Parâmetros Físicos Que Afetam O Torque De Travamento De Um Motor DC Sem Escovas

O torque de travamento é o torque disponível em um motor, no qual a velocidade de rotação de saída é zero. Os motores em uma condição de travamento podem estar sujeitos a superaquecimento e possíveis danos se a corrente que flui sob essas condições se tornar mais alta do que a corrente contínua máxima permitida. O objetivo deste documento é explicar quais parâmetros contribuem para a tolerância e variação do valor de torque de travamento de um motor DC sem escovas.

COMO CALCULAR O TORQUE DE TRAVAMENTO

O torque de travamento da de um motor DC sem escovas é dado por:

Parte das perdas em um motor DC sem escovas é devido ao atrito dos rolamentos (T atrito estático) – normalmente rolamentos de esferas. O atrito está relacionado ao tamanho do rolamento, à força de pré-carga, à carga real do rolamento, a vedação, se houver, e ao tipo/quantidade de lubrificante. Neste informe técnico, iremos desprezar o atrito estático assumindo que o torque de travamento é muito maior, o que pode não ser necessariamente verdadeiro para todos os casos, ao considerar a condição de travamento.

O QUE ESTÁ CONTRIBUINDO PARA NOSSA TOLERÂNCIA PADRÃO?

Vamos agora entender os fatores que contribuem para a tolerância de torque de travamento, com base na equação acima.

Valor constante de torque: ±10%
A constante de torque kt tem uma tolerância típica de ±10%. Isso é causado pela variação da força magnética do ímã permanente, ou seja, variação da remanência do ímã. A remanência é uma propriedade física do material magnético, que é a quantidade de magnetização que permanece no campo zero após a aplicação de um grande campo magnético. A tolerância desse valor depende da capacidade dos processos de fabricação do fornecedor, geralmente em torno de ±2,5%.

A última parte da tolerância (±7,5%) é principalmente devido ao ajuste de fase, com tolerâncias mecânicas tendo um impacto menor. A tolerância de configuração de fase pode ser reduzida por meio de processos mais automatizados. Outra solução poderia ser desmagnetizar o motor com precisão, o que garantiria uma tolerância mais estreita do valor da constante de torque na faixa de poucos %. No entanto, isso diminuiria ligeiramente o desempenho do motor.

Resistência da bobina: ± 8%
A resistência de fase do motor (ohms) também afeta a tolerância padrão, com base na mesma equação (1), e geralmente é dada por ±8%. Isso se deve à variação no comprimento do fio ao enrolá-lo, bem como à variação do diâmetro na formação da bobina. Isso é inerente ao processo de fabricação.

Cálculo teórico da incerteza sobre o valor de torque de travamento
Agora vamos calcular a incerteza do valor do torque de travamento. Ao aplicar uma função logarítmica à fórmula acima e diferenciá-la, podemos obter diretamente a incerteza absoluta sobre o valor de torque de travamento como:

Como a tensão de entrada U é uma constante, ao diferenciar a equação acima, obtemos:

Colocando em números:

A incerteza absoluta no valor do torque de travamento é, portanto, 18%.

Vamos agora estudar o comportamento do motor DC sem escovas 16ECP52-8B-112 da Portescap. Considerando a constante de torque e o valor da resistência no limite de suas tolerâncias (tabela 1), obtemos uma velocidade de saída conforme mostrado na Figura 1 abaixo:

Parâmetros elétricos DC 1 2
Constante de torque [mNm/A] 16,56 20,24
Resistência [Ohm] 6,7 5,7
Tensão de alimentação [V] 24,0 24,0
Sem corrente de carga [mA] Insignificante Insignificante
Torque de travamento [mNm] 59,3 85,2

Tabela 1 - 16ECP52-8B-112 Valores calculados

Os parâmetros do motor são medidos a 24 V, considerando as tolerâncias extremas dos valores da resistência e da constante de torque. A faixa de tolerância é dada por (85,2 – 59,3), ou seja, 25,9 mNm, e a tolerância absoluta é dada por (25,9 / (59,3 + 85,2)/2), ou seja, ± 18%.

O QUE ESTÁ INFLUENCIANDO O VALOR DO TORQUE DE TRAVAMENTO?

Um fator ambiental importante é a temperatura, que pode ser um fator extrínseco (temperatura ambiente) ou um fator intrínseco (perdas de joule da bobina), ou ambos. Essa é a razão pela qual a resistência de fase é sempre dada para uma determinada temperatura, que normalmente é a temperatura ambiente de 22 °C.

Além disso, você precisará de um controlador para acionar o motor. Dependendo do tipo de controlador, ele terá um impacto direto na forma como você energiza as fases do motor e, portanto, terá um impacto no desempenho do motor na condição de travamento.

IMPACTO TÉRMICO

Consideremos primeiro o impacto térmico, nomeadamente a influência da temperatura.

Resistência do enrolamento
A resistência fase a fase do motor pode ter um impacto significativo nos desempenhos reais, uma vez que a resistência de fase R depende em grande parte da temperatura:

A temperatura de resistência é, portanto, diretamente proporcional à temperatura da bobina com um aumento linear de 0,39%/°C.

Remanência do ímã
A temperatura terá um impacto na remanência do ímã, que então terá um impacto na constante de torque do próprio motor. Se soubermos o ponto de trabalho no qual o ímã está operando, então podemos derivar das curvas B/H do ímã (característica física fornecida pelos fornecedores de ímã) o impacto da temperatura na remanência. Com ímãs típicos usados em motores DC sem escova, assumindo que a temperatura permaneça abaixo da temperatura de desmagnetização, o aumento da temperatura resultará em uma queda da constante de torque kt de aproximadamente 0,11% / °C.

MÉTODO DE ACIONAMENTO
Alémde impactar o torque de travamento, o método de condução também afetará o desempenho e o comportamento do motor, como nível de vibração, suavidade de operação ou ruído. Vamos ver como o motor se comporta para cada um desses três métodos de acionamento.

Método de controle convencional usando sensores Hall (Drivers de 6 etapas)
Consideremos um motor DC sem escovas típico com 3 fases e um par de polos, que é o caso mais fácil de entender. Esses motores DC sem escovas podem ser equipados com 3 sensores Hall deslocados em 120 graus elétricos, a fim de detectar a posição do rotor.

Os 3 sensores digitais Hall geram sinais de saída alta ou baixa dependendo da direção do fluxo do rotor, portanto, geram uma mesa de comutação lógica de 6 etapas em 360° graus elétricos, que é igual a uma rotação do motor para um polo par de motor. Em seguida, o driver energiza as fases corretas para manter o ângulo entre o fluxo do estator e o fluxo do rotor próximo a 90°, de modo que maximize o torque gerado. Veja a Figura 2 abaixo a forma típica da corrente de fase vs. cada estado lógico dos 3 sensores Hall.

Por ser uma comutação discreta de 6 etapas, o torque gerado não será constante e estará sujeito a ondulação. Consulte a Figura 3 abaixo, que mostra a forma da BEMF vs. 360° e a forma derivada da BEMF. O torque de saída do motor teria exatamente a mesma forma.

Na figura 3 o torque é mostrado como uma curva preta e varia entre um valor mínimo e máximo. O torque é mínimo quando a comutação ocorre em 0°, 60°, etc. É máxima entre duas comutações (30°, 90°, etc.). A variação do torque equivale a 13,4% do torque máximo disponível.

Veja o exemplo de uma aplicação de pinça elétrica, em que as hastes agarram e seguram um objeto. Nesse caso, o motor acionará o sistema mecânico e atingirá as condições de travamento quando o objeto for agarrado. Neste momento, o torque de resistência será igual ao torque do motor. Ao agarrar o objeto, o torque de carga refletido no eixo do motor pode ser assimilado a uma mola de alta rigidez. É representado pela curva de inclinação em vermelho, enquanto o torque do motor tem uma forma típica de ondulação e é representado em azul na figura 4. A intersecção entre essas duas curvas, destacada pelo ponto vermelho na figura 4, representa a posição de equilíbrio na qual o motor irá parar. Pode-se ver que o torque de travamento real do motor estará dentro da faixa de tolerância de 13,4% da ondulação de torque.

Controle orientado a campo
Este método de condução aplicará corrente senoidal em cada uma das três fases, conforme mostrado na Figura 5.

A vantagem deste método é que o torque resultante será constante, não importa qual seja a posição do rotor. Isso significa uma operação suave do motor, especialmente em baixa velocidade (perto da condição de travamento).

Além disso, o motor terá um torque um pouco mais alto, até 5% a mais em relação ao torque RMS, em comparação com a operação do driver de 6 etapas. Tomando o mesmo exemplo de aplicação de pinça elétrica, neste caso o torque de aperto será o mesmo, independentemente da posição do rotor, proporcionando assim uma força de aperto consistente.

É representado graficamente na figura 6 pela intersecção entre o torque do motor (linha horizontal em azul) com o torque de carga (curva de inclinação em vermelho).

CONCLUSÃO

A tolerância nos parâmetros elétricos de um motor DC sem escovas tem um impacto significativo no cálculo do valor de torque de travamento. Pode chegar até ±18% combinando as tolerâncias no valor da constante de torque (ímã, configuração de fase) e o valor da resistência (fabricação).

Outros fatores, como variações de temperatura, que podem estar ligadas à própria aplicação ou ao aquecimento do motor, também terão um impacto significativo nos parâmetros elétricos do motor.

Variações devido à tolerância e perturbações térmicas são inerentes ao mundo real, e os engenheiros de projeto precisam considerá-las ao selecionar o motor DC sem escova certo para sua aplicação.

A seleção do controlador também é um fator importante a se levar em consideração, pois a própria tecnologia de acionamento terá impacto sobre o desempenho e travamento.

 

FALE COM UM ENGENHEIRO

Figura 1 - 16ECP52-8B-112 Curvas de velocidade de torque para casos de tolerância extrema
Figura 2 - Corrente de fase vs. Relação de sincronização do sensor Hall
Figura 3 - BEMF de fase e BEMF total acima de 360°
Figura 4 - Ondulação de torque do motor e intersecção de torque de carga
Figura 5 - Corrente de fase de forma senoidal acima de 360°
Figura 6 - Ondulação de torque do motor e intersecção de torque de carga