Servo motores de ímã permanente versus Sistemas de motor de indução

Seleção Motor: Ao decidir sobre o uso de servo motores de ímã permanente (PM) ou sistemas de motor de indução, considere o desempenho dinâmico, densidade de torque, inércia correspondente e esquemas de controle.

Lee Stephens

Há muito considerada um esteio de motores de indução, a invasão na área de 50 CV e maiores por servo motores de ímã permanente (PM) foi vista recentemente para algumas aplicações. Estas aplicações geralmente têm considerações dinâmicas que requerem posição de tempo em circuito fechado e altas acelerações. Ao acelerar grandes cargas, servo-motores de ímã permanente podem trabalhar com alta carga de taxas de inércia e ainda manter os requisitos de desempenho. Ter uma menor inércia geralmente permite um menor desperdício de energia dentro do motor. Torque (τ) é o produto de inércia (j), e aceleração rotativa (α). Se você precisar de inércia correspondente, a metade da energia é desperdiçada acelerando o motor. Se a relação de inércia do motor para a carga é grande, então os regimes de controle devem ser suficientes dinâmicos para impedir a carga maior de acionamento do motor, em oposição ao controle da carga do motor.

Trade-offs, negociação

Servos de ímã permanente e motores de indução sempre tiveram áreas de atuação que se sobrepõem, mas não são um substituto para o outro. Avanços em unidades e tecnologia para os motores de indução deram o desempenho dinâmico, que já foi o esteio de sistemas servo de ímã permanente, mas isso não significa que o motor de indução é um substituto para o servo, ele só permite mais opções.

Embora dois motores possam aparecer para ser capaz de se realizar o trabalho relacionado ao torque, velocidade e considerações térmicas, a escolha de uma tecnologia em detrimento do outro deve ser abordada com conhecimento intrínseco de cada um. Um servo motor ímã permanente é um motor síncrono com o feedback de informações de comutação, velocidade e posição. Um motor de indução vector-driven também vai exigir o mesmo controle de gabarito para competir nesta área de desempenho, mas é alimentado completamente por eletromagnética, não por campos magnéticos permanentes.

O custo pode limitar o tamanho

Com o estado atual de ímãs de terras raras, pode parecer impraticável ter um servo motor de imã permanente em um aplicativo que exige mais de 20 cv ou 30 cv. Caso requisitos como tamanho e desempenho dinâmico estejam fora do alcance dos motores de indução, estes devem ser tratados com um servo motor PM, na maioria dos casos. Em geral, a fonte de um motor de ímã permanente de fluxo constante pode resultar numa densidade de torque maior do que um sistema de admissão equivalente. Se o tamanho importa, então, talvez, um sistema deve usar uma tecnologia em detrimento de outra. Falando de tamanho, a relação de inércia pode ser uma importante figura de mérito caso necessidades dinâmicas surjam. Se existem altas acelerações e desacelerações, o tamanho do rotor irá aumentar significativamente a inércia e diminuir o torque utilizável. Em um exemplo, um fabricante de vidro combinou essas tecnologias e escolheu quatro servos de ímã permanente nominal de 72 hp devido a requisitos de desempenho mais elevados para o novo aplicativo de alta carga dinâmica.

O tamanho do equipamento e as necessidades da dinâmica disto são um desafio. Com uma menor inércia, o desempenho dinâmico pode exceder outras tecnologias de motores.

Ao considerar a tecnologia, o motor de indução produz um campo magnético através do estator e enrolamentos e uma estrutura de rotor laminado. O estator é semelhante ao do induzido do motor de ímã permanente, o qual está estacionário.

As semelhanças param por aí. Embora exista um estado constante de um fluxo magnético no motor de ímã permanente, fornecido pelos ímãs de terras raras, o campo magnético gerado vai puxar o campo magnético gerado pelo rotor, o que tem a corrente induzida (daí o termo "indução") em um enrolamento secundário, enrolado em torno das lâminas do rotor.

A importância da palavra "puxar" aqui deve ser notada. Há um fenômeno interessante, mas muitas vezes esquecido que você não pode empurrar com um eletroímã. Forças de repulsão não funcionam dessa maneira. A força de atração entre as duas correntes vai funcionar, mas quando você gerar dois pólos, eles se cancelam como um indutor mútuo ao invés vez de se repelirem. Para fazer com que o campo magnético gire em torno da armadura e o rotor sincronize, é necessário alterar os campos magnéticos, ou essencialmente recolher toda a energia armazenada rapidamente, e isto é feito por esta corrente de cancelamento. Isso torna os controles um pouco mais complicados, mas dentro das capacidades de microprocessadores e controladores de porta programáveis (FPGA) disponíveis hoje.

Vantagens da carga dinâmica

Ao se olhar para o servo motor PM, as vantagens quando se trabalha com cargas altamente dinâmicas são aparentes. Como o motor de indução, os campos magnéticos em torno do motor têm de mudar para criar rotação. O motor será exatamente sincronizado para o campo uma vez que tanto empurrar e puxar o fluxo constante do ímã pode ser obtido. Isto é devido aos ímãs, tendo um mμ igual ao ar, e como tal é considerado parte do espaço de ar. Isso ajuda a melhorar a densidade de torque do motor.

Alterações do campo magnético na armadura podem permitir uma maior contagem de pólo único com a mesma velocidade e ondulação do torque reduzido. O rotor não é restringido com a acumulação de tempo de carga da polaridade magnética. Estas vantagens estão correlacionadas com um tamanho físico menor quando se opera com poucos cavalos de potência.

A maioria dos sistemas servo também pode lidar com grandes cargas que não são dinâmicas, desde que o projeto se encaixe no desempenho. Cargas acoplado diretamente nas indústrias de embalagens e impressão normalmente são muito grandes. Em muitos casos, existe uma mistura de indução e tecnologias de ímãs permanentes.

Há grandes motores rotativos de transmissão direta que invadem o domínio dos motores de indução. As aplicações são inúmeras. Para o sincronismo e coordenação de múltiplos eixos, estes motores de ímã permanente controlam mais precisamente os requisitos do circuito fechado se comparados a motores de indução.

Preços de terras raras

Disponibilidade de terras raras e preço são frequentemente questões levantadas quando se discutem essas duas tecnologias de controle de motor. Materiais de terras raras e processamento causaram alvoroço nos mercados nos últimos meses. O estado atual do mercado indica que isso não vai ser um problema permanente. Alguns motores podem ser modificados no design para obter o mesmo binário, utilizando diferentes materiais magnéticos. Esta cobertura de disponibilidade de um material sobre outro permite mais controle sobre as questões de volatilidade que podem afetar a entrega e disponibilidade durante longos períodos.

Desempenho, torque, inércia

Ao se decidir sobre o uso de servo motores PM ou sistemas de indução do motor, desempenho dinâmico, a densidade de torque, correspondência de inércia, e esquemas de controle devem ser tomados em consideração. Se você precisa manter uma velocidade constante, com uma grande carga e potência muito alta (> 50 cv), o motor de indução provavelmente seria uma escolha melhor. Se a massa do motor, o desempenho dinâmico, ou a densidade binária são fatores importantes de decisão, então a escolha favorece o PM do servo. Compreender as áreas cinzentas ajuda a discernir uma tecnologia em detrimento do outro. Você pode ter que pensar além da sabedoria convencional que os servo-motores de ímã permanente são apenas para aplicações abaixo de alguns cavalos de potência.

- Lee Stephens é engenheiro sênior de controle de movimento, Kollmorgen, Radford, Va. Editado por Mark T. Hoske, gerente de conteúdo, CFE Media, Engenharia de Controle e Engenharia Plant, mhoske (@) cfemedia.com.