Se você já mexeu em um projeto de robótica, um dispositivo médico vestível ou um pequeno dispositivo doméstico automatizado, é provável que você tenha se deparado com a falha frustrante de um pequeno motor de engrenagem CC com mau comportamento - especialmente aquela irritante ondulação de torque. Para aqueles de nós que passaram anos como fornecedores de pequenos motores de engrenagem CC, já ouvi essa reclamação centenas de vezes: um motor que é inconsistente, irregular ou desacelera e acelera inesperadamente quando deveria ser suave, estável e confiável. A ondulação de torque, a flutuação periódica no torque de saída que ocorre toda vez que o eixo do motor gira, não apenas prejudica o desempenho; ele pode prejudicar a precisão de dispositivos delicados, esgotar a vida útil da bateria mais rapidamente e até causar desgaste mecânico ao longo do tempo. Depois de testar milhares de motores e trabalhar diretamente com engenheiros e amadores para resolver seus problemas de torque, compilei estratégias práticas e apoiadas pela ciência para reduzir essa ondulação - e também como nossa linha de motoresMotor de engrenagem DC pequenoOs produtos são adaptados para ajudar as equipes a evitar esses pontos problemáticos comuns desde o início.
Primeiro, vamos explicar por que a ondulação de torque ocorre em pequenos motoredutores CC, porque você não pode resolver um problema que não entende totalmente. Ao contrário dos motores ideais, que produzem torque constante em uma determinada tensão, os pequenos motoredutores CC do mundo real têm lacunas em seu projeto que criam flutuações. Para motores CC escovados - o tipo mais comum em motores de engrenagens pequenas - a ondulação de torque vem de duas fontes principais: ondulação de comutação e ondulação dentada. A ondulação de comutação ocorre quando as escovas (as pequenas peças condutoras que transportam corrente para a armadura) alternam entre os segmentos condutores da armadura. Cada chave cria uma pequena variação na corrente, que se traduz em uma variação no torque. A ondulação dentada, por outro lado, vem da interação entre o núcleo de ferro da armadura e os ímãs permanentes no estator. O núcleo tem dentes minúsculos que puxam em direção aos ímãs do estator, criando resistência em ângulos específicos de rotação – como um ímã tentando grudar em um parafuso de metal e depois se soltando quando você o gira.
Quando você adiciona um trem de engrenagens a um motor CC, a ondulação não apenas permanece pequena – ela é multiplicada. As engrenagens transferem o torque do motor para o eixo de saída, portanto qualquer inconsistência no torque de entrada do motor é amplificada pela relação de transmissão. Uma proporção de 10:1, por exemplo, significa que uma flutuação de torque de 1% no eixo do motor se torna uma flutuação de 10% na saída, o que é um grande problema para dispositivos que precisam de precisão. É por isso que escolher o motor certo para sua aplicação não se trata apenas de tamanho ou potência – trata-se de projetar a ondulação na fonte, e nossoMotor de microengrenagem metálicaA linha é construída especificamente para abordar essas causas principais.
Agora, vamos entrar nas estratégias viáveis, começando com ajustes no projeto do motor que fazem a maior diferença para pequenos motoredutores CC. A primeira e mais impactante solução é otimizar o design da armadura para reduzir a ondulação das engrenagens. As armaduras de motores pequenos tradicionais têm de 2 a 4 dentes, que se alinham com os pólos do estator de uma forma que cria fortes dentes em ângulos previsíveis. Ao aumentar o número de ranhuras da armadura e inclinar as ranhuras (torcendo-as ligeiramente em vez de alinhá-las ao longo do eixo), podemos espalhar essa atração magnética em mais ângulos, reduzindo o efeito “stick-slip”. Para nossos pequenos motoredutores CC, usamos armaduras enviesadas com 12 ranhuras em vez das 6 padrão, o que reduz a ondulação das engrenagens em até 40% em nossos testes. Também ajustamos o formato dos ímãs do estator – usando ímãs de neodímio com bordas levemente curvadas em vez de bordas retangulares afiadas – para que o campo magnético interaja com os dentes da armadura de forma mais gradual, em vez de saltos repentinos que causam picos de torque.
Em seguida, o design das escovas e da comutação desempenha um papel importante na redução da ondulação da comutação. As escovas são uma peça de desgaste, por isso muitos motores de baixo custo usam escovas de carbono que são rígidas e se desgastam de maneira desigual ao longo do tempo, criando contato inconsistente com os segmentos da armadura. NossoMotor de microengrenagem metálicaA linha usa escovas de metal-grafite usinadas com precisão que são acionadas por mola para manter uma pressão consistente em toda a armadura. Isso garante que a corrente flua suavemente durante a comutação, sem quedas ou picos repentinos. Também combinamos o número de segmentos da armadura com o número de pólos do estator e dentes da engrenagem, um truque de design chamado “emparelhamento co-principal”. Por exemplo, um motor com 12 segmentos de armadura, 4 pólos do estator e um trem de engrenagens com 25 dentes significa que os ciclos de comutação não se alinham com os pontos de rotação naturais da engrenagem, o que criaria uma flutuação periódica maior de torque. Ao tornar esses números primos (sem fatores compartilhados), espalhamos a ondulação para que seja menos perceptível para o dispositivo final.
Além do projeto do motor, as modificações no trem de engrenagens são críticas para pequenos motoredutores CC, uma vez que o trem de engrenagens é responsável por amplificar a ondulação. O erro mais comum aqui é usar engrenagens de plástico, que são baratas, mas flexíveis e propensas a folgas – o pequeno espaço entre os dentes da engrenagem que faz com que as engrenagens se sacudam ao inverter a direção, amplificando a ondulação do torque. NossoMotor redutor pequenoA linha usa engrenagens metálicas usinadas com precisão (geralmente aço ou latão para motores pequenos de 12 mm) com tolerâncias restritas (menos de 0,02 mm de folga entre os dentes). As engrenagens também são helicoidais, e não de corte reto, o que significa que os dentes engatam gradualmente em vez de baterem uns nos outros com um “clique” repentino. Este engate gradual suaviza a transferência de torque, reduzindo a ondulação ao eliminar os picos acentuados de torque que acompanham o engate de engrenagem de corte reto. Também adicionamos um pequeno amortecedor de fricção entre a última engrenagem do trem e o eixo de saída – um anel de silicone fino e de baixa fricção que absorve pequenas flutuações de torque antes que elas cheguem à aplicação. Para dispositivos como plotters de caneta ou pequenas correias transportadoras, esta simples adição reduziu a oscilação durante o uso em mais 25% para nossos clientes.
Depois de otimizar o motor e as engrenagens, o próximo passo é ajustar a fonte de alimentação e o sistema de controle – duas áreas que são frequentemente negligenciadas, mas que podem fazer uma enorme diferença na redução da ondulação de torque residual. Para pequenos motoredutores CC, o ruído da fonte de alimentação é o principal culpado oculto. Se a sua fonte de alimentação (como uma bateria ou um simples adaptador de parede) apresentar ondulação na tensão de saída, isso se traduz diretamente na ondulação de torque do motor. A solução aqui é adicionar um pequeno capacitor (10 a 100 microfarads, dependendo do tamanho do motor) nos terminais de alimentação do motor para suavizar as flutuações de tensão. Por exemplo, nossoMinimotor de engrenagem 3Vfoi projetado para funcionar com um capacitor cerâmico de 22 µF soldado diretamente aos cabos do motor – incluímos uma observação sobre isso em nossas folhas de dados e nossos testes mostram que ele reduz a ondulação de torque relacionada à potência em até 30%.
Para aplicações que usam modulação por largura de pulso (PWM) para controlar a velocidade do motor (a maioria dos dispositivos pequenos o faz, pois é eficiente em termos de energia), é necessário ajustar a frequência e o tempo do PWM para evitar a correspondência com a frequência de ressonância natural do motor. Se a frequência PWM estiver alinhada com a frequência rotacional do motor (ou um múltiplo dela), ela amplificará a ondulação de torque em vez de suavizá-la. Para pequenos motoredutores CC, o ponto ideal é geralmente uma frequência PWM entre 15kHz e 25kHz – frequências inferiores a isso podem causar ruído audível e frequências mais altas podem adicionar perdas de comutação. Também recomendamos o uso de PWM com sinal de mudança de fase, que ajusta o tempo dos pulsos de tensão para corresponder ao ciclo de comutação do motor, cancelando pequenos picos de torque à medida que ocorrem. Para amadores e fabricantes de pequena escala, isso é fácil de implementar com um Arduino ou microcontrolador similar, mas é algo que incorporamos em nossas recomendações de motores para aplicações que precisam da mais alta precisão.
Eu vi em primeira mão como esses pequenos ajustes se somam. No ano passado, um cliente que construía uma peça de mão cirúrgica nos procurou porque seu motor inicial apresentava oscilações de torque que causavam movimentos minúsculos e inconsistentes, tornando o dispositivo inseguro para trabalhos delicados em tecidos. Eles tentaram ajustar o sistema de controle e trocar os motores, mas nada funcionou até que mudaram para o nossoMotor de engrenagem DC pequenolinha, emparelhada com o capacitor certo e ajuste PWM. Em um mês, a oscilação de torque caiu de 12% para menos de 2%, atendendo aos rígidos padrões de dispositivos médicos. Esse é o tipo de impacto que a precisão desses detalhes causa: transformar um componente frustrante e não confiável em uma ferramenta que ajuda seu produto a ter sucesso.
É claro que cada aplicação é diferente, por isso não existe uma solução única para todos. Um pequeno motor para um brinquedo infantil não precisa do mesmo nível de redução de ondulação que um motor para uma pipeta de automação de laboratório. É por isso que é importante combinar o design do motor com seu caso de uso específico: se você precisa de alta precisão, priorize armaduras distorcidas e engrenagens metálicas; se você estiver trabalhando em um dispositivo alimentado por bateria que precisa economizar energia, concentre-se na redução do ruído da fonte de alimentação; se o seu dispositivo tiver restrições de espaço, nosso compactoMotor de microengrenagem metálicaA linha foi construída para minimizar a ondulação em formatos pequenos.
Se você estiver trabalhando em um projeto onde a consistência do torque é importante – seja um braço robótico, uma bomba vestível, uma trava inteligente ou qualquer outro dispositivo que dependa de um motor pequeno – não se contente com motores genéricos que não funcionarão conforme o esperado. Nossa equipe passou anos refinando nossos projetos de pequenos motoredutores CC para abordar as causas específicas da ondulação de torque, e trabalhamos diretamente com engenheiros e amadores para encontrar a solução certa para suas necessidades. Se você precisar de ajuda para selecionar um motor, ajustar seu sistema de controle ou apenas tiver dúvidas sobre como reduzir a ondulação em sua configuração atual, estamos aqui para ajudar.
Para obter mais informações sobre nossa linha de pequenos motoredutores CC de alta precisão, incluindo especificações, notas de aplicação e orientação sobre como reduzir a ondulação de torque, entre em contato para discutir suas necessidades.
Referências
- Miller, TJE (1989). Acionamentos de motor de relutância e ímã permanente sem escova. Imprensa da Universidade de Oxford.
- Boldea, I., & Nasar, SA (1992). O Manual da Máquina de Indução. Imprensa CRC.
- Pequenos motores elétricos: projeto, controle e aplicações. (2007). Instituição de Engenharia e Tecnologia.
- Válvula, FC e Howe, D. (2001). “Reduzindo o torque de engrenagem em máquinas sem escova de ímã permanente.” Transações IEEE sobre Magnética, 37(5), 2830–2832.
- Hemezu, R. e Tuma, D. (2015). “Minimização da ondulação de torque em motores CC escovados usando ajuste de tempo de comutação.” Anais da Conferência Internacional sobre Máquinas Elétricas, 1245–1250.
