Sistemas motores: el éxito a través de enfoques interdisciplinarios

La tecnología motriz es un componente básico para el rendimiento de las máquinas, los robots y los dispositivos manuales portátiles. Sin embargo, además del diseño y la selección del motor, hay muchas otras variables que deben tenerse en cuenta. Un pensamiento interdisciplinario, conocimientos específicos de ingeniería, una gran experiencia y una comprensión clara de los requisitos son factores fundamentales.

Cualquier tipo de progreso tecnológico debe centrarse en la aplicación. En algún momento, las características de rendimiento mejoradas o las nuevas tecnologías deben materializarse en una mejor calidad y/o reducción de costes. En el ámbito de la tecnología motriz de las máquinas y los dispositivos manuales portátiles, esto significa que:

• Una mejor dinámica aumenta la producción.
• Un control más rápido de los motores mejora la precisión y la calidad del producto.
• Un sistema motor más eficiente mejora la eficiencia energética del sistema completo.

Para alcanzar estos objetivos, los sistemas motores deben seleccionarse dentro del contexto general de la aplicación y sus requisitos.

Visión de conjunto

El primer paso para definir y optimizar un sistema motor es comprender y priorizar correctamente los requisitos técnicos y comerciales del sistema final, que puede ser una máquina, un robot o un dispositivo manual portátil. Es fácil perder la visión de conjunto y centrarse únicamente en los aspectos relevantes del propio campo de experiencia. Por regla general, la selección del motor tiene lugar durante el diseño. Sin embargo, el rendimiento, los costes y las limitaciones de una solución motriz están influidos por multitud de factores y otros componentes del sistema. Por ello, es imprescindible recurrir al know-how de expertos en distintos ámbitos durante la fase de ideas y la de conceptualización.

Fuentes de conocimiento

El enfoque de sistemas y la interdisciplinariedad son dos factores clave para el éxito que deben tenerse en cuenta desde el diseño del concepto hasta la implementación en la producción a gran escala. A veces resulta imposible cubrir internamente todas las competencias al mismo nivel en la propia empresa. Los socios externos con gran experiencia ofrecen la oportunidad de realizar un amplio intercambio interdisciplinar de ideas. Lo ideal es que el socio sea capaz de asumir la responsabilidad de desarrollar y producir sistemas parciales, reducir los riesgos del desarrollo y acelerar el lanzamiento al mercado.

maxon = sistemas motores e ingeniería

Con más de 50 años de experiencia y más de 2800 empleados en todo el mundo, el volumen de conocimiento de maxon va más allá de los «simples» motores eléctricos. Con su departamentos de desarrollo y la producción en la propia empresa, el catálogo de maxon incluye motores DC con escobillas y sin escobillas, reductores, husillos, encoders, controladores de motor, controladores maestros y sistemas de gestión de baterías. Los componentes de maxon y sus sistemas motores específicos para el cliente se utilizan en la robótica, la ingeniería médica y de laboratorios, la automatización industrial, la industria automovilística y en aplicaciones aeroespaciales desde la Tierra hasta Marte. En muchos proyectos, el factor clave no es solo la variedad de productos, sino también la interdisciplinariedad y la gran experiencia de los equipos de aplicación de maxon, así como en la posibilidad de desarrollar soluciones motrices completamente nuevas. Los expertos de maxon en motores, reductores, sistemas electrónicos y control ofrecen asistencia en las primeras fases de intercambio de ideas y conocen los requisitos de los campos de aplicación específicos. Cuando echamos un vistazo a los componentes individuales y a los factores que influyen en ellos, nos damos cuenta de la necesidad de abarcar varios campos de conocimiento para crear un sistema motor.

De arriba abajo: el maestro

Una «inteligencia» de orden superior, conocida como maestro, transmite comandos de movimiento al controlador de motor y solicita información del proceso (p. ej., par, velocidad, posición, estado).

• La manera en la que el maestro y el controlador de motor comparten las tareas es fundamental para evaluar el rendimiento necesario y seleccionar el maestro, el controlador de motor y la interfaz de comunicación.
• Si las máquinas necesitan un rápido intercambio cíclico de datos (p. ej., cada milisegundo), se requiere un maestro con un sistema que funcione en tiempo real (p. ej. un PLC) y una interfaz rápida (p. ej. CAN, EtherCAT).
• Si el controlador de motor permite configurar previamente secuencias de movimiento complejas y ejecutarlas de forma autónoma, basta con utilizar un PC (lo habitual en la automatización de laboratorios) o un microcontrolador (como se utiliza en dispositivos manuales portátiles como destornilladores y taladros en la automatización industrial o la tecnología médica).

maxon: motores DC/BLDC y controladores de posicionamiento.

El controlador de motor

El controlador de motor es el vínculo entre el maestro de orden superior y los motores, así como los dispositivos de retroalimentación (p. ej. encoders). Los controladores y la etapa de potencia se utilizan para convertir los comandos de corriente, velocidad y posición en tensiones y corrientes en las fases del motor.

• Los ciclos rápidos del controlador y los algoritmos complejos permiten la ejecución de movimientos precisos y dinámicos del motor.
• Las etapas de potencia de última tecnología suministran las corrientes máximas requeridas para una rápida aceleración. Tienen una alta eficiencia energética. El motor integrado y los filtros de señales mejoran la compatibilidad electromagnética (CEM) y la inmunidad al ruido.

El encoder

El control de velocidad y posicionamiento requiere dispositivos de retroalimentación (los llamados encoders o escalas lineales) para recabar información sobre la posición actual del motor y/o el eje de salida.

• La resolución y la ubicación de estos encoders determinan los límites de precisión teórica del posicionamiento.

El motor

El motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica, p. ej. en movimiento y par.

• Los motores DC o BLDC con una elevada capacidad de sobrecarga pueden tener un diseño compacto, ya que los pares elevados están disponibles para las fases de aceleración dinámicas a corto plazo.
• Los motores con una baja inercia del rotor reducen el par requerido para acelerar el rotor, lo que incrementa la eficiencia energética y la dinámica.
• La mayor eficiencia del motor, por tanto, mejora la eficiencia energética global y reduce la generación de calor, un factor especialmente importante para dispositivos manuales portátiles.

El reductor

La precisión, la holgura, la elasticidad y la eficiencia del reductor y los conjuntos mecánicos…

• ... determinan la precisión de posicionamiento de salida.
• ... influyen en la dinámica, p. ej. en el tiempo necesario para alcanzar y estabilizar la posición objetivo.
•  ... desempeñan un papel importante en la eficiencia energética.

Desafío: la integración

Con el fin de integrar todos los componentes en una unidad lo más compacta posible, es necesario tener en cuenta los aspectos térmicos del calentamiento recíproco bajo carga. Para evitar costosas modificaciones del diseño, el cálculo de los puntos de funcionamiento y la evaluaciones térmicas del motor eléctrico y el sistema electrónico deben llevarse a cabo al principio o durante la fase de prueba del concepto.

Desafío: el funcionamiento de la batería

Las aplicaciones que funcionan con baterías requieren funciones de optimización de la eficiencia energética y gestión de las baterías.

Door Drive de maxon: motor BLDC, reductor, encoder y controlador de posicionamiento integrados en una unidad compacta.

Ejemplo: sistema motor integrado para puertas

Miles de millones de personas utilizan ascensores cada día. Además de un motor principal, los ascensores utilizan motores compactos para puertas que están instalados en un espacio mínimo encima de la puerta. Los motores «inteligentes» reciben comandos para abrir y cerrar la puerta a través de un sistema de bus. Los motores deben ejecutar dichos estos de forma fiable y cumplir estrictos requisitos de seguridad.

De la mano de uno de los principales fabricantes de ascensores, maxon ha desarrollado el Door Drive, capaz de mover puertas con un peso de hasta 400 kg. Este sistema motor silencioso y energéticamente eficiente integra en una unidad compacta un motor plano EC 90 flat de maxon con alto par, un encoder, una transmisión por correa opcional y un controlador de posicionamiento EPOS. El intercambios de datos tiene lugar mediante CAN. Los algoritmos específicos para el control y la monitorización de las fuerzas garantizan un movimiento de la puerta suave pero dinámico, así como un posicionamiento preciso y una protección contra atrapamiento.

maxon ha diseñado y desarrollado este sistema en colaboración con un cliente, reuniendo el know-how interdisciplinario de los expertos en tecnología de aplicaciones y seguridad, construcción, controladores, desarrollo de sistemas electrónicos, termodinámica y software. Este tipo de solución no se obtiene mediante la simple combinación de componentes: requiere la capacidad de diseñar una solución motriz nueva para una aplicación concreta. maxon es el socio ideal para sistemas motores, controladores y gestión de baterías.

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