Os sistemas de movimento linear são encontrados em inúmeras máquinas, incluindo sistemas de corte a laser de precisão, equipamentos de automação de laboratório, máquinas de fabricação de semicondutores, máquinas CNC, automação de fábrica e muitos outros numerosos demais para serem listados. Eles variam desde relativamente simples, como um atuador de assento barato em um veículo de passageiros, até um complexo sistema de coordenadas multieixo completo com controle e acionamento eletrônico para posicionamento em circuito fechado. Não importa quão simples ou complexo seja o sistema de movimento linear, no nível mais básico, todos eles têm uma coisa em comum: mover uma carga através de uma distância linear em um período de tempo específico.

Uma das questões mais comuns ao projetar um sistema de movimento linear centra-se na tecnologia do motor. Uma vez escolhida a tecnologia, o motor precisa ser dimensionado para atender às demandas de aceleração da carga, superando o atrito no sistema e superando o efeito da gravidade, tudo isso mantendo uma temperatura operacional máxima segura. O torque, a velocidade, a potência e a capacidade de posicionamento do motor são uma função do projeto do motor, juntamente com o acionamento e o controle.

COM QUE MOTOR DEVO COMEÇAR?

Há muitas questões de aplicação a serem consideradas ao projetar um sistema de movimento linear usando uma tecnologia de motor específica. Uma explicação exaustiva de todo o processo está além do escopo deste artigo. A intenção é fazer com que você pense em fazer as perguntas certas ao conversar com um fornecedor de automóveis.

Não existe o melhor motor para cada aplicação, mas sim o melhor motor para uma aplicação específica. Na grande maioria das aplicações de movimento incremental, a escolha será um motor de passo, um motor CC com escovas ou um motor CC sem escovas. Os sistemas de movimento mais complexos podem utilizar motores lineares acoplados diretamente à carga, evitando a necessidade de conversão de potência mecânica; não há necessidade de translação através de um parafuso de avanço/fuso de esfera, caixa de engrenagens ou sistema de polias. Embora a máxima precisão, repetibilidade e resolução de posicionamento possam ser alcançadas com sistemas servo lineares de acionamento direto sem núcleo, eles apresentam o maior custo e complexidade quando comparados com motores rotativos. Uma arquitetura que utiliza motores rotativos é muito mais barata e atenderá à maioria das aplicações de movimento linear; entretanto, alguns meios de conversão “rotativo para linear” (e, como resultado, conversão de energia) são necessários para acionar a carga.

Motores de passo, com escova e sem escova são considerados motores CC; entretanto, existem sutilezas que farão com que um engenheiro favoreça um tipo em detrimento dos outros dois em uma aplicação específica. Deve-se ressaltar que esta escolha é altamente dependente dos requisitos de projeto do sistema, não apenas em termos de velocidade e torque, mas também da precisão de posicionamento, repetibilidade e requisitos de resolução. Não existe um motor perfeito para cada aplicação e todas as decisões exigirão compensações de design. No nível mais básico, todos os motores, sejam eles chamados de CA ou CC, com escova, sem escova ou qualquer outro motor elétrico, operam sob o mesmo princípio da física para gerar torque: a interação de campos magnéticos. Existem diferenças dramáticas, no entanto, na forma como estas diversas tecnologias de motores respondem em aplicações específicas. O desempenho geral do motor, a resposta e a geração de torque dependem do método de excitação do campo e da geometria do circuito magnético inerente ao projeto físico do motor, do controle da tensão e corrente de entrada pelo controlador/drive e do método de feedback de velocidade ou posição, se o aplicação exige.

As tecnologias de motor de passo DC, servo com escova e servo motor sem escova usam uma fonte DC para alimentá-los. Para aplicações de movimento linear, isso não significa que uma fonte fixa de CC possa ser aplicada diretamente aos enrolamentos do motor; a eletrônica é necessária para controlar a corrente do enrolamento (relacionada ao torque de saída) e a tensão do enrolamento (relacionada à velocidade de saída). Listado abaixo está um resumo dos pontos fortes e fracos das 3 tecnologias.

O projeto do sistema linear começa com a massa da carga e a rapidez com que a massa precisa se deslocar do ponto A ao ponto B. O tipo, tamanho e projeto mecânico do motor começam com a potência (watts) necessária para mover a carga. Começando com a carga e, finalmente, percorrendo todos os componentes até a fonte de alimentação do inversor, a análise consiste em uma série de etapas para compreender a conversão de energia de uma parte do sistema para outra, ao mesmo tempo em que considera as diversas eficiências dos componentes intermediários. Watts na forma de tensão e corrente no inversor acabarão se traduzindo em watts de saída mecânica movendo uma determinada carga em um período específico de tempo.

Para obter uma indicação da potência de saída necessária na carga, um simples cálculo de potência ajudará a estimar um motor. Depois de compreender a potência média de saída necessária, conclua a análise dos requisitos de potência voltando ao motor e passando pelos vários elementos de conversão de potência. Os dados dos fabricantes devem ser referenciados para ter em conta a eficiência dos vários componentes, pois isso acabará por determinar o tamanho do motor e da fonte de alimentação. É uma preferência pessoal com quais unidades trabalhar, mas as unidades SI são altamente recomendadas. Trabalhar em unidades SI evita a necessidade de lembrar múltiplas constantes de conversão, e o resultado final sempre pode ser convertido novamente em unidades inglesas.

QUANTA ENERGIA É NECESSÁRIA PARA MOVER A CARGA NO TEMPO NECESSÁRIO?

Uma massa de 9 kg levantada contra a gravidade exigirá uma força de cerca de 88N. O cálculo dos watts necessários para mover a carga fornecerá um ponto de partida para determinar os componentes do resto do sistema. Esta é a potência média necessária para mover verticalmente uma massa de 9 kg do ponto A ao ponto B em 1 segundo. Perdas do sistema, como fricção, não estão incluídas. A potência necessária do eixo do motor será um pouco maior e depende dos outros componentes utilizados no sistema, como a caixa de engrenagens e o parafuso de avanço.

P = (F × S) /t

P = (88N × 0,2m) / 1,0s = 17,64w

Isso é diferente da potência de pico que será exigida do sistema. Uma vez levadas em conta a aceleração e a desaceleração, a potência instantânea durante o perfil de movimento será um pouco maior; entretanto, a potência média de saída necessária na carga é de cerca de 18 watts. Após uma análise minuciosa de todos os componentes, um sistema como este exigirá cerca de 37W de potência de pico para realizar o trabalho. Essas informações, juntamente com diversas outras especificações de aplicação, ajudarão agora a escolher a tecnologia de motor mais adequada.

QUE TECNOLOGIA MOTOR DEVO CONSIDERAR?

Excelente capacidade de posicionamento e controles relativamente simples levariam um projetista a considerar primeiro a possibilidade de usar um motor de passo. Um motor de passo, no entanto, não atenderia ao requisito de uma pequena pegada mecânica e ao mesmo tempo atenderia às demandas de carga. Um requisito de potência de pico de 37 watts exigiria um motor de passo muito grande. Embora os motores de passo possuam um torque muito alto em baixas velocidades, a velocidade de pico e, portanto, a necessidade de potência do perfil de movimento excede a capacidade de todos os motores de passo, exceto os maiores.

Um servo motor CC com escova atenderia aos requisitos de carga, ocuparia pouco espaço mecânico e teria rotação muito suave em baixas velocidades; entretanto, devido aos rígidos requisitos de EMC, provavelmente é melhor evitar o motor da escova para esta aplicação específica. Esta seria uma alternativa menos dispendiosa em comparação com um sistema sem escovas, mas pode apresentar dificuldade em cumprir quaisquer requisitos rigorosos de EMC.

O motor DC sem escovas usando um sistema de acionamento senoidal seria a primeira escolha para atender a todos os requisitos da aplicação, incluindo o perfil de carga e movimento (alta densidade de potência); movimento suave e sem engrenagens em baixas velocidades; e uma pequena pegada mecânica. Neste caso, ainda haverá o potencial de uma assinatura EMI devido à comutação de alta frequência da eletrônica do inversor; no entanto, isso pode ser mitigado usando filtragem em linha devido a uma banda de frequência mais estreita. Um motor DC com escova exibe uma assinatura EMI de banda mais ampla, tornando mais difícil a filtragem.

O DIMENSIONAMENTO DO MOTOR É APENAS O COMEÇO

Este artigo foi uma breve discussão para apresentar ao projetista diversas considerações ao escolher uma tecnologia de motor para uma aplicação de movimento linear relativamente simples. Embora os princípios sejam idênticos para um sistema mais complexo, como uma mesa XY ou um mecanismo de seleção e posicionamento de precisão multieixos, cada eixo precisará ser analisado quanto à carga de forma independente. Outra consideração fora do escopo deste artigo é como escolher um fator de segurança adequado para atender a vida útil desejada do sistema (número de ciclos). A vida útil do sistema não depende apenas do tamanho do motor, mas também de outros elementos mecânicos do sistema, como a caixa de engrenagens e o conjunto do parafuso de avanço. Outros fatores, como precisão de posicionamento, resolução, repetibilidade, rotação máxima, inclinação e guinada, etc. são considerações importantes para garantir que o sistema de movimento linear atenda ou exceda as metas da aplicação.