Sistemas de movimento linear são encontrados em inúmeras máquinas, incluindo sistemas de corte a laser de precisão, equipamentos de automação laboratorial, máquinas de fabricação de semicondutores, máquinas CNC, automação industrial e muitas outras, numerosas demais para listar. Variam desde os relativamente simples, como um atuador de assento barato em um veículo de passageiros, até um sistema de coordenadas multieixos complexo, completo com eletrônica de controle e acionamento para posicionamento em malha fechada. Independentemente da simplicidade ou complexidade do sistema de movimento linear, em seu nível mais básico, todos têm algo em comum: mover uma carga por uma distância linear em um período de tempo específico.

Uma das questões mais comuns no projeto de um sistema de movimento linear gira em torno da tecnologia do motor. Uma vez escolhida a tecnologia, o motor precisa ser dimensionado para atender às demandas de aceleração da carga, vencer o atrito no sistema e o efeito da gravidade, mantendo, ao mesmo tempo, uma temperatura máxima de operação segura. O torque, a velocidade, a potência e a capacidade de posicionamento do motor são funções do projeto do motor, em conjunto com o acionamento e o controle.

Com qual motor devo começar?

Ao projetar um sistema de movimento linear utilizando uma determinada tecnologia de motor, é preciso considerar diversas questões de aplicação. Uma explicação exaustiva de todo o processo está além do escopo deste artigo. O objetivo é incentivá-lo a fazer as perguntas certas ao conversar com um fornecedor de motores.

Não existe um motor ideal para todas as aplicações, mas sim o motor ideal para uma aplicação específica. Na grande maioria das aplicações de movimento incremental, a escolha será entre um motor de passo, um motor CC com escovas ou um motor CC sem escovas. Os sistemas de movimento mais complexos podem utilizar motores lineares acoplados diretamente à carga, evitando a necessidade de conversão mecânica de energia; não há necessidade de translação por meio de fuso de esferas, caixa de engrenagens ou sistema de polias. Embora a máxima precisão, repetibilidade e resolução de posicionamento possam ser alcançadas com sistemas servo lineares de acionamento direto sem núcleo, eles apresentam o maior custo e complexidade em comparação com motores rotativos. Uma arquitetura que utiliza motores rotativos é muito menos dispendiosa e atenderá à maioria das aplicações de movimento linear; no entanto, algum meio de conversão "rotativa-linear" (e, consequentemente, de conversão de energia) é necessário para acionar a carga.

Motores de passo, com escovas e sem escovas são todos considerados motores CC; no entanto, existem nuances que podem levar um engenheiro a preferir um tipo em detrimento dos outros dois em uma aplicação específica. É importante ressaltar que essa escolha depende muito dos requisitos de projeto do sistema, não apenas em termos de velocidade e torque, mas também em relação à precisão de posicionamento, repetibilidade e resolução exigidas. Não existe um motor perfeito para todas as aplicações, e todas as decisões exigirão concessões no projeto. No nível mais básico, todos os motores, sejam eles chamados de CA ou CC, com escovas, sem escovas ou qualquer outro tipo de motor elétrico, operam sob o mesmo princípio físico para gerar torque: a interação de campos magnéticos. Existem diferenças significativas, porém, na forma como essas diversas tecnologias de motores respondem em aplicações específicas. O desempenho geral do motor, a resposta e a geração de torque dependem do método de excitação do campo e da geometria do circuito magnético inerentes ao projeto físico do motor, do controle da tensão e corrente de entrada pelo controlador/acionador e do método de feedback de velocidade ou posição, se a aplicação assim o exigir.

As tecnologias de motores de passo CC, servomotores com escovas e servomotores sem escovas utilizam uma fonte de alimentação CC para funcionar. Para aplicações de movimento linear, isso não significa que uma fonte fixa de CC possa ser aplicada diretamente aos enrolamentos do motor; é necessário um circuito eletrônico para controlar a corrente nos enrolamentos (relacionada ao torque de saída) e a tensão nos enrolamentos (relacionada à velocidade de saída). Abaixo, segue um resumo dos pontos fortes e fracos das três tecnologias.

O projeto do sistema linear começa com a massa da carga e a velocidade com que essa massa precisa se deslocar do ponto A ao ponto B. O tipo, o tamanho e o projeto mecânico do motor partem da potência (watts) necessária para movimentar a carga. Partindo da carga e retrocedendo por todos os componentes até a fonte de alimentação do inversor, a análise consiste em uma série de etapas para compreender a conversão de energia de uma parte do sistema para outra, considerando as diferentes eficiências dos componentes intermediários. A potência (watts), na forma de tensão e corrente, que entra no inversor, se traduzirá em potência mecânica (watts) de saída, capaz de movimentar uma determinada carga em um tempo específico.

Para ter uma ideia da potência de saída necessária na carga, um cálculo simples de potência ajudará a estimar o tamanho do motor. Após entender a potência de saída média necessária, finalize a análise dos requisitos de energia considerando o motor e os diversos elementos de conversão de energia. Os dados do fabricante devem ser consultados para levar em conta a eficiência dos componentes, pois isso determinará o tamanho do motor e da fonte de alimentação. A escolha das unidades de medida é uma questão de preferência pessoal, mas o uso do Sistema Internacional de Unidades (SI) é altamente recomendado. Trabalhar com o SI evita a necessidade de memorizar múltiplas constantes de conversão, e o resultado final pode sempre ser convertido de volta para o sistema imperial.

Quanta energia é necessária para mover a carga no tempo necessário?

Uma massa de 9 kg levantada contra a gravidade exigirá uma força de aproximadamente 88 N. Calcular a potência (em watts) necessária para mover a carga fornecerá um ponto de partida para determinar os componentes do restante do sistema. Essa é a potência média necessária para mover uma massa de 9 kg verticalmente do ponto A ao ponto B em 1 segundo. Perdas do sistema, como atrito, não estão incluídas. A potência necessária no eixo do motor será um pouco maior e dependerá dos outros componentes utilizados no sistema, como a caixa de engrenagens e o fuso de esferas.

P = (F × S) / t

P = (88 N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 W

Isso é diferente da potência de pico que será exigida do sistema. Levando em consideração a aceleração e a desaceleração, a potência instantânea durante o movimento será um pouco maior; no entanto, a potência média de saída necessária na carga é de cerca de 18 watts. Após uma análise completa de todos os componentes, um sistema como este exigirá cerca de 37 W de potência de pico para realizar a tarefa. Essas informações, juntamente com as diversas outras especificações da aplicação, ajudarão a escolher a tecnologia de motor mais adequada.

Que tecnologia de motor devo considerar?

A excelente capacidade de posicionamento e os controles relativamente simples levariam um projetista a considerar inicialmente a possibilidade de usar um motor de passo. No entanto, um motor de passo não atenderia ao requisito de dimensões mecânicas reduzidas, ao mesmo tempo que suportaria as demandas de carga. Uma potência de pico de 37 watts exigiria um motor de passo muito grande. Embora os motores de passo possuam um torque muito alto em baixas velocidades, a velocidade de pico e, consequentemente, a potência necessária para o perfil de movimento excedem a capacidade de todos os motores de passo, exceto os maiores.

Um servomotor CC com escovas atenderia aos requisitos de carga, teria um tamanho mecânico reduzido e uma rotação muito suave em baixas velocidades; no entanto, devido aos rigorosos requisitos de EMC (Compatibilidade Eletromagnética), provavelmente é melhor evitar o motor com escovas para esta aplicação específica. Esta seria uma alternativa menos dispendiosa em comparação com um sistema sem escovas, mas poderia apresentar dificuldades para atender a quaisquer requisitos de EMC rigorosos.

O motor CC sem escovas, utilizando um sistema de acionamento senoidal, seria a primeira escolha para atender a todos os requisitos da aplicação, incluindo o perfil de carga e movimento (alta densidade de potência); movimento suave e sem atrito em baixas velocidades; e dimensões mecânicas reduzidas. Nesse caso, ainda haverá o potencial de interferência eletromagnética (EMI) devido à alta frequência de comutação da eletrônica de acionamento; no entanto, isso pode ser mitigado utilizando filtragem em linha, devido à faixa de frequência mais estreita. Um motor CC com escovas apresenta uma assinatura de EMI de banda mais ampla, tornando a filtragem mais desafiadora.

O dimensionamento do motor é apenas o começo.

Este artigo apresentou uma breve discussão para introduzir o projetista a diversas considerações na escolha de uma tecnologia de motor para uma aplicação de movimento linear relativamente simples. Embora os princípios sejam idênticos para um sistema mais complexo, como uma mesa XY ou um mecanismo de pick-and-place de precisão multieixos, cada eixo precisará ser analisado individualmente quanto à carga. Outra consideração, que está fora do escopo deste artigo, é como escolher um fator de segurança apropriado para atender à vida útil desejada do sistema (número de ciclos). A vida útil do sistema não depende apenas do tamanho do motor, mas também de outros elementos mecânicos presentes, como a caixa de engrenagens e o conjunto do fuso de esferas. Outros fatores, como precisão de posicionamento, resolução, repetibilidade, rotação, inclinação e guinada máximas, etc., são considerações importantes para garantir que o sistema de movimento linear atenda ou supere os objetivos da aplicação.