Mientras el motor gira, el par de salida no se mantiene totalmente constante. El par instantáneo experimenta ligeras subidas y bajadas que se repiten periódicamente, lo que se manifiesta como una fluctuación en la fuerza de giro.Estas fluctuaciones cíclicas del par son lo que se conoce como «oscilación del par». Cuando la oscilación del par es elevada, afecta al rendimiento del equipo en forma de vibraciones, ruido, menor precisión de posicionamiento y peor control. Es un problema técnico que no se puede pasar por alto, sobre todo en campos donde la suavidad y la precisión influyen directamente en la calidad, como los dispositivos médicos, los equipos ópticos o los robots industriales.En este artículo, tras explicar el significado básico de la fluctuación de par y la diferencia con el par de cogging, te voy a explicar paso a paso los principales factores que la provocan y cómo reducirla desde el punto de vista del diseño, el control y la selección del motor. Es un contenido que te servirá de referencia a la hora de seleccionar y diseñar motores pequeños.
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¿Qué es la fluctuación de par? Repaso de los conceptos básicos
Antes de plantearnos cómo abordar el par oscilante, es necesario entender el fenómeno en sí. Si tienes claros el significado del término, la diferencia con otros términos similares y cómo interpretarlo en términos numéricos, te resultará más fácil entender las causas y las medidas de reducción que trataremos más adelante. En este capítulo, vamos a repasar los conceptos básicos del par oscilante desde tres perspectivas diferentes, para sentar las bases que te permitirán seguir leyendo el artículo.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- El significado básico de «torque ripple»
- La diferencia entre el par de fluctuación y el par de cogging
- Métodos de medición y evaluación de las fluctuaciones de par
Vamos a repasar uno por uno tres puntos de vista, desde la definición de los términos hasta los criterios de evaluación.
El significado básico de «torque ripple»
La fluctuación de par es la variación periódica del par que se genera mientras el motor está girando, es decir, que no se mantiene constante. Aunque parezca que funciona a una velocidad constante, el par instantáneo oscila constantemente según la posición de giro y las condiciones eléctricas.Si mides de forma continua el par durante una vuelta completa con un sensor de par, verás una forma de onda que oscila hacia arriba y hacia abajo alrededor del valor medio. La amplitud de esta oscilación es la fluctuación de par, y cuanto mayor sea el valor, menos suave será el giro.Muchos de los problemas de rendimiento, como las vibraciones, el ruido, la disminución de la precisión de posicionamiento o el empeoramiento de la capacidad de control, suelen tener su origen en la fluctuación del par. Es un fenómeno básico que debes tener en cuenta a la hora de evaluar la calidad de funcionamiento de un motor.
La diferencia entre el par de ondulación y el par de cogging
La diferencia entre el rippel de par y el par de cogging radica en las condiciones en las que se producen. El par de cogging es una fluctuación del par que se produce en los motores de imanes permanentes incluso cuando no circula corriente, es decir, en estado de desconexión.La fluctuación de par se refiere a las variaciones de par que se observan en general cuando el motor está encendido y en funcionamiento, e incluye, además del par de cogging, la distorsión de la forma de onda de la corriente y los efectos del control. Las principales diferencias entre ambos son las siguientes:
| Tema | Par de cogging | Fluctuación del par |
| Condiciones de aparición | Se produce incluso sin corriente | Se produce cuando hay corriente y el sistema está en funcionamiento |
| Causas principales | La estructura del núcleo de hierro y del imán | Además de la estructura, la influencia de la corriente y el control |
| Rango incluido | Un componente de la fluctuación del par | El total, incluido el par de cogging |
El par de cogging es uno de los componentes que conforman la fluctuación del par, y ambos mantienen una relación de inclusión. A la hora de evaluar las fluctuaciones del par durante el funcionamiento, no hay que fijarse solo en el par de cogging, sino que hay que tener en cuenta la fluctuación del par en su conjunto. Evitar confusiones y adoptar una actitud que permita distinguir correctamente los fenómenos te ayudará a realizar un análisis posterior de las causas.
Métodos de medición y evaluación de las fluctuaciones de par
Para medir y evaluar la fluctuación del par, lo habitual es expresarla como el porcentaje que se obtiene al dividir la diferencia entre el par máximo y el par mínimo de una vuelta por el par medio.Al expresarlo en porcentaje, se puede comparar el grado de fluctuación con una escala común, independientemente del tipo o la potencia del motor. En la evaluación real, lo que se utiliza es la medición directa mediante un sensor de par.
Además, si mides al mismo tiempo la corriente de fase y las vibraciones, no solo podrás conocer la magnitud de las fluctuaciones de par, sino que también te ayudará a identificar las causas, por lo que se trata de un método de medición muy práctico para comprender las fluctuaciones de par. Si sigues un procedimiento que incluya tanto los valores numéricos como las formas de onda, podrás avanzar de forma integrada en la comprensión del fenómeno y en la investigación de sus causas.
Los tres factores principales que provocan fluctuaciones de par
Las fluctuaciones de par no se deben a una única causa, sino que surgen de la combinación de varios factores. Analizar el mecanismo de su aparición desglosándolo por factores te da una perspectiva útil para identificar los problemas en el lugar de trabajo y para estudiar las medidas de reducción que veremos más adelante.En este capítulo, vamos a analizar uno por uno los tres factores principales que provocan las fluctuaciones de par, desde tres perspectivas: la estructural, la eléctrica y la del campo magnético.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Incluye el par de cogging
- La forma de onda de la corriente contiene armónicos
- La densidad de flujo magnético contiene componentes armónicos
Partiendo de la premisa de que hay margen de mejora tanto en el diseño como en el control, vamos a analizar tres factores.
Incluye el par de cogging
El par de cogging es una fluctuación periódica del par que se produce en los motores con imanes permanentes, incluso cuando no circula corriente (estado sin corriente).La relación de posición entre los dientes del núcleo de hierro y los imanes permanentes, que se atraen entre sí, cambia a medida que gira, lo que se manifiesta como una pulsación del par. El número de ciclos por vuelta coincide con el mínimo común múltiplo del número de polos magnéticos y el número de ranuras. El par de cogging tiene las siguientes características:
[Características del par de cogging]
- Se produce incluso sin corriente
- Interacción entre las ranuras del estator y los armónicos de la fuerza magnética generada por los imanes
- El período viene determinado por el mínimo común múltiplo del número de polos magnéticos y el número de ranuras
Las pulsaciones que se producen cuando no hay corriente se superponen como un componente de la fluctuación de par en cuanto empieza el accionamiento. Como se deben a la propia estructura, se consideran el primer factor a tener en cuenta a la hora de hablar de la fluctuación de par.
La forma de onda de la corriente contiene armónicos
La presencia de armónicos en la forma de onda de la corriente también es un factor que aumenta la fluctuación del par.Cuando se acciona un motor con un variador, puede ocurrir que, debido a factores como las condiciones del cableado, se produzca una distorsión en la forma de onda de la corriente y aumente la fluctuación del par. Como el par viene determinado por el producto de la corriente y el flujo magnético, si la forma de onda de la corriente se desvía de la onda sinusoidal ideal, el par también fluctuará en la misma medida.
El control PWM, que es el método básico de control de los inversores, consiste en generar la tensión aplicada al motor mediante la activación y desactivación de un interruptor semiconductor.Debido a esta conmutación, la corriente presenta pequeñas fluctuaciones en cada pulso. Estas fluctuaciones de corriente se traducen en variaciones del campo magnético, lo que a su vez provoca oscilaciones en el par; este fenómeno es lo que observamos como «ondulación del par». Se puede considerar un factor que tiene su origen en el lado de la entrada eléctrica.
*Armónicos: componentes que tienen una frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Son la causa de la distorsión de la forma de onda.
La densidad de flujo magnético contiene componentes armónicos
Cuando la densidad de flujo magnético contiene componentes armónicos, esto provoca ondulaciones de par como factor relacionado con el campo magnético. Los armónicos presentes en la densidad de flujo magnético del entrehierro son la causa de los armónicos en el flujo magnético cruzado de las cadenas del inducido y, en última instancia, se manifiestan como ondulaciones de par. El entrehierro es el pequeño espacio que hay entre el rotor y el estator.
Detrás de esto está la interacción entre los armónicos de la fuerza magnética de los imanes permanentes y los armónicos del entrehierro. Es un fenómeno por el que, cuando la distribución del campo magnético se desvía de la onda sinusoidal ideal, se producen pulsaciones en el par motor en función de la rotación. En la distribución del campo magnético intervienen elementos de diseño como el ángulo polar, la forma de los imanes y su orientación.Es el tercer factor que depende del diseño en torno a los imanes en lo que respecta al campo magnético.
Tres formas de reducir las oscilaciones de par
Dado que las causas de las fluctuaciones de par son varias, tampoco hay un único enfoque para reducirlas. Hay medidas que se pueden tomar en cada fase: en la de diseño, en la de control y en la de selección del motor. En este capítulo, vamos a organizar los tres métodos más habituales para controlar las fluctuaciones de par, siguiendo el proceso de diseño, control y selección.
Lo que vamos a explicar en esta sección
- Optimizar el diseño de motores mediante el análisis de campos electromagnéticos
- Ajustar la forma de onda de la corriente mediante el control
- Elegir un motor sin núcleo
Vamos a repasar uno por uno los tres métodos, desde el diseño inicial hasta la selección final del producto.
Optimizar el diseño de motores mediante el análisis de campos electromagnéticos
La técnica para optimizar el diseño de motores mediante el análisis de campos electromagnéticos consiste en reducir, desde el punto de vista estructural, las fuentes de fluctuación del par. La magnitud del par de cogging y de los componentes armónicos varía en función de elementos estructurales como la combinación del número de polos magnéticos y de ranuras, el sesgo del estator y del rotor, o la forma de los imanes.En el ámbito del diseño, lo habitual es comparar y evaluar numéricamente varias configuraciones mediante simulaciones de campos electromagnéticos. Si puedes predecir las formas de onda del par de cada configuración antes de hacer prototipos, podrás reducir las opciones a aquellas propuestas de diseño con menos fluctuaciones. Además, incorporar medidas correctivas desde las primeras fases del diseño tiene la ventaja de evitar tener que volver atrás en etapas posteriores.
*Skew: Estructura en la que el estator y el rotor se colocan con un ligero giro en espiral. Esto desplaza el encaje entre los imanes y las ranuras, lo que ayuda a suavizar las pulsaciones del par.
Ajustar la forma de onda de la corriente mediante control
El método de ajustar la forma de onda de la corriente mediante el control es una estrategia para reducir las fluctuaciones de par derivadas de la corriente que se producen durante el funcionamiento. El control vectorial es el más utilizado. Consiste en dividir la corriente que circula por el motor en componentes del eje d y del eje q, y ajustar solo los componentes que generan par para que se acerquen al valor ideal.Si se logran reducir las fluctuaciones en la forma de onda de la corriente, las variaciones del campo magnético también se suavizan. Además, revisar la frecuencia portadora del PWM y las condiciones de funcionamiento también es una medida eficaz. La ventaja de este enfoque basado en el control es que permite realizar ajustes desde el lado operativo sin tener que modificar el diseño en sí.
Elegir un motor sin núcleo
Además de optimizar el diseño y el control, elegir un motor que se adapte a las características requeridas también ayuda a reducir la fluctuación del par. Una opción típica son los motores sin núcleo. Como no tienen núcleo de hierro, no se producen los movimientos repetitivos de atracción y repulsión de los imanes, por lo que prácticamente no se produce el efecto de dentado.Las principales características de los motores sin núcleo son las siguientes:
【Principales características de los motores sin núcleo】
- Reducción del efecto de cogging gracias a una estructura sin núcleo de hierro
- Características de giro suaves y con pocas irregularidades
- Vibraciones y ruidos mínimos; alta capacidad de respuesta
Mientras que en los motores con núcleo se produce un par de dentado, los motores sin núcleo reducen los factores que provocan este fenómeno ya desde el diseño. Son una opción muy interesante para sectores como los dispositivos médicos, la óptica y los sistemas de seguridad, donde se busca un funcionamiento suave y silencioso.
Resumen
La fluctuación del par es un fenómeno por el que el par que genera el motor mientras gira varía de forma periódica. Detrás de este fenómeno hay tres factores que interactúan de forma conjunta: el par de cogging, que se produce incluso cuando el motor no está alimentado; los armónicos presentes en la forma de onda de la corriente; y los armónicos presentes en la densidad de flujo magnético.Para reducirlo, hay tres enfoques eficaces: optimizar el diseño mediante análisis de campos electromagnéticos, ajustar la forma de onda de la corriente mediante control vectorial y seleccionar un motor que se adapte a las características requeridas.Entre ellos, los motores sin núcleo, que no tienen núcleo de hierro, ya reducen el «cogging» en la propia estructura, por lo que son una opción muy interesante para aplicaciones como equipos médicos, ópticos o de seguridad, donde se requiere silencio y un control preciso. Si combinas medidas en cada fase —diseño, control y selección—, puedes reducir la fluctuación del par hasta el nivel aceptable según la aplicación.
Información sobre productos y consultas
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