Servomotores: todo lo que querías saber sobre los servomotores

Elegir el tipo de motor adecuado para su aplicación es un paso importante para garantizar que obtendrá el rendimiento que necesitan sus operaciones. En el mundo de la transformación industrial, los motores son el motor de su planta de producción, por lo que comprender las opciones disponibles para tomar la decisión correcta le ayudará a mantener su planta funcionando sin problemas.

Dado que muchos procesos de fabricación se están automatizando cada vez más, lo que exige precisión y requiere repetibilidad, los servomotores son una excelente opción. A diferencia de las bombas hidráulicas o los motores de inducción, que deben permanecer encendidos mientras están en uso, los servomotores se encienden y apagan durante su funcionamiento, lo que resulta en un consumo de energía significativamente menor; en algunos casos, se ahorra hasta un 65 por ciento.

Dado que los servomotores están especialmente equipados para recibir señales de sensores y controladores computarizados, son excelentes para ejecutar actividades precisas, como las relacionadas con las máquinas CNC, la robótica industrial y la manufactura automatizada avanzada. Sin embargo, los servomotores también se pueden encontrar en productos comerciales y de consumo, como cámaras y abridores de puertas. En primer lugar, exploremos qué es exactamente un servomotor.

Comprensión de los servomotores síncronos

Un servomotor convencional convierte la energía eléctrica en movimiento rotatorio. Para ello, un servomotor suele constar de un estator, que actúa como carcasa, un rotor de imán permanente y un dispositivo de retroalimentación.

El servomotor se fija al bastidor de una máquina o a la carga que se va a controlar. El estator constituye la parte electromagnética del motor. Cuando la corriente eléctrica fluye a través de sus bobinados de cobre, una parte del cuerpo del estator puede volverse magnéticamente atractiva para el rotor. 

El rotor es la parte giratoria del motor que está acoplada a la carga. Está formado por un eje de salida centrado en una masa de hierro construida con láminas de acero. El rotor está suspendido por un par de cojinetes que sostienen el eje de salida en el centro del estator. El campo magnético del rotor está formado por imanes permanentes que están integrados en el rotor. 

Cómo funcionan los servomotores

El dispositivo de retroalimentación del motor permite que el controlador del motor sepa exactamente qué está haciendo el motor y modifique las entradas de control al motor según sea necesario para un funcionamiento adecuado. Cuanto más sensible sea este dispositivo a cambios mínimos, más preciso podrá ser el control del motor.

Se debe aplicar corriente al devanado del electroimán para provocar movimiento entre los electroimanes y los imanes permanentes utilizados en un servomotor típico. Se genera un campo magnético alrededor del conductor por el que circula la corriente; la polaridad de este campo puede invertirse cambiando la dirección del flujo de corriente. El campo magnético inducido por un cable no es suficiente para hacer que el segundo imán se mueva.

A diferencia de las bombas hidráulicas o los motores de inducción, que deben permanecer encendidos mientras están en uso, los servomotores se encienden y apagan durante su funcionamiento, lo que resulta en un consumo de energía significativamente menor; en algunos casos, se ahorra hasta un 65 por ciento.

Para amplificar el campo magnético, el alambre se enrolla sobre sí mismo varias veces. Al hacerlo, el campo magnético se multiplica por el número de alambres enrollados en la bobina. Además, el bobinado se monta sobre un núcleo de hierro, lo que concentra aún más el campo magnético generado. Al hacer pasar corriente a través de una bobina de alambre con un núcleo de hierro, se genera un fuerte campo magnético. Una vez que el electroimán ha generado un campo magnético, el imán permanente reacciona a él. La magnitud de la fuerza de atracción o repulsión generada por los imanes depende de la intensidad de ambos imanes.

La creación de un punto de atracción lo suficientemente fuerte en el estator hace que el rotor gire hacia ese punto; el movimiento continuo del punto de atracción da como resultado la rotación. La orientación del rotor se sincroniza con la orientación del punto de atracción magnética en el estator, de ahí el nombre de motor síncrono.

Por qué son importantes los sistemas de accionamiento

Controlar el punto de atracción magnética en el estator del motor no es tarea fácil. Dado que un motor se controla variando la cantidad de electricidad que se le envía, es fundamental considerar qué es lo que controla esa energía (y con qué eficiencia).

Los sistemas de accionamiento que regeneran energía, en lugar de descargarla, y que utilizan los transistores más eficientes pueden tener un impacto significativo en tu factura de luz.

Ahorro mediante la regeneración: Einstein reformuló la primera ley de la termodinámica al decir: «La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra». Una vez que la energía se ha transferido a un servomotor para hacerlo funcionar, esa energía debe ir a algún lado cuando queremos que el motor se detenga.  Los servosistemas tradicionales liberan esa energía a través de una «resistencia de descarga», convirtiéndola en calor y transmitiéndola al aire (donde no te sirve de nada). Los servosistemas eficientes regeneran esa energía extrayéndola de los motores y devolviéndola a las líneas eléctricas para que se vuelva a utilizar. No es raro lograr un ahorro de energía del 30 al 40 por ciento al cambiar de sistemas de descarga a sistemas de regeneración.

Reducción de la pérdida de calor con transistores: El control del punto magnético en el estator se realiza activando una serie de transistores en el controlador del motor. Cuanto más rápido logres que los transistores cambien su estado de encendido/apagado (mayor frecuencia), más preciso será el control del motor y más rápido podrás acelerarlo hasta la velocidad de operación. Las frecuencias más altas no solo permiten un control más preciso del motor, sino también un menor consumo de energía, ya que el motor funciona durante menos tiempo. Una posible desventaja es que el ciclo repetitivo de encendido y apagado de los transistores puede generar mucho calor, que aumenta con la frecuencia. Como ya se mencionó, el calor es energía en una forma que no resulta muy útil para ti. Los servomotores accionados por amplificadores con circuitos de transistores de baja pérdida reducen esa pérdida de calor al mínimo.

Prácticas recomendadas para la confiabilidad de los servomotores

Ahora que comprendes cómo funciona un servomotor y la importancia de su sistema de accionamiento para ahorrar energía, debes asegurarte de que tu motor funcione de manera confiable. A continuación, te ofrecemos algunos consejos para aprovechar al máximo tu motor:

Compra motores probados: Antes de comprar un motor, es útil saber cómo se ha probado y para qué entornos y condiciones se ha diseñado. Algunos fabricantes prueban la resistencia de sus motores ante: vibraciones, interferencias eléctricas, fugas al estar sumergidos, penetración de neblina, temperaturas extremas y desgaste prematuro. Los fabricantes de motores con altos estándares rechazarán los diseños que no puedan soportar el equivalente a 30 años de uso en cada una de esas pruebas.  Para que los motores tengan éxito en el mundo de la industria de procesamiento, deben someterse a las pruebas más rigurosas que garanticen su capacidad para soportar entornos hostiles y procedimientos de limpieza exigentes. Asegurarte de que el fabricante de tu motor haya sometido sus diseños a una serie de pruebas de resistencia extremas puede marcar la diferencia entre el éxito y el fracaso de una inversión.  No basta con impermeabilizar tus motores: si las conexiones de tus motores y otros equipos no están bien selladas, se producirán fallas en esos puntos. Quizás hayas comprado recientemente un reloj inteligente o unos audífonos que indicaban que tenían clasificación IP67; ¿qué significa eso y qué tiene que ver con los motores? La norma IEC 60529 define la protección contra la entrada de sólidos y líquidos en un dispositivo.  El primer dígito indica la protección contra sólidos, que va desde el 1 (protección contra objetos mayores de 50 mm, como una mano) hasta el 6 (protección contra partículas del tamaño más pequeño, como el talco).  El segundo dígito indica la protección contra líquidos, que va desde el 1 (protección contra gotas de líquido que caen verticalmente) hasta el 8 (protección incluso durante una inmersión total por largos períodos). En el caso de los relojes inteligentes, son completamente herméticos al polvo y pueden soportar una inmersión de hasta un metro durante 30 minutos. Para obtener la máxima confiabilidad, asegúrate de que todos tus motores y conexiones tengan, como mínimo, la clasificación IP67.

Flexibilidad en la ubicación de tus motores: A menudo, los motores se colocan directamente debajo de la maquinaria. Sin embargo, ese podría no ser el mejor lugar para que los motores funcionen como se necesita y alcancen su máxima vida útil. Aunque los puntos uno y dos se refieren a la resistencia al agua, si puedes evitar colocar tu equipo en un lugar donde se vaya a mojar constantemente, ¡hazlo!  Los líquidos tienen una tendencia exasperante a colarse precisamente donde no los quieres; si puedes evitar que tus motores se mojen por completo, ese es el mejor plan.

El líquido refrigerante suele ser un mal necesario: El mantenimiento relacionado con el líquido refrigerante es considerable, pero no realizar estas tareas correctamente puede dar lugar a algunos experimentos científicos desagradables. Mantener los niveles adecuados de pH y aireación contribuye en gran medida a evitar que el líquido refrigerante se vuelva cáustico y, por lo tanto, corra los materiales protectores como la pintura y el caucho. Si tu líquido refrigerante huele como si un gato callejero se hubiera instalado en el área, puedes estar seguro de que el nivel de bacterias es demasiado alto.

Piensa en tus operaciones y en todo lo que tus motores hacen por ti. Con solo algunas consideraciones sencillas y buenas prácticas, podrías ahorrarte muchos dolores de cabeza y pérdidas económicas.

*Nota: Este artículo, publicado originalmente en la edición de mayo de la revista Processing