energía de excitación a las bobinas. El resultado de esta reducción de energía es una menor vibración y menos ruido, eliminando la resonancia. La micro-pasada es también la principal estrategia utilizada cuando un ingeniero desea aumentar la resolución del motor paso a paso.
Para aplicaciones de baja velocidad, ya sea para equipos médicos de dispensación o movimiento robótico, se puede obtener un funcionamiento suave mediante la reducción de la corriente de entrada. Al proporcionar una corriente más baja al motor, se producirá menos par, lo que también reduce la rigidez del par (dτ/dθ). Como resultado, se produce menos energía para mover el rotor. Asegúrese de que tiene suficiente margen de par cuando utilice esta técnica, para que no se produzcan otros retos en su diseño.
Cuando el motor está en funcionamiento, la resonancia inducirá una corriente de CA en el bobinado del motor. Esta corriente inducida interferirá con la corriente de CC que pasa por el bobinado del motor. Simplemente aumentando la inductancia, el bobinado del motor es capaz de contrarrestar la resonancia o desplazar la resonancia hacia abajo en frecuencia.
A menudo, la rápida decadencia de la corriente ayudará a reducir la vibración y las resonancias. A medida que el controlador cambia la dirección de la corriente, la corriente decae de forma transitoria, haciendo que la corriente residual interfiera con la corriente establecida en la otra dirección. Un tiempo de decadencia de la corriente lento provocará un aumento en la ondulación del par, lo que aumentará la vibración. Un tiempo de decadencia de la corriente rápido eliminará la interferencia entre las dos señales de corriente enviadas por el controlador del motor y reducirá la vibración durante el funcionamiento del motor (véase la Figura 1).
Figura Señal de corriente del controlador del motor (Fuente: https://pdfs.semanticscholar.org/b7e7/19ca9630dfedf7362c46b2a3b099fe2bb6ee.pdf )
Implementando bobinados R con dos fases activadas
Cuando se utilizan motores paso a paso híbridos, el estator funciona utilizando dos fases en las que las bobinas de los bobinados están separadas 90° entre sí. Para los bobinados tradicionales de motores paso a paso, los ángulos de fase para cada paso están en incrementos de 45°: 0°, 45° 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°. Cuando dos fases están a 45° una de la otra, ambas fases A y B están activadas. Cuando dos fases están a 90° una de la otra, sólo una fase está activada.
Figura Diagrama de fase del bobinado R (tomado de la publicación de la patente US6969930)
Dado que la distribución de la corriente del modo de una fase activada y del modo de dos fases activadas es diferente, los tiempos de establecimiento de los dos modos también son diferentes. Es probable que se produzca resonancia debido a tiempos de establecimiento desiguales durante cada paso.
El motor de bobinado R tiene dos bobinas por polo, cada bobina con diferente número de vueltas. Los dos juegos de cables se enrollan en serie uno con el otro, pero el extremo de la primera bobina se conecta al extremo de la segunda bobina. Este diseño permite que la fase del motor se desplace 25 grados, lo que da como resultado una reducción del ruido y la vibración del motor.
Los bobinados R eliminan la posición de una fase activada colocando un nuevo ángulo de fase en: 25°, 65°, 115°, 155°, 205°, 245°, 295°, 335°. Con dos fases en todo momento, el controlador no suministrará el 100% de la corriente a una sola fase. Tener ambas fases activadas puede hacer que el tiempo de establecimiento para cada paso sea idéntico, lo que reduce la resonancia.
Figura Configuración del bobinado del bobinado R (tomado de la publicación de la patente US6969930)
NOTA: La solución del bobinado R fue inventada por Ted Lin (Patente de EE.UU. No. 6969930).
Implementar una conexión T es otra forma de reducir la resonancia. Una conexión T fuerza al motor a mantener dos fases activadas en todo momento. El resultado de la conexión T es similar al del bobinado R: tener ambas fases activadas reduce el potencial de vibración. Además, el nivel de inductancia de una conexión T se sitúa entre una conexión en serie y una conexión en paralelo. Esto significa que la conexión T puede proporcionar niveles de rendimiento entre los niveles de conexión en serie y conexión en paralelo - mayor par a baja velocidad en comparación con una conexión en paralelo y mayor salida de par a alta velocidad en comparación con una conexión en serie.
Figura Configuración del bobinado de la conexión T (tomado de la publicación de la patente US6597077B2)
Aumentar el número de fases, en general, también puede reducir la resonancia. Un motor con más fases tendrá un ángulo de paso más pequeño, similar a la micro-pasada. El motor con más fases reducirá la energía de excitación necesaria para rotar el rotor. A medida que se reduce la energía de excitación, las resonancias se eliminan.
De esta forma, un motor de dos fases tendrá 8 polos magnéticos, mientras que un motor de cinco fases tendrá 10 polos. El motor de cinco fases está diseñado con dos polos por fase, por lo que el rotor se moverá 1/10 de un paso de diente para alinearse con la siguiente fase. Como resultado, un motor de cinco fases tiene 500 pasos por revolución y 0.72° por paso. Esta mayor resolución de rotación requiere menos energía de excitación para rotar el rotor; por lo tanto, hay menos sobrepaso del rotor. Si se implementa la micro-pasada, un motor de cinco fases funcionará con una resolución aún más fina, y la vibración se reducirá en gran medida.
Métodos de reducción de vibraciones mecánicas
Cuando se trata de ajustar los componentes mecánicos del motor para reducir la vibración, la instalación de un amortiguador en el eje del motor puede ayudar mucho. Añadir un amortiguador mecánico también añade inercia adicional al eje, lo que ayuda a absorber la vibración. Esto proporciona un efecto de amortiguación muy estable. Añadir un montaje de brida también puede aumentar la absorción de la vibración.
Figura Un amortiguador mecánico NEMA 23 común de Lin Engineering.
Otro método mecánico utilizado para amortiguar la vibración es ajustar la inercia del rotor. El rango de resonancia puede cambiar debido al efecto de amortiguación de la inercia de la carga. Ajustando la inercia del rotor mediante el uso de diferentes materiales, cambiando las dimensiones (por ejemplo, una longitud de rotor más larga), o proporcionando un perfil de laminación del rotor diferente (mostrado en la Figura 4) se puede desplazar el punto de resonancia para reducir la vibración.
Figura Diseño de rotor de baja inercia.
Ajustando el espacio de aire entre el rotor y el diente del estator, un diseñador es capaz de aumentar o disminuir la rigidez del par. Como se mencionó anteriormente, la cantidad de par que el motor puede generar cambiará, lo que resulta en un cambio del punto de resonancia, permitiendo que se evite la vibración.
Si el motor lleva una carga, que es similar a un amortiguador mecánico, la inercia del rotor será mucho mayor y las oscilaciones del motor se reducirán sustancialmente.
Saber cómo funciona su motor paso a paso y qué ajustes están disponibles puede ser de gran ayuda a la hora de decidir una solución que funcione para su aplicación. Cuando llegue el momento de centrarse en el control de movimiento durante su ciclo de diseño, recuerde que no tiene que elegir sólo entre las ofertas de productos estándar de una empresa. Si tiene una necesidad especializada, hay formas de obtener exactamente lo que quiere.
Para más información:
Lin Engineering
Morgan Hill, CA
Cómo puedo evitar que mi motor vibre
5 razones detrás de la vibración del motor del coche
Es bastante normal que el motor de su coche vibre a niveles óptimos durante el funcionamiento. La rotación del cigüeñal, los engranajes de transmisión y otros componentes vitales dentro del motor del coche pueden causar ligeras vibraciones. Sin embargo, en algunos casos, la vibración del motor puede exceder los niveles normales y producir ruidos de traqueteo en el compartimento del motor.
Instrucciones para la reparación de automóviles en Orange County Ca
Normalmente, estas vibraciones del motor son causadas por algún fallo en los componentes del motor. Identificar la causa de estas vibraciones le ayudará a señalar estos problemas cuando lleve su coche a un servicio de reparación de automóviles. A continuación se presentan 5 razones detrás de la vibración anormal del motor.
Bujías desgastadas o defectuosas
Una bujía desgastada o defectuosa es una de las principales causas por las que el motor de su coche vibra o se sacude incontrolablemente. Una bujía desgastada puede impedir que la mezcla de combustible y aire se encienda correctamente en los cilindros, lo que provoca un fallo de encendido. Esto puede hacer que el motor vibre, ya que los cilindros pueden fallar durante el ralentí o a velocidades de funcionamiento. Instalar bujías nuevas es la mejor manera de resolver este tipo de problemas relacionados con la vibración.
Correa de distribución inadecuada
La correa de distribución garantiza el correcto funcionamiento de muchos componentes críticos del motor. Cualquier problema con la correa de distribución puede hacer que el motor de su coche vibre. Los ventiladores y otros componentes accionados por correa no funcionarán correctamente si la correa de distribución está dañada o floja, lo que provocará sacudidas y ruidos de traqueteo. Inspeccionar las correas de cable para asegurarse de que no están flojas o dañadas y sustituir las que estén desgastadas ayudará a resolver el problema.
Mangueras sueltas o desconectadas
Otra razón por la que el motor de su coche vibra es debido a cualquier manguera suelta o desconectada al motor. Estas mangueras transportan la mezcla de aire y combustible, el refrigerante del radiador, el vacío, etc., y su fallo significa que el motor no está alimentado correctamente con estos requisitos cruciales. Puede provocar vibraciones al ralentí y a velocidades de funcionamiento. Volver a conectar las mangueras sueltas o sustituir las dañadas puede resolver este problema.
Ajustes inadecuados de la admisión de combustible
Si el sistema de admisión de combustible no está correctamente ajustado y calibrado, puede provocar que el motor produzca vibraciones. Incluso puede ocurrir cuando el motor está al ralentí y ocurre porque el motor no está recibiendo la mezcla correcta de combustible y aire debido a los ajustes inadecuados. Ajustar la velocidad de ralentí del carburador y limpiar el sistema de admisión de combustible puede rectificar este problema.
Soportes del motor dañados
Cualquier daño en los soportes del motor puede provocar que el motor vibre y se sacuda durante el ralentí o cuando está parado. Este componente soporta el motor en su compartimento y absorbe las vibraciones del motor y los golpes de la carretera. Si los soportes del motor son la causa de las vibraciones, hágalos reemplazar por un servicio profesional de reparación de automóviles.
Cómo amortiguar la vibración del motor
Una cuarta causa común de vibración del motor es un amortiguador armónico defectuoso. Un amortiguador armónico es un dispositivo que se une al extremo delantero del cigüeñal y ayuda a amortiguar las vibraciones del motor. Consiste en un cubo metálico interno y un anillo metálico externo que están conectados por una capa de caucho o elastómero. Con el tiempo, el amortiguador armónico puede desgastarse, agrietarse o romperse, y perder su capacidad de absorber las vibraciones. Esto puede resultar en un motor inestable, una transmisión por correa ruidosa y un cigüeñal dañado.
Para reemplazar el amortiguador armónico, deberá quitar la correa serpentina, la polea y el tornillo que sujeta el amortiguador armónico al cigüeñal. Luego, deberá utilizar una herramienta extractora especial para quitar el amortiguador armónico viejo e instalar uno nuevo. Puede hacerlo usted mismo si tiene las herramientas y la experiencia, o puede llevar su vehículo a un mecánico.
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