El motor paso a paso básico crea movimiento rotatorio de un núcleo de rotor magnético a través del uso de pulsos y el campo electromagnético que pasa alrededor del núcleo. Un actuador lineal convierte este movimiento de rotación en un movimiento lineal, con la dependencia precisa del ángulo de paso del rotor y el método elegido para lograr la conversión.
El actuador lineal que utiliza un tornillo también tendría su precisión sea dependiente de la rosca. Dentro del rotor de un actuador lineal, una tuerca se encuentra en el centro del rotor y un tornillo correspondiente se engancha en la tuerca. Para que el tornillo se mueva axialmente, se debe impedir que gire con el conjunto de tuerca y rotor por algún medio. Con la antirrotación del tornillo, se logra un movimiento lineal a medida que el rotor gira. La antirrotación generalmente se logra internamente con la atracción de un conjunto de tornillos de eje o externamente con una tuerca en el eje del tornillo que de alguna manera se evita la rotación, pero está libre a lo largo de su eje.
Para una simplicidad de diseño obvia, tiene sentido realizar la conversión de rotación a lineal justo dentro del motor. Este enfoque simplifica en gran medida el diseño de muchas aplicaciones al permitir un «motor de caída» capaz de un movimiento lineal preciso sin la necesidad de instalar enlaces mecánicos externos.
El primer actuador lineal utilizó una combinación de tuerca de bola y tornillo. El tornillo de bola normalmente ofrece una eficiencia superior al 90%, mientras que las roscas Acme suelen ofrecer eficiencias entre el 20% y el 70%, dependiendo de las condiciones de la rosca.
Aunque los husillos a bolas son un medio altamente eficiente para convertir el movimiento giratorio en un recorrido lineal, la tuerca de bola es sensible a la alineación, voluminosa y costosa. Por lo tanto, la tuerca esférica no es una solución práctica para la mayoría de las aplicaciones.
La mayoría de los diseñadores de equipos están familiarizados con el actuador lineal híbrido basado en motor paso a paso. Este producto ha existido durante varios años, y al igual que cualquier otro dispositivo, tiene sus fortalezas y limitaciones. Algunos de los beneficios son la simplicidad inherente del diseño, compacidad, sin escobillas (por lo tanto, sin arco), increíble ventaja mecánica, flexibilidad de diseño y confiabilidad. Sin embargo, en algunos casos, es posible que estos actuadores lineales no se diseñen en ciertos dispositivos porque no son duraderos sin mantenimiento de rutina.
Sin embargo, hay formas de superar tales obstáculos y proporcionar actuadores que sean altamente duraderos con una larga vida útil y sin mantenimiento. Debido al diseño sin escobillas de los motores paso a paso, los únicos componentes sometidos a desgaste son los cojinetes del rotor y el enganche de la rosca del conjunto de husillo/tuerca. Años de avances en rodamientos de bolas ya han proporcionado la disponibilidad de tipos con amplias características de larga vida útil. Recientemente, se han producido mejoras en la vida útil y durabilidad de los componentes de tornillo conductor y tuerca de acoplamiento.
Mayor durabilidad
Para empezar, es necesario echar un vistazo al diseño básico. Un buen modelo para un estudio de caso es el motor de tamaño 17, que se encuentra en el extremo más pequeño de la gama de tamaños paso a paso híbridos. Tradicionalmente, un actuador lineal se fabrica mediante el mecanizado de un eje hueco a partir de un material metálico de grado de rodamiento, como el bronce. Este eje hueco tiene roscas internas, que a su vez enganchan las roscas de un tornillo conductor. El eje hueco se instala a lo largo del eje del rotor. Una opción popular para el material del tornillo de plomo es el acero inoxidable, que también ofrece cierta resistencia a la corrosión. En su mayor parte, el tipo de roscas utilizadas son roscas de máquina (como una #10-32) que pueden ser de arranque único o múltiple, dependiendo de la resolución y velocidad deseadas en el actuador.
La rosca de la máquina, conocida como rosca en «V», se elige porque es relativamente fácil de mecanizar y enrollar. A pesar de que es una opción adecuada para la fabricación, es una mala opción para la transmisión de energía. Un hilo mucho mejor es el hilo Acme. Hay algunas razones para esto.
La rosca Acme, por diseño, es más eficiente, lo que resulta en menores pérdidas, incluida la fricción, lo que a su vez significa menos desgaste y, en última instancia, una vida útil más larga. Al observar la geometría básica del tornillo, es fácil explicar esto. Una rosca en V tiene un ángulo de 60° entre caras opuestas, mientras que la Acme es de solo 29°. (Figura 2)
Suponiendo que la fricción, el par y el ángulo de avance sean los mismos, una rosca en V solo proporcionará aproximadamente el 85% de la fuerza de una Acme. La eficiencia se determina mediante la ecuación uno o dos, para uso con roscas con forma de V, dependiendo de la dirección de la carga. La relación se calcula simplemente dividiendo la eficiencia de las roscas de 60° por las roscas de 29°. (Figura 3)
Figura 2. Comparación de (a) 60° ‘V’ y (b) 29 ° Acme.
Figura 3. Ecuaciones de eficiencia
Figura 4. Propiedades de fricción del bronce frente al plástico
Los cálculos de eficiencia no tienen en cuenta que la presión superficial será mucho mayor en la rosca en V, lo que aumentará aún más las pérdidas.
Los tornillos de rosca Acme generalmente se fabrican para la transmisión de potencia, por lo que se presta mucha más atención al acabado de la superficie, la precisión de los cables y las tolerancias. Las roscas en V se utilizan principalmente como roscas de sujeción, por lo que el acabado de la superficie y la rectitud no se controlan de cerca.
De igual, si no mayor, importancia es la tuerca que acciona el tornillo. Esta tuerca a menudo está incrustada en el rotor del motor. El material de tuerca tradicional es un bronce de grado de rodamiento, que se presta al mecanizado requerido de las roscas internas. Era un compromiso adecuado entre estabilidad física y lubricidad. Compromiso, por supuesto, es la palabra clave, ya que sobresale en ninguno de los dos. Un material mejor para una tuerca de potencia en el actuador lineal es un material termoplástico lubricado. Esto se debe a que con los nuevos plásticos de ingeniería, las roscas de los tornillos ahora pueden viajar con un coeficiente de fricción más bajo. La Figura 4 contrasta las propiedades de fricción de los materiales de rosca del rotor.
En base a esto, uno podría preguntarse: ¿por qué no usar una tuerca de accionamiento de plástico? Desafortunadamente, tan bueno como el plástico es para las roscas, no es un material lo suficientemente estable para los discos del rotor de un motor híbrido. Con el posible aumento de la temperatura del motor de 167°F durante el funcionamiento del motor, el plástico en este caso podría expandirse hasta 0,004″; mientras que el latón, por ejemplo, solo puede expandirse 0,001″ bajo las mismas condiciones térmicas.
Los cojinetes de rodamiento son críticos en el diseño de motores híbridos. El diseño del rotor híbrido debe mantener una capa de aire de solo unas pocas milésimas de pulgada para un rendimiento óptimo. El entrehierro se define como el espacio entre el diámetro exterior del imán del rotor y el diámetro interior del estator. Si el conjunto del rotor perdiera concentricidad, se rozaría contra la pared del estator. A través de la selección de materiales, un diseñador desearía tener beneficios materiales de larga vida útil de la rosca y estabilidad del cojinete. Mediante el moldeo por inyección de roscas de plástico dentro de un conjunto de rotor metálico, se logra este beneficio mutuo de propiedades.
El resultado es un producto extremadamente mejorado con un funcionamiento silencioso, mayor eficiencia y esperanza de vida. La esperanza de vida puede ser órdenes de magnitud mayor que una tuerca de bronce en condiciones de operación idénticas.