MOTOR DE RELUCTANCIA VARIABLE El motor
de
reluctancia
variable está
constituido
por
un
rotor
de láminas
ferromagnéticas no imantadas, formando un cilindro alrededor del eje, éstas se encuentran ranuradas de forma longitudinal, formando dientes (polos del rotor). Los motores de este tipo poseen un rotor de hierro dulce que en condiciones de excitación
del
estator
y
bajo
la
acción
de
su
campo
magnético,
ofrecen
menor resistencia menor resistencia a ser atravesado por su flujo en la posición de equilibrio. Su mecanización es similar a los de imán permanente y su principal inconveniente radica en que en condiciones de reposos (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por lo tanto, su posicionamiento de régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo. El tipo de motor de reluctancia variable o RV consiste en un rotor y un estator cada uno con un número diferente de dientes. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanente el mismo gira libremente, o sea que no tiene torque de detención.
La ranuración del rotor conlleva una variación de la reluctancia en función de su posición angular.
Figura 1.1 Sección de un motor paso a paso RV de tres fases.
Igualmente que el rotor, el estator está formado por láminas de material ferro magnético no imantado, con una serie de ranuras en forma longitudinal, que albergan los bobinados de
las
fases,
y
forman
los
polos
del
estator.
Normalmente la constitución del rotor y el estator es a base de láminas ferromagnéticas, pero también se pueden encontrar unidades con constitución sólida de hierro dulce. El número de dientes del rotor es menor que el número de dientes del estator, de modo que sólo un par de polos del estator y su correspondiente par de polos del rotor pueden estar alineados por fase. La figura 1.1 (a) representa un motor RV de tres fases con seis polos en el estator y cuatro en el rotor. Cada fase dispone de dos bobinados, situados en polos opuestos. La figura 1.1 (b) nos muestra una conexión de los bobinados en serie, pudiéndose conectar igualmente en paralelo. Unos interruptores de potencia se encargan de suministrar la corriente a cada fase. Si S1 está en estado ON, la corriente fluye por la fase 1 y 1', generando un flujo magnético que recorre el estator y se cierra por los polos correspondientes a la fase 1 sobre los polos del rotor. Cuando los polos del rotor y el estator estén alineados, tenemos el flujo máximo, que corresponde con la reluctancia mínima.
Figura 1.2. Motor RV de 4 polos. (a) Posición de equilibrio con una fase excitada. (b) Curvatura de las líneas de flujo fl ujo magnético que crean el par.
Igualmente que el rotor, el estator está formado por láminas de material ferro magnético no imantado, con una serie de ranuras en forma longitudinal, que albergan los bobinados de
las
fases,
y
forman
los
polos
del
estator.
Normalmente la constitución del rotor y el estator es a base de láminas ferromagnéticas, pero también se pueden encontrar unidades con constitución sólida de hierro dulce. El número de dientes del rotor es menor que el número de dientes del estator, de modo que sólo un par de polos del estator y su correspondiente par de polos del rotor pueden estar alineados por fase. La figura 1.1 (a) representa un motor RV de tres fases con seis polos en el estator y cuatro en el rotor. Cada fase dispone de dos bobinados, situados en polos opuestos. La figura 1.1 (b) nos muestra una conexión de los bobinados en serie, pudiéndose conectar igualmente en paralelo. Unos interruptores de potencia se encargan de suministrar la corriente a cada fase. Si S1 está en estado ON, la corriente fluye por la fase 1 y 1', generando un flujo magnético que recorre el estator y se cierra por los polos correspondientes a la fase 1 sobre los polos del rotor. Cuando los polos del rotor y el estator estén alineados, tenemos el flujo máximo, que corresponde con la reluctancia mínima.
Figura 1.2. Motor RV de 4 polos. (a) Posición de equilibrio con una fase excitada. (b) Curvatura de las líneas de flujo fl ujo magnético que crean el par.
Si el rotor se mueve fuera de la posición de equilibrio, como consecuencia de un par externo aplicado al rotor, éste responde con un par en sentido contrario que se opone al movimiento; esto es resultado de la curvatura que sufren las líneas de flujo magnético entre los polos del rotor y el estator. Las líneas de flujo magnético tienden a estar paralelas entre sí, y a circular por el elemento más permeable que encuentren; cuando son deformadas, generan una fuerza de atracción sobre los elementos en los que fluyen, intentando mantener el equilibrio. Una muestra de esto lo representa la figura 1.2 (b).
Figura 1.3. Paso producido en la excitación de las fases conmutando conmutando de la fase 1 a la fase 2. Partiendo de la posición de equilibrio con la fase 1 activada (figura 1.3 (a)). Un paso se obtiene situando la fase 1 a estado OFF y la fase 2 a estado ON; en este instante los polos del rotor más próximos a los polos de la fase dos del estator, son atraídos en el intento de circular las líneas de flujo magnético (figura 1.3 (b)), produciendo un movimiento de rotación entre ambos polos hasta quedar alineados (figura 1.3 (c)). Con esta operación obtenemos un paso del rotor.
Figura 1.4. Forma de los pasos y secuencia de conmutación de un motor VR reluctancia variable de tres fases.
La figura 1.4 muestra la secuencia de avance en sentido anti horario de un motor RV de cuatro polos, resultado de la secuencia de activación (Ph1-Ph2-Ph3-Ph1...) de las fases del estator. Tomando el motor de la figura 1.4, tenemos cuatro polos en el estator y tres fases en el rotor, por consiguiente: El número de pasos por vuelta del rotor es: 3*4=12. El ángulo del paso será 360°/12=30°.
Figura 1.5. Sección de unos motores RV de 15° de ángulo de paso. (a) Motor de tres fases: número de polos del estator = 12; número de polos del rotor = 8. (b) Motor de cuatro fases: número de polos en el estator = 8; número de polos en el rotor = 6. Para obtener un ángulo de paso determinado, se puede optar por diferentes combinaciones, jugando con el número de fases. La figura 1.5, muestra dos motores con ángulos de paso de 15°, el primero con tres fases en el estator y ocho polos en el rotor, el segundo
con
cuatro
fases
en
el
estator
y
seis
polos
en
el
rotor.
Hasta el momento, todos los motores de los que se ha tratado tienen un ángulo de paso grande. Para obtener ángulos de paso pequeños, lo único que se tiene que hacer es aumentar el número de polos (dientes) del rotor (figura 1.6).
La configuración del estator sigue siendo la misma, se mantiene el número de fases, pero los polos se encuentran ranurados en varios dientes, para obtener la confrontación con los polos del rotor y que queden alineados.
Figura 1.6. Sección de un motor RV de tres fases, dos bobinados por fase y tres dientes por polo en el estator; el número de dientes en el rotor es de 20 y el ángulo del paso es de 6°. La figura 1.7 muestra una distribución lineal de los polos del rotor y el estator, representando
el
flujo
magnético
y
el
desplazamiento
en
un
paso.
Un motor con ángulos pequeños 1.8° y un número de pasos elevado 200, lo muestra la figura 1.8. El rotor dispone de 50 dientes. El estator tiene 8 bobinados 8 polos ranurados en 5 dientes. El número de fases puede ser cuatro, uniendo los bobinados 1-5 (fase 1), 2-6 (fase 2), 3-7 (fase 3), 4-8 (fase 4). Pero también se puede realizar en dos fases, uniendo los bobinados 1-2-5-7 (fase 1) y 2-46-8 (fase 2); en este caso el número de pasos sería inferior (100) y los dientes de los polos del estator correspondientes a la misma fase, tienen que confrontar con los del rotor.
Figura 1.7. Modelo lineal del motor paso a paso de reluctancia variable. Una muestra de las dimensiones tan reducidas que se pueden obtener en este tipo de motores lo ilustra la figura 1.9; esto es debido a que al no tener imán permanente el rotor puede ser minimizado, dando lugar a motores de diámetro muy pequeño.
Un segundo efecto en la reducción del diámetro del rotor es la disminución del momento de inercia de éste. Cuando tiene una carga baja, este motor ofrece una relación de giro muy alta.
Figura 1.8. Sección de un motor paso a paso RV de cuatro fases; el número de dientes en el rotor es de 50, los pasos por revolución son 200, el ángulo del paso es de 1,8°.
Figura 1.9. Estator y rotor de un motor paso a paso de reluctancia variable de cuatro fases y 7,5° de ángulo por paso.
MOTOR DE MAGNETIZACION PERMANENTE Un motor de magnetización permanente es un tipo de motor eléctrico del tipo paso a paso. Se le conoce también como PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor). Es el modelo en el cual el rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes limitado por su estructura física.
Figura 2.1. Vista en sección de un motor paso a paso de magnetización permanente.
Figura 2.2. Motor paso a paso de magnetización permanente. Ofrece como principal ventaja que su posicionamiento no varía aún sin excitación y en régimen de carga. El motor de magneto permanente (PM) o tipo enlatado es quizá el motor por pasos más ampliamente usado para aplicaciones no industriales. El rotor, que posee una polarización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnético creado por las fases del estator. Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5°, 11.25°, 15°, 18°, 45° o 90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estator
Figura 2.4. Estator y rotor de un motor paso a paso de magnetización permanente.
En su forma más simple, el motor consiste en un rotor de magneto permanentemente magnetizado radial y en un estator similar al motor de reluctancia variable o RV. Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estator, los mismos se conocen a veces como motores de "polo de uñas "o "claw pole" en Inglés.
Figura 2.4. Estator y rotor de un motor paso a paso de magnetización permanente. Con el motor de magnetización permanente, el flujo magnético permanece sincrónico con la frecuencia inducida por el estator, con lo cual, las pérdidas en el rotor, que representan aproximadamente 1/3 de las pérdidas totales en motores de inducción.
ESTRUCTURA La construcción de los rotores de los servomotores sincrónicos de imán permanente pueden adoptar una forma cilíndrica con un bajo diámetro y gran longitud llamados de flujo radial, o pueden tener un rotor en forma de disco más liviano rotor de disco (disk rotor), también llamadas máquinas de flujo axial, resultando así en ambos casos un bajo momento de inercia y una constante de tiempo mecánica baja. Por otra parte, para aplicaciones industriales con arranque de línea o mediante arrancadores de voltaje reducido, los motores poseen un damper o devanado amortiguador, que protege los imanes de la des-magnetización durante los transitorios asociados en el arranque, y además amortigua las oscilaciones pendulares.
APLICACIONES
Se han llegado a construir máquinas de una potencia por encima de 1 MW, por ejemplo para el accionamiento de submarinos.
También es posible su aplicación en generación y bombeo a partir de energía solar o energía eólica.
En aplicaciones en las que el motor es operado electrónicamente desde un inverter, no es necesario el devanado amortiguador para el arranque pues este lo realiza el control electrónico, y además el devanado amortiguador (damper) produce pérdidas de energía adicionales debido a las forma de onda no senoidales.
Son extensivamente usados en servomotores, accionamiento eléctrico para posicionamiento robótico, máquinas herramientas, ascensores, etc.
CLASIFICACIÓN Según donde estén montados los imanes, existen 2 clases:
PMSM con imanes montados en la superficie del rotor: En el caso que los imanes van montados (pegados o zunchados) en la superficie del rotor, estos por el espacio que ocupan obligan a tener un entrehierro relativamente grande, además los imanes cerámicos tienen efectos de saliencia despreciables. En estos casos no existe devanado amortiguador. El gran entrehierro hace que el flujo de la reacción de armadura (RA) tenga efectos atenuados sobre el rotor, es decir la inductancia sincrónica Ld es pequeña ya que tiene una componente de reacción de armadura Lad pequeña y por consiguiente los efectos de la RA son muy atenuados. Por otra parte se deduce que el gran entrehierro resulta en una constante de tiempo eléctrica del estator T = L/R pequeña.
PMSM con imanes insertos en el rotor: Si los imanes están insertos en el rotor, quedan físicamente contenidos y protegidos, pero el espacio de hierro del rotor eliminado para insertar los imanes hace que no puede considerarse que en este caso se tenga un entrehierro uniforme, se tiene un efecto de saliencia, y aparece una componente de reluctancia del par.
TIPOS Existen 2 tipos de motores paso a paso de magneto permanente que son: Unipolares y Bipolares.
MOTORES PASO A PASO BIPOLARES Estos tienen generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Esto hace que la controladora se vuelva más compleja y costosa. Similares a unipolares pero sin derivación central en las bobinas. Es más simple que unipolares, pero el driver es más complejo. Requiere un “puente H” para alimentar cada
bobina con ambas polaridades.
Figura 2.5. Motor paso a paso de magneto permanente bipolar. Este motor posee 4 cables, las bobinas no tienen toma central. Se identifican por 4 cables 1a, 1b, 2a y 2b, se usa un multímetro para medir la resistencia entre cada par de
terminales, ya que los extremos 1a y 1b deben tener la misma resistencia que los extremos 2a y 2b, ahora si se mide la resistencia en forma cruzada no marcará nada ya que corresponden a bobinas distintas. Una de las mejores opciones para controlar los motores bipolares es hacer uso del Driver L293B
Figura 2.6. Diagrama de control de un motor paso a paso de magneto permanente bipolar. Para invertir polaridades se necesita interfaces para controlar estos motores, ya sea por medios digitales, transistorizados y en la mayoría de los casos se hace a través de un microcontrolador, por medio de la PC, un circuito integrado de la Motorola MC3479(driver para el control de motores paso a paso bipolares). El circuito consiste en el sistema de control programable de la corriente del motor esto permite disponer de una buena gama de potencias y también de poder usar el driver con motores de distintos tamaños recordando que la corriente máxima de salida del integrado es de 500mA por cada bobina. El MC3479 dispone internamente de diodos de protección para cargas inductivas por lo tanto no es necesario agregar diodos.
Figura 2.7. Diagrama de control de un motor paso a paso de magneto permanente bipolar empleando un microcontrolador. Si se utiliza un PIC puede usarse un diagrama similar al de la figura 2.6 para efectuar los giros continuos, inversión de giro o con una programación específica de los movimientos a realizar por el motor aplicado a robótica, fajas, bandas de transportación y otras aplicaciones.
Figura 2.8. Diagrama de control de un motor paso a paso de magneto permanente bipolar de giro continuo o inversión de giro empleando PIC.
MOTORES PASO A PASO UNIPOLARES Estos motores suelen tener 8, 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. Un motor unipolar es en el que cada bobina tiene un terminal central común que es accesible desde el exterior del motor.
Figura 2.9. Motor paso a paso de magneto permanente Unipolar.
Los puntos medios(1 y 2) se conectan a c.c. y los terminales (a y b) a masa alternativamente. El rotor de la figura 2.10 es un magneto de 6 polos. Cada arrollamiento o bobina está distribuido entre 2 polos en el estator.
Figura 2.10. Motor paso a paso de magneto permanente Unipolar.
Figura 2.11. Conexión de la bobinas de un motor paso a paso de magneto permanente Unipolar.
Figura 2.12. Conexión de la bobinas de un motor paso a paso de magneto permanente Unipolar.
Figura 2.12. Diagrama de control de un motor paso a paso de magneto permanente Unipolar.
DISEÑO El criterio de diseño en el caso de servomotores deben encuadrar los siguientes requerimientos:
Velocidad de operación y par controlado a todas las velocidades
Alta relación [Potencia / peso] y [Par / inercia]
Par electromagnético suave: sin pares pulsantes debido a las armónicas, ni efectos de posicionamiento preferencial (cogging)debido a las ranuras
Alta densidad de flujo en el entrehierro
Diseño compacto con alto rendimiento y factor de potencia
MOTOR PASO A PASO HIBRIDO El motor paso a paso híbrido se refiere a un motor eléctrico del tipo paso a paso, cuyo funcionamiento se basa en la combinación de los otros dos tipos de motores paso a paso, el motor de reluctancia variable y el motor de magnetización permanente.
ESTRUCTURA El rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. El tipo híbrido es probablemente el más usado de todos los motores por pasos. Originalmente desarrollado como un motor de magnetización permanente sincrónico de baja velocidad, su construcción es una combinación de los diseños del motor de magnetización permanente y el motor de reluctancia variable. El motor híbrido consiste en un estator dentado y un rotor de tres partes (apilado simple). El rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado, con los dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente (ver figura 3.2) para permitir una alta resolución de pasos.
Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par y se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°.
Figura 3.1. Estator y rotor de un motor paso a paso híbrido.
Figura 3.2.
Figura 3.3. Motor paso a paso híbrido.
Figura 3.4. Motor paso a paso híbrido.
Figura 3.5. Motor paso a paso híbrido. Los motores híbridos paso a paso operan combinando los principios de los motores de imán permanente y los de reluctancia variable, intentando obtener las características que destacan en cada uno de ellos. Combinados se obtienen unos ángulos de paso pequeños y alto par con un tamaño pequeño.
Figura 3.6. Estructura del rotor de un motor híbrido.
Las características y forma del estator es prácticamente igual a la de los otros modelos de motores paso a paso de imán permanente y rel uctancia variable. Las diferencias de importancia se encuentran en la estructura del rotor, formado por un disco cilíndrico imantado en posición longitudinal al eje, según muestra la figura 3.6; éste está altamente magnetizado produciendo un flujo unipolar según muestra la figura 3.7 (a). Las líneas magnéticas que genera el imán son guiadas por dos cilindros acoplados a los extremos de cada uno de sus polos (norte y sur). Construidos generalmente por láminas de
material
ferro
magnético
y
dentados,
forman
los
polos
del
rotor.
El flujo magnético que genera las bobinas del estator fluye según muestra la figura 2.14 (b).
El motor híbrido produce un par por fuerza de reluctancia, igual que el motor de reluctancia variable. La diferencia entre ambos es que el tipo de excitación utilizado. En el motor de reluctancia variable, la excitación es producida únicamente por medio del bobinado, mientras que en el motor híbrido la excitación es conjunta entre el bobinado y el
imán.
En la figura 3.6 tenemos el esquema básico de un motor híbrido de ángulo de paso de 90º. Para obtener ángulos de paso más pequeños, basta con incrementar el número de polos del rotor y del estator. Las posibilidades del número de pasos están limitadas por el número de polos que puede albergar el estator y el número de dientes de cada uno.
Figura 3.7. Sección transversal y longitudinal de un motor híbrido de 90°, mostrando el recorrido de las líneas de flujo magnético producidas por la excitación de un bobinado. El incremento de demanda de los sistemas de motor por pasos de reducido ruido acústico, con una mejora en el desempeño al mismo tiempo con reducción de costos fue satisfecho en el pasado con los dos tipos principales de motores por pasos Híbridos. El tipo 2(4) fases que ha sido generalmente implementado en aplicaciones simples y el de 5 fases ha probado ser ideal para las tareas más exigentes. Las ventajas ofrecidas por los motores de 5 fases incluían:
Mayor resolución
Menor ruido acústico
Menor resonancia operacional
Menor torque de frenado.
A pesar de que las características de los motores de 5 fases ofrecían muchos beneficios, especialmente en micro pasos, el creciente número de conmutaciones de alimentación y el cableado adicional requerido tenían un efecto adverso en el costo del sistema. Con el avance de la electrónica permitiendo circuitos de cada vez mayor grado de integración y
mayores características, la fábrica SIG Positec vio una oportunidad y tomó la iniciativa en el terreno desarrollando tecnología de punta en motores por pasos.
Figura 3.8. Secciones ilustrativas de las laminaciones y rotores para motores de 2, 3 y 5 fases.
EL MOTOR HÍBRIDO DE 3 FASES A pesar de ser similar en construcción a otros motores por pasos (ver figura 8), la implementación de la tecnología de 3 fases hizo posible que el número de fases del motor sean reducidas dejando al número de pares de polos del rotor y a la electrónica determinar la resolución (pasos por revolución).
Figura 3.9. Corte de sección de un motor por pasos híbrido (3 fases ). Dado que la tecnología de 3 fases ha sido usada por décadas como un método efectivo de generación de campos rotativos, las ventajas de éste sistema son evidentes en sí. El motor
por pasos de 3 fases fue por lo tanto una progresión natural que incorporó todas las mejores características de un sistema de 5 fases a una signif icativa reducción de costo. Un problema que se nos puede plantear es como saber cuál es cada polo de la bobina, ya que los colores no están estandarizados. Así que tomamos el tester y leemos el valor (resistencia) de todos los polos (supongamos que las bobinas son de 30 ohm.), el común (alimentación) con cada polo de bobina leerá 30 ohm y entre polos de la misma bobina 60 ohm., por eliminación nos será fácil encontrar los polos de las bobinas. Si nos equivocamos no pasa nada, solo que el motor no girará. Si el motor solo tiene cinco cables, el común de alimentación se puede conectar a cualquiera de los lados. Hay que tener en cuenta que los motores unipolares de seis u ocho hilos, pueden hacerse funcionar como motores bipolares si no se utilizan las tomas centrales, mientras que los de cinco hilos no podrán usarse jamás como bipolares, porque en el interior están conectados los dos cables centrales.
Características
Combina las mejores características de los motores paso a paso tratados anteriormente.
Tienen muchos polos en el rotor (p.ej. 200).
Tienen altas resoluciones (hasta < 1º).
Tienen gran torque.
Son más caros.
Ideales para aplicaciones industriales (p.ej. robots).
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR PASO A PASO Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje, esta última tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético, es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, aquel tratará de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular. Aún basado en el mismo fenómeno, el principio de funcionamiento de los motores de corriente continua, los motores paso a paso son más sencillos si cabe, que cualquier otro tipo de motor eléctrico. El principio de funcionamiento básico de los motores paso a paso consiste en alimentar solo algunas de las bobinas del estator con corriente continua generando un flujo con una dirección fija, que al interactuar con el rotor del motor produce un par en función del ángulo de desfasaje de la posición de equilibrio, que depende de del tipo de motor paso a paso empleado. Para producir el movimiento de rotación la bobina excitada debe cambiar a medida que el rotor llega a la posición de equilibrio. Al número de grados que gira el rotor, cuando se efectúa un cambio de polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ángulo de paso".
Existe la posibilidad de conseguir una rotación de medio paso con el control electrónico apropiado, aunque el giro se hará con menor precisión. Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuencias determinado por el fabricante, y rebasado dicho rango, provocaremos la pérdida de sincronización. Los motores paso a paso, se controlan por el cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas que lo forman:
Controlar el desplazamiento del rotor en función de las tensiones que se aplican a las bobinas, con lo que podemos conseguir desplazamientos adelante y atrás.
Controlar el número de pasos por vuelta.
Controlar la velocidad del motor.
Además estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición (si una o más de sus bobinas está energizada) o bien totalmente libres (si no circula corriente por ninguna de sus bobinas). Según la construcción de las bobinas del estator, existen dos tipos de MPAP:
Unipolares: Se llaman así porque la corriente que circula por los diferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. Tienen las bobinas con un arrollamiento único.
Bipolares: La corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en función de la tensión que se aplica. por lo que un mismo bobinado puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar). Tienen las bobinas compuestas por dos arrollamientos cada una.
Algunos motores tienen los bobinados de tal manera que en función de puentes pueden convertirse en unipolares o bipolares. Lo más importante de un motor es saber el tipo de motor que es, la potencia, el número de pasos, el par de fuerza, la tensión de alimentación y poco más si son motores sencillos.
¿Cómo saber cómo conectar uno de estos motores ? Estos motores exteriormente poseen 6 o 5 cables (cuatro corresponden a cada uno de los extremos de las dos bobinas existentes, mientras que los otros dos corresponden al punto medio de cada una. En el caso de que el cable restante sea uno, entonces corresponde a estos dos últimos unidos internamente). Una vez localizados dichos cables mediremos la resistencia con un óhmetro o un multímetro en ellos. De esta forma localizamos las dos bobinas (los tres cables cuya resistencia entre sí sea distinta de infinito corresponden a una bobina). Podemos decir que tenemos dos grupos de tres cables (A, B y C). Mediremos ahora la resistencia entre A y B, B y C y entre A y C. El par anterior cuya lectura sea más alta corresponde a los extremos de la bobina, mientras que el restante es el punto medio de la misma.
¿Cuál es su secuencia? Para saber la secuencia del motor necesitaremos una fuente de tensión continua del valor característico del motor (5 Voltios generalmente). Conectamos un polo de la misma a los dos cables correspondientes al punto medio de cada bobina. Al polo restante lo conectamos a uno de los cuatro cables y observamos hacia qué lado se produce el paso. Procedemos igual con los otros, probando en distinto orden, hasta que los cuatro pasos se hayan producido en la misma dirección. De esta forma ya habremos hallado la secuencia del motor.
¿Cómo lo hago funcionar? Para hacer funcionar un motor paso a paso requerimos de un circuito especial. De acuerdo al uso que deseemos para el motor podemos utilizar un simple secuenciador, un micro controlador , algún puerto del PC, o bien ciertos circuitos integrados diseñados para tal fin.
La figura 1 intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente elé ctrica. Por otra parte el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.
Paso 1 (a)
Paso 2 (b)
Paso 3 (c)
Paso 4 (d)
Figura 1. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas (que también reciben el nombre de fases) y con M en una posición cualquiera, el imán permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza externa. Si se hace circula corriente por ambas fases como se muestra en la Figura 1(a), se crearán dos polos magnéticos NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la posición indicada en dicha figura. Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendrá la situación magnética indicada en la Figura 1(b) y M se verá desplazado hasta la nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las agujas del reloj.
Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega a la situación de la Figura 1 (c) habiendo girado M otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se habrá obtenido una revolución completa de dicho imán en cuatro pasos de 90 grados. Por tanto, si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de 90 grados por cada pulso aplicado. Por lo tanto se puede decir que un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctricos en un movimiento rotacional constante y finito dependiendo de las características propias del motor. El modelo de motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal circunstancia un inconveniente importante a la hora de diseñar el circuito que controle el motor. Una forma de paliar este inconveniente es la representada en la Figura 2, obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula por las bobinas en un único sentido. Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y S2, se generarán dos polos NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la Figura 1.1(a). Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos, M evoluciona hasta la situación representada en la Figura 1.1 (b).
Figura 1.1.- Principio básico de un motor unipolar de cuatro fases. Siguiendo la secuencia representada en la Figuras 1.1 (c) y (d), de la misma forma se obtienen avances del rotor de 90 grados habiendo conseguido, como en el motor bipolar de dos fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la acción de impulsos eléctricos de excitación de cada una de las bobinas. En uno y otro caso, el movimiento obtenido ha sido en sentido contrario al de las agujas del reloj; ahora bien, si las secuencias de excitación se generan en orden inverso, el rotor girará en sentido contrario, por lo que fácilmente podemos deducir que el sentido de giro en los motores paso a paso es reversible en función de la secuencia de excitación y, por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al motor un número determinado de pasos según las necesidades.
El modelo de motor paso a paso estudiado, salvo su valor didáctico, no ofrece mayor atractivo desde el punto de vista práctico, precisamente por la amplitud de sus avances angulares. Una forma de conseguir motores paso a paso de paso más reducido, es la de aumentar el número de bobinas del estator, pero ello llevaría a un aumento del coste y del volumen y a pérdidas muy considerable en el rendimiento del motor, por lo que esta situación no es viable. Hasta ahora y para conseguir la solución más idónea, se recurre a la mecanización de los núcleos de las bobinas y el rotor en forma de hendiduras o dientes, creándose así micro-polos magnéticos, tantos como dientes y estableciendo las situaciones de equilibrio magnéticos con avances angulares mucho menores, siendo posible conseguir motores de hasta de 500 pasos.
Bobinado de un motor paso a paso de una disquetera, en el que pueden apreciarse bobinados, el imán permanente se ha desmontado para poder ver el interior del motor que está montado sobre la propia placa de circuito impreso.
MOTOR PASO A PASO DE RELUCTANCIA VARIABLE El rotor es de acero dulce, cilíndrico y perfil dentado, cuando se excita el estator el flujo generado circula por el rotor, y éste intentará buscar la posición de menor reluctancia. En la Figura 2 se esquematiza el funcionamiento de los motores paso a paso de reluctancia variable. En el primer paso solo se encuentra alimentada la bobina I, y el rotor se alinea con dicha bobina, al alimentas también la bobina II el rotor se encuentra alineado con I pero muy desalineado con II, entonces aparece una fuerza que tiende a igualar la condición reluctancia de las dos bobinas, entonces gira hasta llegar la posición de equilibrio (3). Luego si se deja de alimentar I el rotor girará hasta alinear el rotor con la bobina II. Del mismo modo alimentando luego II y III, y luego alimentando solo III se produce el movimiento de giro.
Figura 2. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso de reluctancia variable.
MOTOR PASO A PASO HIBRIDO El motor Híbrido consiste en un estator dentado y un rotor de tres partes. El rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado, con los dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente (fig. 3 ) para permitir una alta resolución de pasos .
Figura 3. Rotor de un motor paso a paso hibrido.
Figura 4. Estator de un motor paso a paso hibrido.
Figura 5. Principio de funcionamiento de un motor paso a paso híbrido. Para entender el funcionamiento me basaré en la figura 5. Al excitar las bobinas del estator se alinean los dientes del estator con los del rotor de la carga apropiada. En el paso 1 se excitan las bobinas impares, polo norte (N) en las bobinas 1 y 5, y polo sur (S) en las bobinas 3 y 7; y el rotor se alinea con el campo. Luego en el paso 2 se excitan las bobinas pares, polos N las 2 y 6, y polo S las 4 y 8; entonces el rotor buscando alinear los dientes más próximos a los del estator se desplaza
un ángulo que se corresponde a un cuarto del paso de los dientes. En el paso tres se alimentan nuevamente las bobinas impares, polo N en las bobinas 3 y 7, y polo S en las bobinas 1 y 5, el rotor se gira otro cuarto de paso. Entonces se ve que cuando se realicen 5 pasos se repiten los estados de excitación del estator consiguiendo una rotación del rotor correspondiente al paso de un diente. Entonces con un numero bajo de bobinas se pueden obtener pasos muy chicos, alcanzando valores de hasta 0.9° por paso.
ALIMENTACIÓN Para conseguir el giro del rotor en un determinado número de grados, las bobinas del estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la velocidad de giro. Las inercias propias del arranque y parada (aumentadas por las fuerzas magnéticas en equilibrio que se dan cuando esta parado) impiden que el rotor alcance la velocidad nominal instantáneamente, y por tanto la frecuencia de los pulsos que la fija debe ser aumentada progresivamente. Para simplificar el control de estos motores existen circuitos especializados que a partir de tres señales (tren de pulsos, sentido de giro e inhibición) generan, a través de una etapa lógica, las secuencias de pulsos que un circuito de conmutación distribuye a cada fase. Las bobinas del estator presenta dos tipos de conexión, bipolar y unipolar respectivamente, tal como se aprecia en la figura 6.
Figura 6. Conexiones de los motores unipolar y bipolar.
