Unidad v Maquinas Especiales II

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MAQUINAS ESPECIALES | 1 CAPITULO I PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN JUSTIFICACIÓN Las maquinas especiales para el área de mecatrònica es considerada uno de los principales elementos de la ingeniería, por que a medida que pasa el tiempo la tecnología evoluciona de manera sorprendente. Dentro del universo de las definiciones que favorecen a los individuos, los servomotores ocupa una posición importante, y entre las más frecuentes se encuentran diversos modelos pero todos cumpliendo la misma función. Además de la alta demanda de empresas y laboratorios que se utilizan en las grandes industrias, las maquinas especiales constituye una entidad que mantiene, progresivamente mayor, una alta perspectiva, y a pesar de que todo lo que vemos y hacemos pasa desapercibido para la mayoría de las personas a algunas que son de ciencia les interesa saber el por qué de las cosas.

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CAPITULO I 

PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

JUSTIFICACIÓN

Las maquinas especiales para el área de mecatrònica es considerada uno

de los principales elementos de la ingeniería, por que a medida que pasa el

tiempo la tecnología evoluciona de manera sorprendente. Dentro del universo

de las definiciones que favorecen a los individuos, los servomotores ocupa una

posición importante, y entre las más frecuentes se encuentran diversos

modelos pero todos cumpliendo la misma función.

Además de la alta demanda de empresas y laboratorios que se utilizan en

las grandes industrias, las maquinas especiales constituye una entidad que

mantiene, progresivamente mayor, una alta perspectiva, y a pesar de que todo

lo que vemos y hacemos pasa desapercibido para la mayoría de las personas a

algunas que son de ciencia les interesa saber el por qué de las cosas.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Que se aprendan cueles son las características, su definición y diversos

tipos de maquinas especiales

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Comprender la importancia de identificar las características generales 

Servomotores de Cd y Servomotores de Ca

.  Conocer cuáles son y cuál es su funcionamiento de dichos motores de

Motores eléctricos de pasos y Motor eléctrico lineal

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CAPITULO II 

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

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5.1 SERVOMOTORES DE CD

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una

resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la

figura se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetropermite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor.

Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el

circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección

adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar

alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados,

pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un

movimiento angular de entre 0 y 180.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste

necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor

regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña

cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control

proporcional.

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CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO: 

Estos servos tienen un amplificador, servo motor, piñonearía de reducción y un

potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto. Esto

es un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe

ir), con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de

conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control.

Para controlar un servo, usted le ordena un cierto ángulo, medido desde 0

grados. Usted le envía una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica el

ángulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = máx. Grado (cerca

de 120) y algún valor entre ellos da un ángulo de salida proporcional.Generalmente se considera que en 1.5ms está el "centro." Entre límites de 1 ~

2ms son las recomendaciones de los fabricantes, usted normalmente puede

usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ángulo mayor e incluso de 2ms

para un ángulo de rendimiento de 180 grados o más. El factor limitante es el

tope del potenciómetro y los límites mecánicos construidos en el servo. Un

sonido de zumbido normalmente indica que usted está forzando por encima al

servo, entonces debe disminuir un poco.

El tiempo de OFF en el servo no es crítico; puede estar alrededor de los 20ms.

Hemos usado entre 10ms y 30 ms. Esto No tiene que ser de ésta manera,

puede variar de un pulso a otro. Los pulsos que ocurren frecuentemente en el

tiempo de OFF pueden interferir con el sincronismo interno del servo y podría

escucharse un sonido de zumbido o alguna vibración en el eje. Si el espacio

del pulso es mayor de 50ms (depende del fabricante), entonces el servo podría

estar en modo SLEEP entre los pulsos. Entraría a funcionar en pasos

pequeños y el rendimiento no sería el óptimo.

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Como se observa en la figura, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo

del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las

ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El

principio, sin embargo, es el mismo.

El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está

determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A

esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un

pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará

los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se

torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es

menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es

mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados.

La descripción realizada anteriormente como se ha podido observar los

servomotores de corriente continúa usados en robótica doméstica y en

aeromodelismo fundamentalmente.

SERVOMOTORES EN MODELISMO: 

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DIAGRAMA DE UN SERVOMOTOR TÍPICO DE MODELISMO. 

Un servomotor de este tipo es básicamente un motor eléctrico que sólo se

puede girar en un ángulo de aproximadamente 180 grados (no dan vueltas

completas como los motores normales). De los tres cables que salen de su

cubierta. El rojo es de voltaje de alimentación (+5V), el negro es de tierra (0V ó

GND). El cable blanco (a veces amarillo) es el cable por el cual se le instruye al

servomotor en qué posición ubicarse (entre 0 grados y 180).

Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le dice a un pequeño motor de

corriente directa cuántas vueltas girar para acomodar la flecha (el eje de

plástico que sale al exterior) en la posición que se le ha pedido.

En la siguiente figura se observa la ubicación de estas piezas dentro del servomotor: 

Un potenciómetro que está sujeto a la flecha, mide hacia dónde está ubicado

en todo momento. Es así como la tarjeta controladora sabe hacia dónde mover

al motor.

La posición deseada se le da al servomotor por medio de pulsos. Todo el

tiempo debe haber una señal de pulsos presente en ese cable.

La señal de pulsos controla al servo de la siguiente forma:

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Nótese que el intervalo de tiempo entre pulsos se mantiene constante, y la

variación del ancho de los mismos es lo que le indica al servo la posición que

se desea. Estos valores de milisegundos han funcionado bastante bien para los

servomotores FUTABA FP-S148, FUTABA S3003, Hitec HS-300 y HOBBICO

COMMAND CS-51, y hemos encontrado también que son bastante tolerables

en cuanto al período de los pulsos de control. Responden adecuadamente a

pulsos desde 50 hz. Hasta aproximadamente 100 hz., pero una vez escogida

una frecuencia de operación debe procurarse mantener la misma frecuencia

todo el tiempo.

Servomotores de CD 

Los servomotores de cd son motores impulsados por una corriente que

procede de amplificadores eléctricos de cd o ca con demoduladores internos o

externos, reactores saturables, tiratrones o amplificadores rectificadores

controlados de silicio.

Los servomotores de cd son de muchos tamaños, desde .05 hp hasta 1000 hp.

Las características fundamentales que se deben buscar en cualquier

servomotor de cd o ca, son las siguientes:

  Que el par de salida del motor sea aproximadamente proporcional a su

voltaje de control aplicado (desarrollado por el amplificador).

  Que la dirección del par éste determinada por la polaridad instantánea

del voltaje de control.

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Se usan cuatro tipos de servomotores de cd, que son los más importantes, los

cuales son:

- Motor de derivación de campo controlado

- Motor derivación de armadura controlada

- Motor serie

- Motor derivación de imán permanente o de excitación de campo fijo

a) Servomotor de cd de campo controlado 

El par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de cd no

le suministra excitación de campo.

Como la corriente de armadura es constante , el par varía directamente de

acuerdo con el flujo del campo y también de acuerdo con la corriente de campo

hasta la saturación.

Si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor. Elcontrol de la corriente del campo mediante este método se usa solo en

servomotores muy pequeños, debido a que no es deseable suministrar una

corriente de armadura grande y fija como la que se necesitaría para los

servomotores de cd.

Otra de las razones de su uso en servomotores pequeños es el hecho de que

su respuesta dinámica es más lenta que la del motor de armadura controlada,

debido a la mayor constante de tiempo del circuito altamente inductivo del

campo.

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b) Servomotor de cd de armadura controlada 

Este servomotor emplea una excitación de campo de cd fija que suministra una

fuente de corriente constante.

Este tipo de control, posee determinadas ventajas dinámicas que no tienen el

método de control de campo.

Un cambio súbito en el voltaje de armadura que ocasiones una señal de error

provocara una respuesta casi instantánea en el par debido a que el circuito de

armadura es esencialmente resistivo en comparación con el circuito de campoaltamente inductivo.

El campo de este motor se trabaja en forma normal bastante más allá del punto

máximo de la curva de saturación, para mantener el par menos sensible a

pequeños cambios en el voltaje de la fuente de corriente constante.

Además, un alto flujo en el campo aumenta la sensibilidad del motor al par para

el mismo cambio pequeño de la corriente de armadura, representado de formaalgebraica como:

Los motores de cd hasta de 1000 hp se impulsan de este modo mediante

control de voltaje de armadura. Si la señal de error y la polaridad del voltaje de

armadura se invierten, el motor invierte su dirección.

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c) Servomotor de cd de imán permanente de armadura controlada 

Este tipo de servomotor, mucho muy difundido, emplea imanes permanentes

(ya sea de Alnico o de cerámica) para tener excitación constante del campo, en

oposición a una fuente constante de corriente de campo.

Se fabrica en general para 6v y 28v en tamaños fraccionarios y en 150v para

caballajes integrales hasta de 2 hp.

La estructura del campo para este tipo de motor consiste en general de

aleación Alnico VI, vaciada o colada en forma de anillo circular que rodea

completamente a la armadura y da un flujo fuerte y constante.

Los motores de imán permanente están bien compensados mediante

devanados de conmutación para evitar la desmagnetización de los imanes de

campo siempre que se invierte súbitamente el voltaje de corriente directa de

armadura.

En estos motores, las corrientes parásitas y los efectos de la histéresis, en

general son desdeñables y las zapatas polares son comúnmente laminadaspara reducir el arqueo en las escobillas siempre que se tiene un cambio rápido

del voltaje a la señal.

Estos dispositivos también se controlan mediante la regulación del voltaje de

armadura de igual manera que el motor derivación de armadura controlada

mencionado anteriormente.

En este motor se usan dos modos de funcionamiento: de control de posición yde control de velocidad. Los que se usan para control de posición a veces se

llaman “motores de par” debido a que se desarrollan para extremadamente

altos en reposo o a bajas velocidades.

A la inversa, a altas velocidades, ya que el par varia inversamente con la

velocidad, dada en el sistema SI por:

El par desarrollado es extremadamente pequeño. El par se desarrolla también

en función del voltaje aplicado a la armadura.

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La siguiente figura muestra las curvas características de par (inverso)-velocidad

para tres voltajes, bajo, medio y alto.

Las curvas son muy lineales y el par varía en forma inversa con la velocidad.

También se muestra la familia de corrientes que se toma del suministro de cd a

voltajes aplicados bajos, medios y altos.

La línea de carga que se produce en las intersecciones de las curvas par-

velocidad con las curvas corriente-par es una indicación de la velocidad del par

y la corriente que se produce a voltajes bajos (l ), medianos (m ) y altos (h ).

+Curvas características de un servomotor de cd

Cuando los servomotores de cd de imán permanente se usan en control de

velocidad, trabajan en forma continua para mantener determinada velocidad

predeterminada o deseada.

Puesto que P = kTS , siempre que sean relativamente pequeños las

velocidades y los pares, la potencia que se desarrolla y la que se disipa son

pequeñas.

La figura anterior muestra las curvas par-velocidad para tres voltajes (bajo,

medio y alto), así como las zonas de funcionamiento seguro del motor.

Estos servomotores son, por lo general, totalmente cerrados y tienen grandes

tamaños de armazón para permitir una disipación adecuada de calor.

Dependiendo de la velocidad por controlar y de las necesidades de par de la

carga que se impulsa, un motor también puede necesitar de un ventilador

interconstruido para mejorar la disipación del calor y enfriar la armadura.

Las graficas anteriores muestran también los limites de potencia para el

funcionamiento seguro en trabajo continuo son enfriamiento de aire, cuando las

necesidades de par son bastante bajas y la velocidad puede ser bastante alta.

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Se usan también para mostrar la zona de trabajo intermitente, para la cual las

necesidades de par son de moderadas a altas y el funcionamiento seguro con

trabajo continúo con ventilador de aire de enfriamiento.

Se muestran dos líneas de límites de potencia (A y B ) y representan al

producto par-velocidad basado en la potencia nominal del motor, sin y con las

ventajas de enfriamiento por aire. La línea de la carga representa la carga fija

que debe acelerar el motor.

Como se demostró en las graficas anteriores, el punto o  representa la

velocidad y el par máximo que pueda desarrollar el motor sin enfriamiento por

aire para funcionamiento continuo sin sobrecalentarse.

El punto w representa la velocidad y el par máximo que puede desarrollar con

ventilador de enfriamiento y en trabajo continuo.

d) Servomotores serie de cd de campo dividido 

Los motores pequeños de potencia fraccionaria, de cd y campo dividido, se

pueden hacer trabajar como motores con excitación separada y de campocontrolado, como se muestra en la figura siguiente.

Un devanado se llama devanado principal y al otro devanado auxiliar, aunque

ambos generan fuerza magnetomotriz y están devanados alrededor de los

polos del campo en tal dirección que producen inversión de rotación entre sí.

Como se muestra en la figura anterior, los motores se pueden excitar por

separado y se puede abastecer a la armadura con una fuente de corrienteconstante.

Las ventajas del campo dividido para controlar el campo radican en que la

respuesta dinámica de la armadura se mejora, porque los campos siempre

están excitados, y en que se obtiene un grado más exacto de control debido a

que la dirección de rotación responde más a diferencia extremadamente

pequeñas de corriente entre los devanados principal y auxiliar.

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Los motores serie mayores se hacen funcionar empleando la configuración de

la figura mostrada a continuación, porque es difícil obtener una excitación

separada de armadura empleando grandes corrientes constantes.

En esta configuración, la corriente de armadura del motor serie de campo

dividido es la suma de las corrientes por los devanados auxiliar y principal.

Pero cuando estas corrientes del campo en serie son iguales y opuestas no se

produce par.

Un pequeño aumento o disminución de la corriente en el devanado auxiliar

producirá un par instantáneo en la dirección que le corresponda.

El servomotor serie produce un alto par de arranque y una rápida respuesta a

pequeñas señales de error. La regulación de velocidad es mala en el caso de

este motor, pero esta desventaja, en general, no es importante en un

servosistema, porque la carga es usualmente fija.

El empleo de dos devanados en oposición reduce algo la eficiencia del motor,

aunque con los motores pequeños lo anterior no es gran problema.

En general, los motores de cd “derivación” o “shut” y los de serie tienen mayor 

inercia en su rotor que los motores de ca, para determinada potencia en hp,

debido a los devanados más toscos de sus armaduras.

La resistencia adicional que resulta por la fricción de las escobillas hace que

disminuya el empleo de motores de cd en servosistemas extremadamente

pequeños y de instrumentos sensibles.

Las armaduras pequeñas también están en diagonal para reducir el fenómeno

llamado “amarre de ranuras” a bajas velocidades. También la conmutación es

problema con los servomotores de cd, aunque ayudan mucho los interpolos y

devanados de compensación.

Sin embargo, a grandes altitudes, debido a la falta de oxigeno, la capa de oxido

se puede raspar de las delgas, ocasionando fallas de conmutación. Se han

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desarrollado servomotores pequeños herméticamente sellados para superar

este problema en particular.

Se presentan peores problemas de conmutación debido al hecho de que los

motores trabajan la mayor parte del tiempo desde posiciones de reposo o casi

de reposo (nulas) y pasan altas corrientes a las delgas o segmentos del

conmutador.

Además, el arqueo en cualquier motor de conmutador produce radiación y

radiointerferencia. Finalmente, las escobillas necesitan mantenimiento

periódico.

Por todas las razones que se han descrito con anterioridad, la mayor parte de

los motores más pequeños que se usan en los servomecanismos son del tipo

de motor de inducción de ca bifásico o de polo sombreado, del tipo de cd sin

escobillas, o bien del tipo de motor de pasos.

¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho ¿por qué se considera

que algunos motores son servomotores y otros no? La respuesta no es

demasiado complicada: un servomotor tiene integrado o adosado al menos un

detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. A los

detectores de posición se les llama "encoders".

Aclarado esto, pasaré a esos servos a los que se refieren en los sitios que dije

antes. Hablo de los servos para radiocontrol de modelos, como los de marca

Futaba, Hitec, etc. Se trata de elementos para control de posición de alerones,

timón, dirección (en autos), alimentación de combustible, etc., para modelos a

escala, que se han vuelto populares en robótica porque entre los disponibles en

el comercio hay algunos bastante económicos, lo que los hace de más fácil

acceso cuando se trata de la construcción de proyectos personales de robótica

y automatización casera.

De estos servos de modelismo, comencemos con los servos que se conocen

como "analógicos".

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5.2 SERVOMOTORES DE CA

Servomotores sin escobillas

Un motor fm es una gama de servomotores de CA sin escobillas con un

rendimiento apto para su uso con los servoaccionamientos de ControlTechniques. Las siglas "fm" corresponden a flexible motor (motor flexible), un

motor diseñado para adaptarlo a una amplia gama de aplicaciones. Los

motores están disponibles en seis tamaños de bastidor con diferentes

reductores, disposiciones de montaje y longitudes de motor.

Unimotor hd es un nuevo servomotor de Control Techniques de alto rango

dinámico, diseñado para par máximo. Esta gama de servomotores brushless

AC ofrece una excepcional solución compacta y de baja inercia para

aplicaciones donde se requiere un par motor muy alto durante perfiles de

aceleración y desaceleración rápidos.

Motores de inducción de CA

Los motores LS, LSMV y FLS de Leroy Somer ofrecen una serie estándar de

motores de CA con potencias entre 0,55 kW y 750 kW. Su diseño resistente y

flexible permite utilizar los motores en casi cualquier aplicación.

Motores de CC

Leroy Somer es el líder mundial en la fabricación de motores de CC. Control

Techniques puede ofrecer conocimientos inigualables en aplicaciones con

motores de CC y accionamientos; nuestro accionamiento Mentor II, junto con el

motor de CC LSK de Leroy Somer, crea una solución completa para

accionamientos de CC.

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CÁLCULOS

Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar

comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar

su posición mediante una señal cuadrada de voltaje. El ángulo de ubicación del

motor depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor,

dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de

operación. Para el servomotor Futaba S3003, los valores posibles de la señal

en alto están entre 0,3 y 2,1 ms, que posicionan al motor en ambos extremos

de giro (0° y 180°, respectivamente). El valor 1,2 ms indica la posición central, y

otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición

proporcional a dicha duración.

FUNCIONAMIENTO DEL SERVO

La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation ), es una

de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema

consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el

pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el

objetivo de modificar la posición del servo según se desee.

"PWM para recorrer todo el rango de operación del servo"

El sistema de control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe

situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del

pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de

operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que

el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de

entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y

180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), mientras que

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otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen

ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1

ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se

sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un

zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor

limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.

"Ejemplos de posicionamiento de un servo"

El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede

ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10

ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede

interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la

vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo

pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con

intervalos pequeños.

"Periodos entre pulsos"

A continuación se puede observar la posición del eje de un servomotor según

la anchura del pulso aplicada:

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"Otra posibilidad de pulsos de control"

PRUEBA DEL SERVOMOTOR

Para comprobar el funcionamiento de un servomotor se lo puede hacer

mediante un circuito oscilador en este caso un 555, logrando así determinar los

tiempos necesarios para el funcionamiento de este para que luego pueda ser

programado en un microcontrolador.

"Circuito de prueba del servo"

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5.3 MOTORES ELECTRICOS DE PASOS

El motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una

serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que

significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo

de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma

manera que una conversión digital-analógica y puede ser gobernado por

impulsos procedentes de sistemas lógicos.

Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en

cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como

motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, 

servomotores y motores controlados digitalmente.

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Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia

variable, el motor de magnetización permanente, y el motor paso a paso

híbrido. 

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 

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.

Aun 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. Intenta ilustrar el modo de

funcionamiento de in motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como

L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaza de imantarse cuando dichas

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bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra para el imán M

puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.

Paso 1 (a) Paso 2 (b) Paso 3 (c) Paso 4 (d)

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, se crearán dos polos magnéticos

NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la

posición indicada en la dicha figura.

Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendrá la

situación magnética 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 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.

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MAQUINAS ESPECIALES | 22

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 es podemos decir que un motor paso a paso es un dispositivo

electromecánico que convierte impulsos eléctrico en un movimiento rotacional

constantes 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 depaliar 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. Si se abre posteriormente S1 y

se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos, M evoluciona hasta

la situación.

Principio básico de un motor unipolar de cuatro fases

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Siguiendo la secuencia 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 PAP 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 micropolos 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.

Foto 2.- 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

Desde el punto de vista de su construcción existen 3 tipos de motores paso a

paso:

· De imán permanente: es el modelo que hemos analizado anteriormente; el

rotor es un imán permanente en el que se mecanizan un número de dientes

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MAQUINAS ESPECIALES | 24

limitado por su estructura física. Ofrece como principal ventaja que su

posicionamiento no varía aún sin excitación y en régimen de carga

· De reluctancia variable: 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 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.

· Híbridos: Son combinación de los dos tipos anteriores; 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. 

· Motores Unipolares: En este tipo de motores, todas las bobinas del estator

están conectadas en serie formando cuatro grupos. Esto a su vez, se conectan

dos a dos, también en serie, y se montan sobre dos estatores diferentes, tal y

como se aprecia en la Figura 4. Según puede apreciarse en dicha figura, del

motor paso a paso salen dos grupos de tres cables, uno de los cuales es

común a dos bobinados. Los seis terminales que parten del motor, deben ser

conectados al circuito de control, el cual, se comporta como cuatro

conmutadores electrónicos que, al ser activados o desactivados, producen la

alimentación de los cuatro grupos de bobinas con que está formado el estator.

Si generamos una secuencia adecuada de funcionamiento de estos

interruptores, se pueden producir saltos de un paso en el número y sentido que

se desee.

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Control de motor Unipolar 

· Motores Bipolares: En este tipo de motores las bobinas del estator se

conectan en serie formando solamente dos grupos, que se montan sobre dos

estatores, tal y como se muestra en la Figura 5.

Según se observa en el esquema de este motor salen cuatro hilos que se

conectan, al circuito de control, que realiza la función de cuatro interruptores

electrónicos dobles, que nos permiten variar la polaridad de la alimentación de

las bobinas. Con la activación y desactivación adecuada de dichos

interruptores dobles, podemos obtener las secuencias adecuadas para que el

motor pueda girar en un sentido o en otro.

Control de motor Bipolar

La existencia de varios bobinados en el estator de los motores de imán

permanente, da lugar a varias formas de agrupar dichos bobinados, para que

sean alimentados adecuadamente. Estas formas de conexión permiten

clasificar los motores paso a paso en dos grandes grupos:

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Disposición de las bobinas de motores paso a paso a) bipolar b) unipolar con 6 hilos c) unipolar

a 5 hilos d) unipolar a 8 hilos.

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.

En el caso de los unipolares lo normal es encontrarnos con cinco, seis u ocho

terminales, ya que además de los bobinados hay otros terminales que

corresponden con a las tomas intermedias de las bobinas, los cuales se

conectan directamente a positivo de la fuente de alimentación para su correcto

funcionamiento. En la figura 3b, 3c y 3d pueden apreciar cómo están

conectados internamente los terminales de estos tipos de motores.

PARÁMETROS DE LOS MOTORES PASO A PASO 

Desde el punto de vista mecánico y eléctrico, es conveniente conocer el

significado de algunas de las principales características y parámetros que se

definen sobre un motor paso a paso:

· Par dinámico de trabajo (Working Torque ): Depende de sus características

dinámicas y es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin

perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del

estator y dependiendo, evidentemente, de la carga.

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Generalmente se ofrecen, por parte del fabrican, curvas denominadas de

arranque sin error (pull-in) y que relaciona el par en función el número de

pasos.

Hay que tener en cuenta que, cuando la velocidad de giro del motor aumenta,

se produce un aumento de la f.c.e.m. en él generada y, por tanto, una

disminución de la corriente absorbida por los bobinados del estator, como

consecuencia de todo ello, disminuye el par motor.

· Par de mantenimiento (Holding Torque ): Es el par requerido para desviar,

en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es

estable; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener elrotor en una posición estable dada

· Para de detención (Detention Torque ): Es una par de freno que siendo

propio de los motores de imán permanente, es debida a la acción del rotor

cuando los devanados del estator están desactivados.

· Angulo de paso (Step angle ): Se define como el avance angular que se

produce en el motor por cada impulso de excitación. Se mide en grados, siendo

los pasos estándar más importantes los siguientes:

Grados por impulso de excitación Nº de pasos por vuelta 

0,72º 500

1,8º 200

3,75º 96

7,5º 48

15º 24

· Número de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el

rotor para realizar una revolución completa; evidentemente es

Donde NP es el número de pasos y α el ángulo de paso.

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· Frecuencia de paso máximo (Maximum pull-in/out : Se define como el

máximo número de pasos por segundo que puede recibir el motor funcionando

adecuadamente.

· Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se

expresa en gramos por centímetro cuadrado.

· Par de mantenimiento, de detención y dinámico: Definidos anteriormente y

expresados en miliNewton por metro.

CONTROL DE LOS MOTORES PASO A PASO 

Para realizar el control de los motores paso a paso, es necesario generar unasecuencia determinada de impulsos. Además es necesario que estos impulsos

sean capaces de entregar la corriente necesaria para que las bobinas del motor

se exciten, por lo general, el diagrama de bloques de un sistema con motores

paso a paso es el que se muestra en la Figura 10.

5.4 MOTOR ELECTRICO LINEAL

Un motor lineal es un tipo particular de motor eléctrico utilizado en ascensores

o trenes de alta velocidad. Consiste en un elemento primario, donde se

encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo

largo del trayecto que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad

de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario.

Al igual que en el caso de los motores eléctricos rotatorios, pueden existir

modelos síncronos y asíncronos. Junto con las guías lineales, el sistema de

medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de

accionamiento lineal.

Ventajas

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Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el

valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la

transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de

unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en

el mejor de los casos. Por el contrario, las aplicaciones con motores lineales

eliminan los elementos de transmisión mecánica que, debido a su elasticidad,

hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria,

limitando la dinámica y la ganancia del factor Kv.

La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo

magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los

accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas:

Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.

Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importantes que

el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado.

Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso más.

Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del

factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje.

El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que

la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones

de contorneado se incrementan notablemente

Motores eléctricos.

Un motor eléctrico es una maquina que transforma energía eléctrica en energía

mecánica.

En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores

de combustión: 

-A igual potencia su tamaño y peso es más reducido.

-Se puede construir de cualquier tamaño.

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MAQUINAS ESPECIALES | 30

-Tiene un par de giro prácticamente constante.

-Aprovecha muy bien la energía.

-Algunos tipos pueden operar como generador, convirtiendo energía mecánica

en eléctrica.

Por estos motivos son ampliamente utilizados en instalaciones industriales y

demás aplicaciones que no requieran autonomía respecto de la fuente de

energía, dado que la energía eléctrica es difícil de almacenar.

La energía de una batería de varios kilos equivale a la que contienen 80

gramos de gasolina. 

Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos paraaprovechar las ventajas de ambos.

Tipos de motores eléctricos

Motores para corriente continúa: 

-Motor serie

-Compound

-Shunt

Motores para corriente alterna: 

-Síncronos. 

-Solo giran a la velocidad determinada por la frecuencia de la corriente.

-Asíncronos. 

Se pueden desviar muy poco de la velocidad de giro determinada por la

frecuencia y no necesitan un arranque especial. A veces se denominan

motores sin escobillas o sin colector.

Motores lineales. 

Usados en ascensores o trenes de alta velocidad.

Para C.C.:

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MAQUINAS ESPECIALES | 31

Motor serie

Un motor serie es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el

devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la

armadura. 

Este devanado está hecho por un alambre grueso, ya que tendrá que soportar

la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de

armadura (carga del motor).

Cuando el motor tiene mucha carga, el campo serie produce un campo

magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión ó par mucho

mayor, y este tipo de motores desarrolla un torque muy elevado en el arranque.

Sin embargo, la velocidad varia extensamente dependiendo el tipo de carga

que se tenga, por ejemplo sin carga, (no-load), ó con carga completa (full-load).

Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar

cargas pesadas rápidamente.

Manejan cargas pesadas muy por encima de su capacidad completa.

Motor compound

Se designa así al motor de corriente continua cuya excitación es originada por

dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el

bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por

los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.

Motor shunt

Se designa así al motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal

está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados

inducidos e inductor auxiliar.

Al igual que en las dínamos shunt las bobinas polares principales son

construidas de muchas espiras y con hilos de poca sección, por lo que la

resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

Para C.A.

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Motor síncrono

Se denomina motor síncrono a un tipo de motores eléctricos de corriente

alterna. 

Si un rotor girando y que está magnetizado de manera permanente en

dirección transversal se encuentra dentro del estator, será arrastrado por

atracción magnética a la velocidad a la que está girando el campo.

Esta velocidad se llama velocidad síncrona, o velocidad de sincronismo, y el

resultado de la disposición descrita es un motor síncrono.

Su velocidad está exactamente sincronizada con la frecuencia de línea.

Pequeños motores síncronos se encuentran en relojes eléctricos para aseguraruna medición de tiempo precisa, pero también se utilizan en la industria.

En grandes motores síncronos industriales el rotor es un electroimán y está

excitado por la corriente directa.

Una característica del motor síncrono es que si el rotor es "sobreexcitado", esto

es, si el campo magnético es superior a un cierto valor, el motor se comporta

como un capacitor a través de la línea de poder.

Esto puede ser útil para la corrección del factor de potencia en plantas

industriales que usan muchos motores de inducción.

Motor asíncrono (Normalmente trifásico)

Los motores asíncronos son un tipo de motores eléctricos de corriente alterna. 

El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor y un estator en el que se

encuentran las bobinas inductoras.

Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre si 120º.

Cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce

un campo magnético giratorio que envuelve al rotor.

El rotor puede ser de dos tipos, de jaula de ardilla o bobinado. En cualquiera de

los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas

inductoras del estator genera una corriente inducida en el rotor.

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MAQUINAS ESPECIALES | 33

Como esta corriente inducida se encuentra en el seno de un campo magnético,

aparecen en el rotor un par de fuerzas que lo ponen en movimiento.

El campo magnético giratorio gira a una velocidad denominada de sincronismo.

Sin embargo el rotor gira algo más despacio, a una velocidad parecida a la de

sincronismo.

El hecho de que el rotor gire más despacio que el campo magnético originado

por el estator, se debe a que si el rotor girase a la velocidad de sincronismo,

esto es, a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, el campo

magnético dejaría de ser variable con respecto al rotor, con lo que no

aparecería ninguna corriente inducida en el rotor, y por consiguiente no

aparecería un par de fuerzas que lo impulsaran a moverse.

Motor lineal

Un motor lineal es un tipo particular de motor eléctrico utilizado en ascensores

o trenes de alta velocidad. 

Consiste en un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un

elemento secundario que se extiende a lo largo del trayecto que se va a

recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios

primarios sobre un mismo secundario.

Al igual que en el caso de los motores eléctricos rotatorios, pueden existir

modelos síncronos y asíncronos. 

Junto con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador

electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.

Ventajas

Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el

valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la

transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de

unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en

el mejor de los casos.

Por el contrario, las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos

de transmisión mecánica que, debido a su elasticidad, hacen que los

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accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando la

dinámica y la ganancia del factor Kv.

La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo

magnético.

Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos

tradicionales basados en transmisiones mecánicas:

Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.

Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importantes que

el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado.

Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso más.

Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del

factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje.

El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que

la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones

de contorneado se incrementan notablemente

Reducción de los niveles de vibración sin comprometer el grado de

prestaciones

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CAPITULO III 

RESULTADOS

CONCLUSIÓN

El servomotor es un actuador mecánico en cualquier sistema de

servomecanismo que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero

reduciendo a cero la señal de error, y existen dos tipos de servomotores, de

corriente directa y de corriente alterna. Sus características fundamentales para

cd y ca son dos, la primera radica en que el par de salida del motor sea

aproximadamente proporcional a su voltaje de control aplicado. 

Este escrito fue hecho con la finalidad de saber todo con respecto a los

antecedentes que tenga que ver con las maquinas especiales y la

investigación, ya que se hizo una investigación previa para tratar de de cubrir

todos los aspectos que se pretenden explicar. Además de sus características

propias y la diferencia entre los diversos tipos de servomotores y motores paso

a paso ya que cuando hablamos de maquinas especiales nos referimos a la

ciencia o el estudio de programar control un motor con

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BIBLIOGRAFIA

+ Irving L. Kosow Máquinas eléctricas y transformadores

Segunda edición. Ed. Prentice Hall

+ Características básicas

por Eduardo J. Carletti

+ Tutorial sobre el control de motores paso a paso (en inglés).

+ Guía de Selección de motor paso a paso

+ Motores paso a paso, características básicas