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Motores convencionais e sem ranhuras: o que você precisa saber

Os motores convencionais sem escovas e sem ranhuras têm seus pontos fortes e fracos quando se trata de desempenho, mas ao escolher entre os dois, não é uma questão de qual motor é melhor. É uma questão de qual motor é melhor para a aplicação.  

Muitas aplicações que exigem um sistema mecânico suave e preciso podem se beneficiar de motores que fornecem alto torque em uma carcaça compacta. Tomemos, por exemplo, sistemas eletro-ópticos/infravermelhos. Em um sistema EO/IR, é necessária uma plataforma estável e responsiva com movimento preciso para rastrear objetos mesmo em condições chocantes devido a choque na estrada, turbulência do ar, vibração e outras forças.  

No entanto, considerações mecânicas e ambientais, como o ripple de torque ou as forças no sistema em aplicações em movimento, podem interromper o feedback do sensor visual ou infravermelho, exigindo software adicional para estabilizar e suavizar a imagem. Um sistema mecânico suave e estável que corrige para o ambiente no ponto de coleta de dados pode reduzir o processamento de computação necessário para estabilizar imagens.  

Uma vez que o torque de cogging e o ripple de torque podem ser resolvidos através do design do motor e do sistema de controle, o torque por volume de um motor é uma melhor indicação de desempenho em um sistema EO/IR. Os motores convencionais fornecem torque mais alto por volume do que os motores sem ranhuras , e para sistemas de baixa velocidade (<1.000 rpm), como um sistema EO/IR, eles fornecem maior pico disponível e torque nominal para um desempenho mais responsivo.   

Como o torque de cogging e o ripple de torque entram em jogo? 

Para entender as diferenças entre motores convencionais e motores sem ranhuras , é importante entender as forças de torque de cogging e de ripple de torque e como elas se desenrolam em um sistema EO/IR.  

O torque de cogging ocorre no estado não energizado de um motor convencional quando a atração entre os ímãs permanentes no rotor e os dentes de aço das laminações do estator cria um movimento de "sacudida" quando ele é girado. Motores sem ranhuras não apresentam esse comportamento de jerk, pois não há dentes no estator e os ímãs são atraídos para a laminação durante toda a rotação.  

O ripple de torque ocorre no estado energizado de um motor, convencional e sem ranhuras. Isso se dá devido a variações nos campos eletromagnéticos à medida que o rotor e o estator interagem. Embora o torque de cogging possa ser reduzido em um motor sem ranhuras , o ripple de torque está sempre presente e deve ser resolvido através de feedback de alta resolução e do uso de algoritmos de controle avançados. (Saiba mais em nosso blog "Torque de cogging e ripple de torque: o que você precisa saber.”)

Para sistemas de baixa velocidade, como EO/IR, o torque de cogging geralmente não é a característica mais importante para um servomotor. Mesmo que a eliminação do torque de cogging possa ter algum impacto no ripple de torque, é o comportamento do motor quando energizado que mais importa. E uma vez que todos os motores têm ripple de torque, incluindo os sem ranhuras, focar neste atributo sobre outros atributos de design do motor obscurece os benefícios de um motor convencional sobre sem ranhuras. Torque por volume é o principal indicador de desempenho sobre torque de cogging ou ripple de torque ao selecionar um motor para uma aplicação EO/IR.

 

Slotted vs Slotless motors illustration

O impulso para sem ranhuras 

Ao contrário dos motores convencionais, os motores sem ranhuras não têm dentes de aço no estator (é por isso que um motor convencional às vezes é chamado de motor ranhurado). Em vez de dentes para suportar os enrolamentos, a laminação do estator é construída de anéis de aço empilhados em conjunto com bobinas de cobre montadas neles e depois encapsuladas. Como resultado, as bobinas são posicionadas na folga entre a laminação do estator e os ímãs do rotor.   

Uma grande lacuna de ar entre o rotor e o estator limita a quantidade de torque que um motor pode produzir.  Criar uma lacuna de ar (o espaço entre o ímã e o estator) menor pode gerar mais torque. Reduzir para metade esta distância lhe dará quatro vezes o torque. Motores sem ranhuras tentam estreitar essa lacuna o máximo possível para adquirir o máximo de torque. No entanto, uma lacuna de ar muito apertada cria um problema. Para fechar a lacuna, a maioria dos fabricantes usará ímãs maiores. Mas isso aumenta o custo. Os motores convencionais sem escovas podem produzir maior torque sem ter que forçar os limites (e custos) de fabricação.  

Como você pode imaginar, ter os enrolamentos encapsulados na laminação do estator fornece várias vantagens em um motor sem ranhuras . Como mencionado acima, não possui torque de cogging. Uma vez que não há dentes na laminação para interagir com o ímã do rotor, o motor exibe características de funcionamento suaves. A produção de torque é previsível e altamente controlável porque está diretamente relacionada à corrente fornecida ao enrolamento.Os motores sem ranhuras têm baixas perdas de núcleo em altas velocidades (geralmente não vistas em aplicações de EO/IR) e podem ser efetivamente usados para aplicações de baixo peso, baixo torque e condições estáveis. Eles são menos eficazes em aplicações de EO/IR altamente dinâmicas.  

Mesmo que o torque de cogging seja eliminado em um motor sem ranhuras devido à falta de dentes na laminação, ele ainda apresenta ripple de torque. Como o motor precisa estar em um estado energizado para produzir torque, o benefício de não se ter o torque de cogging é menor. Para aplicações precisas e sensíveis, como EO/IR, o ripple de torque ainda precisa ser eliminado por meio de controles de feedback.

 

Slotless motor illustration

Motores convencionais sem escovas 

Os motores convencionais com laminações de dentes, às vezes chamados de motores ranhurados, têm laminações de aço ranhuradas que são empilhadas em conjunto com enrolamentos de cobre inseridos nessas ranhuras. A parte do estator mais próxima do rotor é chamada de dente, e concentra o fluxo eletromagnético em direção aos ímãs do rotor, concentrando a energia melhor do que um design sem ranhuras .  

Em comparação com um motor sem ranhuras , os motores convencionais proporcionam um bom equilíbrio entre a saída de torque, a constante do motor, a eficiência e a fabricabilidade. Para o seu tamanho, os motores convencionais sem escovas têm uma alta constante de motor com alta eficiência e altas taxas de aceleração com menor inércia. Isso dá a um motor convencional menos reação de armadura em alta corrente, menos ripple de torque e maior torque nominal em baixas velocidades. 

Existem alguns desafios com motores convencionais que têm uma contagem de polos alta. Eles geralmente são menos eficientes e têm menor torque em altas velocidades. Mas a maior questão levantada contra os motores convencionais é a presença de torque de cogging. No entanto, como explicamos acima, quando se trata de aplicações de baixa velocidade e alto torque, o torque de cogging é menos um problema do que o torque por volume em um estado energizado.

 

Slotted cogging effects illustration

Superando o torque de cogging 

Os motores convencionais, com seu maior torque por volume, eficiência e saída, são mais adequados para sistemas de baixa velocidade, como aplicações EO/IR altamente dinâmicas. Eles também se destacam em sua fabricabilidade. Através de vários designs coprojetados e padrão, conseguimos minimizar o torque de cogging em motores convencionais. Por exemplo, escolher as combinações de ranhura/polo certas pode minimizar o torque de cogging. Outras considerações incluem: 

  • Kw ou fator de enrolamento, que determina a eficácia da interface entre o fluxo magnético e o enrolamento.  
  • Inserção de enrolamento, como enrolamento de agulha com preenchimento de ranhura moderado ou enrolamento manual com um fator de preenchimento de ranhura mais alto. No entanto, as combinações de ranhura/polo mais altas levam mais tempo para enrolar e têm voltas finais mais longas. 
  • Reação de armadura. As combinações de ranhura/polo inferior têm mais reação de armadura. 

Existem várias outras opções de design e etapas que podemos seguir para minimizar o impacto do torque de cogging. Eles podem reduzir a eficiência do motor, mas com base no design do sistema, eles podem não ser necessários: 

  • extensão do polo (largura dos ímãs). 
  • Moldagem do ímã. 
  • Abertura da ranhura e design da ponta do dente. 
  • Inclinação de empilhamento para redução de até 90% do torque de cogging.

 

Stator Teeth Skew illustration

Motores convencionais ainda são a primeira escolha 

Em sistemas em que é necessário um funcionamento suave, altas taxas de aceleração e alta constante de torque, os motores convencionais sem escovas ainda são a primeira escolha. Quando a carga é baixa, um motor sem ranhuras pode ser uma boa alternativa. No entanto, eles não têm a variedade de desempenho para aplicações agressivas de torque mais alto. Os sistemas EO/IR de baixa velocidade e alto torque precisam de torque superior por volume para criar sistemas suaves e estáveis que corrijam as perturbações ambientais e reduzam os requisitos de processamento de computação. Os motores convencionais sem escovas podem produzir maiores torques de pico, enquanto os motores sem ranhuras não funcionam tão bem nessas aplicações de torque médio a alto.  

A Kollmorgen tem a experiência de coengenharia para projetar motores convencionais que atendam às necessidades dos sistemas EO/IR, minimizando o torque de cogging. Pronto para descobrir do que a sua aplicação é capaz? 

Sobre o Autor

Kollmorgen Experts

Esse blog foi um esforço colaborativo do time de motion e dos experts em automação na Kollmorgen, incluindo especialistas da engenharia, atendimento ao cliente e de desenvolvimento de projetos. Sempre que você começar um projeto, estamos aqui para ajudá-lo.

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