Motor de par sin carcasa de par elevado: de dónde viene el par

Un motor de par sin carcasa de par elevado no es una clase aparte de máquina. Es el mismo conjunto de estator y rotor que cualquier otro motor BLDC sin carcasa, dimensionado hasta que la cifra de par publicada es lo bastante grande para mover una articulación de trabajo y no una yema del dedo. Lo que cambia a medida que sube el tamaño es el precio asociado a esa cifra: la corriente que el accionamiento tiene que entregar, el calor que esa corriente introduce en el bobinado, la masa que la articulación tiene que acelerar después y el diámetro que la estructura circundante tiene que alojar. Esta guía sigue esa cadena a través del registro publicado de seis de los conjuntos listados actualmente en la categoría Motores par sin carcasa, desde el RO60 KV115 de 248 g hasta el RO100 KV55 de 710 g.

Respuesta rápida

Un motor de par sin carcasa de par elevado se identifica leyendo tres cifras publicadas juntas, no por un solo número. El par nominal es la cifra continua que una articulación puede sostener sin que el bobinado alcance su límite térmico. El par máximo es una excursión corta que el accionamiento puede ordenar pero que el bobinado no puede mantener. La relación máxima de par por unidad de masa publicada para estos conjuntos los separa después con más nitidez que el par por sí solo, y va de 9.3 Nm/kg en el RI80 V2.0 KV75 a 16.9 Nm/kg en el RO100 KV55. Los seis conjuntos de esta comparación abarcan de 0.8 Nm a 4 Nm en nominal y de 2.4 Nm a 12 Nm en máximo, entre 248 g y 710 g, con corrientes nominales de 7.1 A a 20 A. El par llega, por tanto, con una factura de corriente, una factura de calor y una factura de masa, y la pregunta práctica es cuál de las tres puede pagar la articulación.

Qué significa «par elevado» en un conjunto sin carcasa

La expresión describe una posición dentro de un intervalo publicado y no una tecnología. En toda esta categoría el par nominal publicado va de 0.024 Nm a 4 Nm, y los seis conjuntos reunidos aquí ocupan la parte alta de esa horquilla. Leerlos correctamente depende de mantener separadas dos cifras de par y de advertir que una cuarta magnitud -la masa- se mueve con independencia de las dos.

El par nominal es la cifra que una articulación puede sostener todo el día

El par nominal es el mayor par que el fabricante publica para funcionamiento continuo. En la serie RO el fabricante lo indica directamente como par continuo: 0.8 Nm para el RO60 KV115, 1.3 Nm para el RO80 KV105 y 4 Nm para el RO100 KV55. La serie RI publica la misma magnitud bajo el encabezado de par nominal, con 0.94 Nm para el RI70 KV95, 1.45 Nm para el RI80 V2.0 KV75 y 1.76 Nm para el RI100 KV105. Una articulación que mantiene una postura, resiste la gravedad o soporta una carga permanente está gastando par nominal, y el calor del bobinado que lo acompaña se genera mientras se mantiene la postura. Esta es la cifra que dimensiona el bobinado y, al final, el motor.

El par máximo es una excursión corta, no un punto de trabajo

El par máximo es lo que el conjunto puede entregar durante un intervalo breve, y la relación entre las dos cifras es la advertencia más clara que contiene el registro. El RI80 V2.0 KV75 publica 1.45 Nm nominales frente a 4.1 Nm de máximo, un factor de unos 2.8. El RO100 KV55 publica 4 Nm nominales frente a 12 Nm de máximo, un factor de 3. Una articulación que pasa su vida útil cerca de la cifra máxima está gastando un número que el bobinado no está especificado para mantener. El par máximo es la cifra adecuada para una respuesta a un escalón, una detención de caída o una elevación momentánea; el par nominal es la cifra adecuada para todo lo que ocurre una vez que el transitorio se ha amortiguado.

Dos conjuntos de masa similar pueden quedar a un escalón entero de distancia

El RO60 KV115 y el RI70 KV95 están próximos en masa, 248 g y 270.4 g, pero publican cifras continuas distintas, 0.8 Nm y 0.94 Nm, a partir de disposiciones diferentes y a tensiones de bus diferentes. La relación máxima de par por unidad de masa publicada expone lo mismo de forma más compacta: 9.68 Nm/kg para el RO60 KV115 frente a 9.91 Nm/kg para el RI70 KV95, y 11.36 Nm/kg para el RO80 KV105 frente a 9.3 Nm/kg para el RI80 V2.0 KV75. La masa por sí sola no identifica el conjunto de par más elevado, y el diámetro tampoco. La cifra que sí lo hace es la que el fabricante publica para el bobinado y el servicio.

De dónde viene el par

El par en un motor BLDC de imanes permanentes se produce en el entrehierro, entre los imanes del rotor y la corriente en las ranuras del estator. Todo lo que el registro publica sobre un motor de par sin carcasa de par elevado es consecuencia de cuánto material activo colocó el fabricante en ese entrehierro y de cómo está dispuesto el bobinado.

Imán y cobre, dimensionados por el diámetro del estator

Más par exige más imán y más cobre actuando a un radio mayor, y el radio es el brazo de palanca en la relación entre la fuerza en el entrehierro y el par en el eje. Por eso el conjunto más grande de este grupo es también el más ancho: el RO100 KV55 publica 4 Nm nominales desde un diámetro exterior de 113.5 mm y 710 g, mientras que el RO60 KV115 publica 0.8 Nm nominales desde 73.8 mm y 248 g. La serie RI sigue la misma regla dentro de su propia disposición, subiendo de 0.94 Nm nominales a 76 mm en el RI70 KV95 a 1.76 Nm nominales a 104 mm en el RI100 KV105. Un conjunto sin carcasa no tiene envolvente que infle ese diámetro; la envolvente publicada es la del estator y el rotor que la estructura tiene que alojar.

El Kt se publica, y es la señal de un conjunto de baja velocidad

El fabricante publica una constante de par, Kt, en Nm/A para cada uno de estos conjuntos: 0.130 para el RI70 KV95, 0.155 para el RI80 V2.0 KV75, 0.129 para el RI100 KV105, 0.094 para el RO60 KV115, 0.087 para el RO80 KV105 y 0.2 para el RO100 KV55. El Kt indica cuánto par produce el conjunto por amperio de corriente de fase, y es el número más útil por sí solo para leer un conjunto de par elevado, porque convierte directamente un requisito de par en un requisito de corriente para el accionamiento. La tendencia en todo el grupo es también la tendencia en toda la tecnología: cuanto menor es el Kt, más corriente se necesita para un par dado, y mayor es la corriente continua que el accionamiento y el bobinado tienen que soportar. Un motor de par sin carcasa de par elevado es, en este sentido, una máquina de Kt alto a la que se pide funcionar con una corriente que el bobinado puede sostener.

Los pares de polos y lo que cambian a baja velocidad

El número de pares de polos se publica para cada conjunto: 8 en el RI80 V2.0 KV75, 14 en el RI70 KV95, el RI100 KV105 y el RO60 KV115, y 21 en el RO80 KV105 y el RO100 KV55. Más pares de polos significan más ciclos de conmutación por revolución y un par más suave a muy baja velocidad, que es lo que necesita una articulación que avanza lentamente por un ángulo pequeño bajo carga. También eleva la frecuencia eléctrica que el accionamiento tiene que manejar a una velocidad mecánica dada, lo que se convierte en una restricción solo en la parte alta del rango de velocidad. Para una aplicación de par elevado, la suavidad a baja velocidad suele ser la propiedad que se compra.

El precio del par en corriente y calor

El par no sale gratis en los terminales. Cada newton metro se paga en corriente de fase, y cada amperio se paga en calor dentro del bobinado. El registro publicado muestra lo que eso cuesta en todo este grupo.

La tensión de bus fija la velocidad, no el par

La tensión de bus determina a qué velocidad puede girar el conjunto antes de que la fuerza contraelectromotriz suba hasta igualar la alimentación, y eso se ve en las columnas de velocidad publicadas. Los conjuntos RI ofrecen tres puntos de trabajo porque aceptan 24 V, 36 V o 48 V: el RI80 V2.0 KV75 publica 1135, 1785 y 2430 rpm de velocidad nominal y 1480, 2220 y 2960 rpm de velocidad sin carga en esos buses. Los conjuntos RO publican un único punto cada uno a sus 48 V nominales, de 3600 rpm en el RO80 KV105 a 2000 rpm en el RO100 KV55. El par, en cambio, lo fijan la corriente y el Kt, y por eso una articulación que necesita más par a una velocidad dada es una cuestión de bobinado y corriente y no de tensión.

Las pérdidas en el cobre suben con el cuadrado de la corriente

El calor que se desarrolla en el bobinado es proporcional al cuadrado de la corriente que lo atraviesa, así que un conjunto al que se le pide par con una corriente para la que no fue bobinado se calienta de forma desproporcionadamente más rápida. Las corrientes máximas publicadas en este grupo son considerables: 21 A en el RI70 KV95, 27.6 A en el RI80 V2.0 KV75, 38.6 A en el RI100 KV105, 40 A en el RO60 KV115, 50 A en el RO80 KV105 y 62 A en el RO100 KV55. Ninguna de ellas es una cifra continua. Son excursiones cortas, y la distancia entre una corriente nominal de 7.1 A y una corriente máxima de 21 A en el RI70 KV95 es el margen térmico que tiene el bobinado, no una ventana de trabajo.

Qué cubre la cifra continua publicada

Una cifra de par continuo o nominal es una afirmación térmica, y se hace frente a un ambiente y una condición de montaje declarados. Los conjuntos RI publican una temperatura ambiente de funcionamiento de -20 °C a 50 °C, y los conjuntos RO publican la misma ventana. Lo que el registro no recoge es la resistencia térmica entre el bobinado y la cara de montaje, que es la magnitud que decide cuánto de la especificación sobrevive una vez que el conjunto se atornilla en una estructura que conduce el calor de forma distinta a la del utillaje del fabricante. Esa es una pregunta para el fabricante, y es la primera que hay que hacer cuando se espera que una articulación sostenga un par elevado de forma continua y no ocasional.

Dimensionar: envolvente, diámetro interior y masa del rotor

Aumentar el par cambia al mismo tiempo otras tres magnitudes publicadas, y en un conjunto sin carcasa cada una de ellas recae en quien integra y no en el fabricante.

El diámetro exterior crece más rápido que el par máximo

Dentro de este grupo el diámetro exterior sube de 73.8 mm en el RO60 KV115 a 113.5 mm en el RO100 KV55, un factor de unos 1.54, mientras que el par máximo publicado sube de 2.4 Nm a 12 Nm, un factor de 5. La comparación no es una sustitución equivalente entre disposiciones, y la serie RI muestra el efecto a un ritmo distinto, pasando de 2.68 Nm de máximo a 76 mm en el RI70 KV95 a 4.95 Nm de máximo a 104 mm en el RI100 KV105. La lectura sigue siendo útil: un escalón de par se compra en gran medida con un escalón de diámetro, y la estructura circundante tiene que encontrar ese espacio. Donde la articulación no puede crecer en radio, la palanca publicada alternativa es el bobinado y la corriente, no un motor más pequeño del mismo par.

El orificio pasante y por dónde van los cables

Todos los conjuntos de aquí se construyen en torno a un centro hueco, y el diámetro interior publicado es una restricción de diseño tanto como el diámetro exterior. El RI80 V2.0 KV75 publica un diámetro interior pasante de 40.5 mm y el RI100 KV105 publica 45 mm, mientras que el RI70 KV95 publica un diámetro de eje hueco de 38 mm. Un diámetro interior de ese tamaño deja pasar conductores de señal y de potencia, un eje de accionamiento o el cuerpo de un reductor armónico directamente por el centro de la articulación. Elegir un conjunto es, por tanto, elegir también el trazado que tiene que convivir dentro del conjunto móvil durante toda la vida de la máquina, y un diámetro interior mayor es una de las pocas formas de comprar vida útil del mazo sin comprar una articulación más grande.

La masa del rotor es la masa que la articulación tiene que mover

Un conjunto sin carcasa se publica como dos piezas, y la serie RO registra sus masas por separado: 105 g de rotor y 143 g de estator en el RO60 KV115, 148 g de rotor y 204 g de estator en el RO80 KV105, y 324 g de rotor y 356 g de estator en el RO100 KV55. El rotor es la mitad que gira, así que su masa, y no el total, es lo que la articulación tiene que acelerar y lo que su inercia aporta al lazo que el accionamiento tiene que estabilizar. El fabricante publica también esa inercia, con 1161 gcm² en el RO60 KV115, 2612 gcm² en el RO80 KV105 y 8700 gcm² en el RO100 KV55. Para una articulación que tiene que invertir el sentido con rapidez, un rotor más ligero al mismo par vale más que un total más ligero.

Ruta de carga mecánica e integración

Un conjunto sin carcasa llega sin las piezas que normalmente absorben y transmiten la carga, y en una articulación de par elevado esas piezas son donde recae el trabajo de diseño.

El rodamiento es decisión de quien integra

Ninguno de estos conjuntos lleva su propio juego de rodamientos. El estator tiene que fijarse en una estructura que además conduzca su calor hacia fuera, y el rotor tiene que montarse sobre lo que gire, con una disposición de rodamientos elegida para las cargas radiales y axiales que la articulación verá realmente. A los pares publicados en este grupo esas cargas ya no son incidentales, y la elección del rodamiento, su precarga y su propia rigidez pertenecen a la máquina y no al motor. Las provisiones de montaje publicadas son el punto de partida: los conjuntos RO se suministran con un pasador de centrado y un juego de tornillos de fijación en el paquete de accesorios, en M4 en el RO80 KV105 y M5 en el RO100 KV55.

La carga radial pasa a través de la articulación

Como el conjunto no tiene carcasa ni eje propio, la carga radial de una correa, un engranaje o una carga útil desplazada no pasa por el motor. Pasa por el rodamiento que aporta quien integra, y el rotor del motor solo ve el par que la articulación resiste. Esa es una de las ventajas de la disposición, y es también un requisito sobre el diseño circundante: la estructura tiene que mantener el rotor y el estator concéntricos en todo el rango de carga, porque el entrehierro publicado es un juego de funcionamiento y no una tolerancia. Donde se pide a la articulación que cargue con una persona o un brazo pesado, la deflexión de la estructura de soporte bajo carga pasa a formar parte de la condición de funcionamiento del motor.

Realimentación en parada

Los conjuntos RO se publican como suministrados con sensores Hall y un sensor de temperatura, y los conjuntos RI se publican con sensores Hall como opción. Una articulación que mantiene su posición bajo carga necesita información de posición mientras no se mueve, y ese es el punto en el que la estimación sin sensores resulta menos fiable. La elección entre un conjunto con realimentación y otro sin ella es, por tanto, una decisión sobre lo que se espera que haga el accionamiento a velocidad cero, y el registro lo indica conjunto por conjunto: el RO60 KV115 Standard, el RO80 KV105 Standard y el RO100 KV55 Standard llevan ambos sensores, mientras que las versiones Lite de esas mismas tallas de bastidor se publican sin ellos.

El extremo de par elevado de la gama

La tabla siguiente reúne los seis conjuntos aquí tratados en las columnas que deciden una articulación de par elevado. Cada valor es la cifra que el fabricante publica para ese conjunto.

Par nominal, par máximo, corriente nominal, velocidad nominal, peso y diámetro según lo publicado por el fabricante (CubeMars). Cuando una entrada de velocidad lleva tres valores, son los puntos de trabajo de 24 V, 36 V y 48 V en ese orden; los conjuntos RO publican un único punto a sus 48 V nominales. El par nominal es la cifra continua y el par máximo es un valor de corta duración. Los datos de bobinado, térmicos y de montaje de cada conjunto están en su página de producto del fabricante.

Leyendo hacia abajo la columna del par nominal, el grupo se divide en tres parejas. Dos conjuntos publican por debajo de 1 Nm, dos publican entre 1.3 Nm y 1.45 Nm, y uno publica 4 Nm, el triple de la cifra inferior. Ese último hueco es el sentido de la tabla: un salto de 1.76 Nm a 4 Nm nominales no es un refinamiento del mismo diseño, es una clase distinta de articulación, y las columnas de masa, diámetro y corriente se mueven con él. Leída en horizontal, en cambio, la columna de corriente explica por qué los conjuntos más grandes no son simplemente los más potentes. El RO100 KV55 pide 20 A de forma continua para sostener sus 4 Nm, frente a 8.5 A del RO60 KV115 para sostener 0.8 Nm, y un accionamiento dimensionado para uno no lo está para el otro.

RI80 V2.0 KV75 y RI100 KV105: la pareja de rotor interno

Los dos conjuntos RI más grandes de este grupo se construyen ambos sobre un bus de 24 V, 36 V o 48 V, y los dos publican tres puntos de trabajo en lugar de uno. El RI80 V2.0 KV75 publica 1.45 Nm nominales y 4.1 Nm de máximo desde 411 g y un diámetro de 85 mm, con un diámetro interior pasante de 40.5 mm y una relación máxima de par por unidad de masa de 9.3 Nm/kg. El RI100 KV105 publica 1.76 Nm nominales y 4.95 Nm de máximo desde 500 g y 104 mm, con un diámetro interior de 45 mm y una relación de 9.9 Nm/kg. Entre ambos la masa sube alrededor de un 22 por ciento por un par nominal alrededor de un 21 por ciento mayor, y el diámetro tiene que crecer de 85 mm a 104 mm para ese escalón. La elección entre ellos es en gran medida una cuestión de si la articulación tiene el espacio radial para la talla de bastidor mayor.

RO80 KV105 y RO100 KV55: la pareja de outrunners

Los dos conjuntos RO más grandes publican un único punto de trabajo a 48 V y se suministran con sensores Hall y de temperatura de serie. El RO80 KV105 publica 1.3 Nm continuos y 4 Nm de máximo desde 352 g y 92.6 mm, con un par de retención de 24 N.mm y una relación de 11.36 Nm/kg. El RO100 KV55 publica 4 Nm continuos y 12 Nm de máximo desde 710 g y 113.5 mm, con un par de retención de 55 N.mm y una relación de 16.9 Nm/kg, la más alta de este grupo. El RO100 KV55 es el conjunto que alcanza la parte alta del rango nominal publicado para esta categoría, y sus 16.9 Nm/kg registran que lo hace con menos masa por newton metro que cualquier otro conjunto de aquí.

RI70 KV95 y RO60 KV115: el escalón inferior

El RI70 KV95 publica 0.94 Nm nominales y 2.68 Nm de máximo desde 270.4 g y 76 mm, con un eje hueco de 38 mm y una relación de 9.91 Nm/kg. El RO60 KV115 publica 0.8 Nm continuos y 2.4 Nm de máximo desde 248 g y 73.8 mm, con un par de retención de 15 N.mm y una relación de 9.68 Nm/kg. Ambos se sitúan cerca de 1 Nm continuo, y ambos son el punto de partida natural para una articulación que necesita soportar una carga de trabajo sin la masa ni el diámetro de las tallas de bastidor mayores. También difieren en cómo se comporta su bus: el RI70 KV95 acepta de 24 V a 48 V, mientras que el RO60 KV115 se publica a 48 V.

Ajustar el par al servicio de una articulación

Las cifras publicadas solo se convierten en una decisión una vez que el servicio propio de la articulación se anota primero. Tres magnitudes, en este orden, hacen la mayor parte del trabajo.

Partir de la retención del peor caso, no del crucero

La cifra que dimensiona el conjunto es el mayor par que la articulación tiene que sostener o mover de forma repetida, junto con cuánto tiempo se mantiene. Una articulación que soporta una carga estática, resiste la gravedad sobre un brazo levantado o mantiene una posición contra un muelle está gastando par continuo durante toda la duración, y la columna que hay que leer es la nominal. La columna máxima entra solo para los transitorios: una aceleración, un enganche, una orden de escalón. Anotar las dos por separado, con una duración frente a cada una, es lo que convierte la especificación publicada en un requisito y no en una comparación.

Después, la velocidad a ese par

El par y la velocidad no son independientes, y el registro publicado se organiza en torno a eso. Los conjuntos RI publican una velocidad nominal y una velocidad sin carga para cada uno de tres buses, de 1135 rpm nominales a 24 V a 2430 rpm nominales a 48 V en el RI80 V2.0 KV75, y los conjuntos RO publican una pareja cada uno a 48 V. Una articulación que necesita su par de trabajo a una velocidad mayor está pidiendo al conjunto que funcione más arriba en el rango de velocidad, donde el par disponible ya ha empezado a caer desde su máximo. Fijar la velocidad requerida al par requerido, y no el máximo de cada uno, es lo que mantiene honesta la selección.

Después, el ciclo de servicio térmico

El último paso es el que el registro responde de forma menos completa. Las especificaciones continuas se publican frente a un ambiente declarado y una condición de montaje, y una articulación que sostiene un par elevado durante una fracción grande de su ciclo estará más cerca del límite térmico que una que pasa la mayor parte del tiempo en reposo. El par de retención y la corriente nominal publicados son indicadores útiles de cuánto calor generará el bobinado en un servicio dado, pero la resistencia térmica entre el bobinado y la cara de montaje es la magnitud que decide el resultado, y no está en el registro. Es la primera cifra que hay que pedir al fabricante antes de destinar una articulación de par elevado a un servicio continuo.

Lista de comprobación para la selección

La envolvente mecánica

• Anotar por separado el par continuo requerido y el par máximo requerido, con una duración frente a cada uno.
• Comprobar el diámetro exterior y la longitud publicados frente al espacio que la articulación tiene realmente, antes de mirar la masa.
• Comprobar el diámetro interior pasante publicado frente a los conductores, el eje o el reductor que tienen que pasar por él.
• Anotar la masa y la inercia del rotor publicadas, y no solo el total, si la articulación tiene que invertir el sentido con rapidez.

El presupuesto eléctrico

• Convertir el requisito de par en un requisito de corriente con el Kt publicado del conjunto que se esté considerando.
• Comparar esa corriente con la corriente nominal publicada, y no con la corriente máxima.
• Fijar la tensión de bus a partir de la velocidad requerida al par requerido, usando las columnas de velocidad publicadas.
• Confirmar la especificación continua frente al ciclo de servicio de la articulación, y pedir al fabricante la resistencia térmica que el registro omite.

Integración y realimentación

• Decidir si el conjunto se suministra con sensores Hall o sin ellos, y qué necesita el accionamiento a velocidad cero.
• Dimensionar la disposición de rodamientos para las cargas que verá la articulación, ya que el conjunto no lleva ninguna.
• Planificar la ruta del calor desde el estator hacia la estructura, porque el montaje es la interfaz térmica.
• Confirmar las provisiones de montaje y las fijaciones publicadas para la talla de bastidor concreta que se esté considerando.

Preguntas frecuentes

Recursos oficiales

CubeMars documenta la gama sin carcasa en su propio sitio, y cada conjunto de esta comparación tiene una página oficial con su especificación completa, sus datos de bobinado y su plano de montaje. La gama de productos del fabricante es el punto de entrada, y los dos extremos de esta comparación están documentados individualmente -el RO60 KV115 en el extremo ligero y el RO100 KV55 en el extremo pesado. La documentación de producto de todas las categorías de la plataforma se reúne en Recursos. El fabricante sigue siendo la fuente de verdad para las opciones de bobinado, los valores térmicos y las consultas de diámetro interior personalizado; ToBMS mantiene la capa de descubrimiento y comparación, y cada cifra usada en esta guía es un valor publicado y conservado en los registros de producto de la plataforma.

A dónde ir después

El compañero más cercano a esta guía es Motores de par sin carcasa: elección del kit de estátor y rótor, que lee un conjunto sin carcasa de dentro hacia fuera -el estator, el rotor, las dos disposiciones y lo que promete cada columna de especificación. Motores de par sin carcasa: 12 modelos comparados, de la entrada al alto rendimiento coloca la gama completa una junto a otra por banda de rendimiento, y Motores BLDC para exoesqueleto: motor de par sin carcasa frente a actuador integrado aborda la elección entre un conjunto desnudo y un módulo ensamblado para una articulación ponible. Esta guía se sitúa entre ellas, siguiendo la cifra de par desde el bobinado hasta la articulación.

Para preseleccionar en lugar de investigar, partir de la categoría completa Motores par sin carcasa, filtrar candidatos por par, tensión y masa en Selección, y después confrontarlos entre sí en Comparar productos. Donde la articulación deba llegar como un módulo sellado con el reductor y el accionamiento ya emparejados, la categoría Actuadores robóticos es la siguiente parada natural.