Como Selecionar E Adaptar Uma Bobina Com Base No Ponto De Trabalho Necessário Do Motor E Na Fonte De Alimentação

INTRODUÇÃO

Independentemente de sua construção, um motor DC está sempre executando o mesmo trabalho: converter energia elétrica (DC) em energia mecânica. A tensão e a corrente fornecidas ao motor serão convertidas em torque de saída e velocidade de rotação do eixo do motor. No entanto, muitas aplicações (por exemplo, dispositivos médicos portáteis, como bombas de infusão) exigem não apenas qualquer motor DC, mas um motor que execute essa tarefa com a mais alta eficiência para obter uma solução confiável e duradoura. Normalmente, é aqui que um motor DC sem ferro entra em ação.(Figura 1)

Considerando como exemplo que o motor deva operar continuamente a cerca de 7.000 rpms e um torque de 4 mNm, o motor precisaria fornecer 2,9W de potência contínua. Um motor DC sem ferro Portescap 16DCT Athlonix™ com comutação de metal precioso é uma boa opção neste exemplo, pois suporta uma potência máxima contínua de até 4,2 W (consulte a figura 2).

Sabendo que este motor pode fornecer a potência contínua necessária, resta apenas selecionar a bobina do motor. Para escolher a bobina do motor certa, é essencial entender os dois pontos a seguir:

O torque máximo contínuo de um motor DC depende de sua capacidade de dissipar calor e, portanto, principalmente de suas dimensões. Mudar a bobina de um motor DC não afetará seu torque máximo contínuo.
A troca da bobina permite adaptar o motor à fonte de alimentação disponível (tensão e corrente) para criar uma solução de motor eficiente.

No artigo a seguir, daremos primeiro uma olhada rápida nas fórmulas importantes envolvidas na seleção de uma bobina de motor DC. Em seguida, veremos diferentes cenários onde várias fontes de alimentação estão disponíveis e mostraremos seu impacto na seleção da bobina para melhor entendermos os pontos mencionados acima.

REVISÃO DA TEORIA

Torque
O torque produzido por um motor DC pode ser descrito com a seguinte relação: o torque de saída produzido é igual à constante de torque do motor multiplicada pela corrente consumida.

Se desenvolvermos ainda mais a constante de torque até sua dependência básica, podemos representar a mesma fórmula como:

Os parâmetros "r", "l" e "B" dependem do motor escolhido e de suas dimensões. Portanto, para projetar bobinas diferentes com constantes de torque diferentes, o número de voltas "N" da bobina é variado.

VELOCIDADE

A velocidade de rotação de um motor DC pode ser descrita com a seguinte relação:

Ao olhar para um tamanho de motor específico (por exemplo, 16 mm de diâmetro e 25 mm de comprimento), o fator de regulação do motor R/kM2 é constante em diferentes bobinas. Desconsiderando o atrito, a velocidade em vazio ω0 do motor é definida pela tensão de alimentação disponível e a constante de torque da bobina: (Figura 3)

O exemplo acima mostra claramente porque bobinas diferentes para um motor específico estão disponíveis para escolher: todas as bobinas mostradas são capazes de atingir o mesmo ponto de trabalho, por exemplo, a 5500 rpm e um torque de 5 mNm, porém com tensões de alimentação e requisitos de corrente diferentes. A bobina é, portanto, escolhida para adaptar o motor à fonte de alimentação disponível.

EFICIÊNCIA E POTÊNCIA MECÂNICA

A eficiência é definida como a saída de potência mecânica dividida pela entrada de energia elétrica:

Os motores DC da Portescap normalmente alcançam até 90% de eficiência graças ao seu design sem ferro e circuito magnético otimizado. Porém, além do atrito, parte da energia elétrica sempre será perdida principalmente devido ao calor gerado pela corrente que passa pelo fio de cobre da bobina. Essas perdas de calor são chamadas de perdas de Joule e são proporcionais à resistência da bobina multiplicada pelo quadrado da corrente. (Figura 4)

Para alcançar alta eficiência, o objetivo deve ser, portanto, criar a potência mecânica máxima com as perdas de joule mais baixas possíveis. Isso é feito utilizando o motor em alta velocidade e baixo torque, como pode ser visto no gráfico a seguir. (Figura 5)

Mesmo que a potência mecânica de um motor DC seja maior quando ele é usado na metade de seu torque de estol, sua eficiência é muito maior com um torque mais baixo devido à menor corrente do motor e, portanto, menores perdas de joule. Para usar o motor na velocidade mais alta possível e, portanto, a maior eficiência, a bobina do motor é selecionada de acordo.

COMO ESCOLHER A BOBINA CERTA, COM BASE NAS BOBINAS DE CATÁLOGO DISPONÍVEIS

Ao identificar a solução certa para o motor, personalizar a bobina nem sempre é uma opção. O desenvolvimento de uma nova bobina requer tempo e dinheiro investidos pelo cliente e pelo fabricante do motor. Portanto, esta primeira seção se concentrará na escolha da bobina certa apenas entre as bobinas do catálogo disponíveis.

Cenário 1 – Alimentação de fonte de tensão

Vejamos o mesmo exemplo da introdução, mas considerando bem a fonte de alimentação disponível:

Ponto de Trabalho: operação contínua em torno de 7000 rpm a um torque de 4 mNm, igual a 2,9 W
Motor escolhido: Portescap 16DCT Athlonix™ DC sem ferro, potência de saída contínua máx. = 4,2 W
Fonte de alimentação disponível: fonte de tensão com tensão fixa de 10,8 V

A bobina 213E e a bobina 211E parecem ser uma escolha razoável, pois foram projetadas para operar a aproximadamente 8.000 rpm a 9V e 12V, respectivamente. A velocidade e a corrente do motor no ponto de trabalho com tensão de alimentação de 10,8 V podem ser calculadas usando a fórmula introduzida na introdução e os parâmetros da bobina disponíveis na ficha técnica: (Figura 6).

Torna-se evidente que apenas a bobina 213E pode atingir uma velocidade acima de 7.000 rpm com a tensão de alimentação e torque de carga disponíveis. Com uma fonte de tensão, há apenas uma correspondência mais próxima para selecionar uma bobina de catálogo. Para otimizar o motor escolhendo a melhor bobina possível, é necessária uma fonte de corrente.

Cenário 2 – Alimentação de fonte de corrente

Neste segundo cenário, em vez de uma fonte de tensão, uma fonte de corrente está disponível para atingir o mesmo ponto de trabalho:

Ponto de Trabalho: operação contínua acima de 7000 rpm a um torque de 4 mNm, igual a 2,9 W
Motor adequado: Portescap 16DCT Athlonix™ DC sem ferro, potência de saída contínua máx. = 4,2 W
Fonte de alimentação disponível: fonte de corrente, corrente cont. máx. disponível = 1 A, 1-15 V

A fonte de corrente disponível pode fornecer uma corrente contínua de no máximo 1 A, dentro de uma faixa de tensão de 1 a 15 V. Com a tensão de alimentação sendo flexível, uma faixa muito mais ampla de bobinas de catálogo disponíveis pode ser considerada para atingir o ponto de trabalho. A tensão necessária para atingir o ponto de trabalho a 7.000 rpm e 4 mNm pode ser calculada usando a fórmula apresentada na seção de Revisão da Teoria deste informe técnico. Da mesma forma que no primeiro cenário, a corrente necessária para atingir o ponto de trabalho é calculada na etapa de 2 segundos.

Ambas as bobinas 219P e 207P não são uma opção, pois requerem uma tensão respectivamente, uma corrente fora da faixa disponível. A bobina 219E é a mais eficiente dessas três bobinas se a eficiência total for o critério. No entanto, na maioria dos casos, a bobina com o menor consumo de corrente é a melhor escolha. Um menor consumo de corrente resultará em uma vida útil mais longa do sistema de comutação e aumentará o número de ciclos com uma única carga de bateria para aplicações alimentadas por bateria.

Neste cenário, com uma alimentação de fonte de corrente, a bobina 211E consome quase metade da corrente em comparação com a bobina 219E e, portanto, é a melhor escolha entre as bobinas de catálogo disponíveis. Em comparação com a bobina 213E selecionada no cenário 1 com uma alimentação de fonte de tensão, isso permite diminuir o consumo de corrente do motor em quase 25%, atingindo o mesmo ponto de trabalho.

ADAPTE UMA BOBINA À FONTE DE ALIMENTAÇÃO DISPONÍVEL CASO NÃO ESTEJA DISPONÍVEL NO CATÁLOGO (Figura 7)

No segundo cenário, é possível atingir o ponto de trabalho desejado usando uma bobina de catálogo, graças à disponibilidade de uma alimentação de fonte de corrente. No entanto, considerar as bobinas disponíveis apenas no catálogo pode nem sempre permitir que se atinja o ponto de trabalho desejado. Nesse caso, é melhor considerar uma bobina de design personalizado que seja adaptada à fonte de alimentação, conforme mostrado no exemplo abaixo.

Ponto de Trabalho: operação contínua acima de 6.000 rpm a um torque de 4 mNm, igual a 2,5 W
Motor adequado: Portescap 16DCT Athlonix™ DC sem ferro, potência de saída contínua máx. = 4,2 W
Fonte de alimentação disponível: 7 V, limitação de corrente = máx. 0,5 A

O catálogo oferece duas bobinas que são projetadas para aproximadamente 8.000 rpm sem carga e resp. 6 V e 9 V; no entanto, ambas as bobinas são muito lentas ou muito rápidas em 7 V. Além disso, o consumo de corrente da bobina 219E é um problema:

Para atingir o ponto de trabalho desejado, uma bobina fora da faixa de catálogo disponível é necessária. Isso será alcançado projetando uma bobina especial, que terá um número de voltas entre a bobina 219E e 213E. Um fabricante de motores dedicado é capaz de projetar e propor uma nova bobina conforme descrito acima, dependendo do tamanho do projeto. (Figura 8).

PRINCIPAIS APRENDIZADOS

Os seguintes pontos são cruciais ao selecionar um motor DC para uma aplicação que requer alta eficiência:

O tamanho do motor é escolhido dependendo da potência mecânica necessária. Somente um motor grande o suficiente é capaz de desenvolver o torque necessário, além de dissipar o calor gerado pelas perdas no motor.
Ao escolher a bobina do motor, a alimentação disponível deve ser respeitada. Um fornecedor de motores normalmente oferece um conjunto de bobinas que podem atingir o mesmo ponto de trabalho com diferentes requisitos de tensão e corrente.
Para uma solução de motor com alta eficiência, a potência mecânica necessária deve ser criada com alta velocidade e baixo torque. Isso pode ser obtido selecionando uma bobina que aproveite ao máximo a fonte de alimentação disponível.

Um provedor de soluções de movimento dedicado pode apoiar os clientes na identificação da solução de movimento certa para uma aplicação, levando em conta as considerações acima.

FALE COM UM ENGENHEIRO

Figura 1 – Design de um motor DC sem ferro Portescap
Figura 2 – Extrato da folha de dados de um Portescap 16DCT (bobinas acima de 15 V não mostradas)
Figura 3 – Velocidade e corrente do motor em dependência do torque para um 16DCT com três bobinas diferentes
Figura 4 – Ao converter potência elétrica em mecânica com um motor DC, o atrito e o calor levarão a perdas
Figura 5 – Eficiência e potência mecânica de um 16DCT 26P1 219P .1 em 3V
Figura 6 – Comparação de velocidade e corrente entre a bobina 213E e 211E a 10,8 V
Figura 7 – Comparação de velocidade e corrente entre a bobina 219E, 213E e 211E usando uma fonte de corrente
Figura 8 – Comparação de velocidade e corrente entre a bobina 219E e 213E a 7V