Comparación de Motores paso a paso de 2-fases (0.9°/1.8°) y 5-fases (0.36°/0.72°)

Comparación entre motores paso a paso bifásicos y de 5 fases

Ya ha acotado su búsqueda de soluciones de control de movimiento: necesita un motor paso a paso. Ahora es momento de decidir: ¿bifásico o de 5 fases? ORIENTAL MOTOR fabrica motores paso a paso y excitadores tanto bifásicos como de 5 fases. Nuestra experiencia en ambas tecnologías nos proporciona una perspectiva única. ORIENTAL MOTOR ha preparado una comparación rápida función por función para aclarar las confusiones y los mitos generados en torno al debate entre motor bifásico y de 5 fases. La guía abarca las diferencias básicas entre las dos tecnologías en áreas claves del desempeño de los motores paso a paso: resolución, vibración, par, precisión y sincronismo. El experimentado personal de soporte técnico de ORIENTAL MOTOR también está a disposición para ofrecer explicaciones detalladas sobre ambas tecnologías.

Bifásico o de 5 fases, ¿cuál es la diferencia?

Existen dos diferencias clave entre los motores bifásicos y los motores de 5 fases. La primera es mecánica. Un motor paso a paso está compuesto básicamente por dos piezas: un estator y un rotor. A su vez, el rotor está integrado por tres componentes, el alojamiento 1 del rotor, el alojamiento 2 del rotor y un imán permanente. En un motor bifásico, el estator está compuesto por 8 campos magnéticos con dientes pequeños, mientras que el estator de un motor de 5 fases está compuesto por 10 polos magnéticos. Por cada polo del estator hay un devanado.

La segunda diferencia entre los motores bifásicos y los de 5 fases es la cantidad de fases. Un motor bifásico tiene dos fases, la fase "A" y la fase "B", mientras que un motor de 5 fases tiene cinco fases. Básicamente, la cantidad de fases hace referencia a las distintas combinaciones de polos que se energizan secuencialmente para atraer el rotor.

Comparación directa entre el motor bifásico y el motor de 5 fases

¿Cómo influyen estas diferencias en el desempeño? Hay varios factores que determinan el desempeño de un motor paso a paso. Existen diversas maneras de excitar un motor paso a paso, y la excitación tiene una influencia considerable sobre el desempeño del motor. Los métodos de excitación más comunes son excitación por ondas, pasos completos, medio paso y micropasos. Cada uno de ellos ofrece desempeños muy distintos. Aquí se presentan las áreas clave del desempeño de los motores paso a paso bifásicos y de 5 fases, independientemente de los diversos métodos de excitación.

Resolución

En cuanto a su estructura, el motor de 5 fases no difiere tanto del motor bifásico. En ambos motores, el rotor cuenta con 50 dientes. La diferencia reside en el hecho de que, debido a que el motor de 5 fases tiene 10 polos (2 por fase), el rotor solo necesita moverse 1/10 de la separación entre dientes para alinearse con la fase siguiente. En el motor de 2 fases, el rotor debe recorrer 1/4 de la separación entre dientes para alinearse con la fase siguiente (8 polos, 4 por fase).

En consecuencia, el motor bifásico cuenta con 200 pasos por rotación y 1.8° por paso, mientras que el motor de 5 fases cuenta con 500 pasos por rotación y 0.72° por paso. La mayor resolución del motor de 5 fases es inherente a su diseño. En conjunto con un excitador de micropasos, el motor de  fases puede efectuar pasos de apenas 0.00288°. Si embargo, la precisión en la posición y la capacidad de repetición de todas maneras están sujetas a la precisión mecánica del motor. Tanto en los motores bifásicos como en los de 5 fases, la precisión mecánica de las motores es ± 3 minutos de arco (0.05°).

Vibración

Debido a que los ángulos de paso son menores en los motores de 5 fases (0.72° frente a los 1.8° de los motores bifásicos), la vibración de un motor de 5 fases es mucho menor que la de un motor bifásico. El gráfico a la derecha muestra la vibración generada por un motor de 5 fases en comparación con la vibración generada por un motor bifásico. Como puede ver, el motor bifásico produce mucha más vibración.

*Los gráficos a la derecha representan micropasos a 5000 pasos por revolución. Estos gráficos se crearon acoplando un generador a un motor de doble eje. El voltaje generado se graficó a medida que el motor vibraba. A mayor nivel de vibración del motor, mayor nivel de voltaje generado.

Par

Si bien existe una diferencia pequeña entre la producción de par de un motor bifásico y la de un motor de 5 fases, este último ofrece más par "utilizable". Esto se debe principalmente al nivel de ondulación de par que ambos motores producen.

En un motor de 5 fases, la excitación por medios pasos o micropasos realmente aumenta el par hasta un 10% ya que se energiza más cantidad de fases. Los motores bifásicos pierden hasta un 40% de par cuando se los excita por medios pasos o micropasos. No obstante, muchos excitadores bifásicos lo compensan mediante la sobreexcitación del vector de par opuesto.

Cuando el estator está energizado, crea un electroimán que atrae el flujo magnético del rotor. El flujo magnético puede separarse en dos vectores, uno normal y otro tangencial. Solamente se produce par cuando está presente el componente tangencial. La presencia de flujo tangencial se ilustra más abajo.

 

En la figura 1, los dientes del rotor están alineados directamente con los dientes del estator y el flujo solamente cuenta con el componente normal, y, por lo tanto, no se produce par. A medida que los dientes del rotor se desplazan alejándose de los dientes del estator en las figuras 2, 3 y 4, el motor produce par. A este par se lo denomina negativo porque intenta que los dientes regresen a la posición estable. En la figura 5, el flujo se divide en forma uniforme entre los dientes del estator y no se produce par. En las figuras 6, 7 y 8, se genera par positivo a medida que los dientes desplazados del rotor se mueven para alinearse con los dientes siguientes del estator. Por último, los dientes del rotor se alinean directamente con los dientes siguientes del estator (figura 1).

Cada fase del motor contribuye a la curva de desplazamiento de par sinusoidal en función del par total producido por el motor (se ilustra a continuación). La diferencia entre los puntos máximo y mínimo se denomina ondulación de par. La ondulación de par causa vibraciones. Por eso, cuanto más alta es la diferencia, más alta es la vibración.

Debido a que posee más fases que hacen su aporte al par total del motor, la ondulación de par de un motor de 5 fases se reduce en gran medida en comparación con un motor bifásico. La diferencia entre los puntos máximo y mínimo de un motor bifásico puede alcanzar valores de hasta 29%, mientras que en un motor de 5 fases es de solo el 5%. La ondulación de par contribuye directamente a la vibración y, por eso, el motor de 5 fases funciona con más suavidad que el motor bifásico.

Precisión/capacidad de repetición

La precisión tiene dos componentes: eléctrico y mecánico. El error eléctrico es producto del desequilibrio de las fases. Por ejemplo, si según las especificaciones la resistencia del devanado del motor es de ± 10%, es posible que aunque el motor tenga una potencia nominal de 10 W, una fase sea de 9.2 W y otra fase sea de 10.6 W. Esta diferencia entre las fases haría que el rotor se alinee más hacia una fase que hacia la otra.

El error mecánico tiene varios componentes, y el principal es la configuración de los dientes. Aunque se supone que los dientes de un motor son cuadrados, el proceso de estampado y la antigüedad del fundido pueden hacer que algunos dientes, o partes de ellos, se vuelvan redondeados. Si los dientes están redondeados, en lugar de fluir directamente, el flujo magnético puede dirigirse a cualquier otra parte. Por eso, estos factores contribuyen a la precisión del motor.

Al usar excitación por pasos completos, el motor bifásico repite los estados cada 4 pasos, mientras que en un motor de 5 fases los estados se repiten cada 10 pasos. Cualquier error eléctrico ocasionado por desequilibrios en las fases se anula cada 4 pasos en un motor bifásico y cada 10 pasos en un motor de 5 fases, de manera que queda únicamente el error mecánico.

Una vez que el motor completa una rotación de 360°, el mismo diente se alinea en el punto original de inicio y se elimina el error mecánico. Dado que un motor bifásico realiza 200 pasos por revolución, es prácticamente perfecto cada 200 pasos, mientras que el motor de 5 fases realiza 500 pasos por revolución y es prácticamente perfecto cada 500 pasos.

Sincronismo

Dado que el motor de 5 fases solo recorre 0.72° por paso, es prácticamente imposible que esta clase de motor omita un paso debido a recorridos excesivamente largos o cortos. El motor pierde sincronismo u omite pasos cuando los dientes del rotor no se alinean con los dientes correctos del estator. ¿Qué hace que los dientes no se alineen adecuadamente? En primer lugar, para que un diente del rotor no se alinee adecuadamente, debe haber otro diente alineado donde debería haberse alineado el primero. Para que esto suceda, el rotor debe realizar un recorrido con más de 3.6° en exceso (pasarse del diente correcto del estator) o insuficiente (no se desplaza lo suficiente para alinearse con el diente correcto del estator). ¿Por qué 3.6°? Porque , debido a que los dientes del rotor son atraídos magnéticamente, el diente correcto debe estar a más de la mitad de la distancia entre dientes del estator para alinearse (el resultado de la distancia entre dientes del rotor de 7.2° es 3.6°). Por eso, cuando el rotor sobrepasa el diente correcto del estator en más de 3.6°, en su lugar se alinea el diente siguiente, lo que ocasiona el salteo de un paso. A la inversa, si el rotor no se desplaza más de 3.6°, el diente actual del rotor permanece alineado con el diente del estator y, en consecuencia, el rotor no gira, lo que representa la pérdida de un paso.

Método de excitación

Existen diversos métodos de excitación tanto para los motores paso a paso bifásicos como los de 5 fases. Esta es una descripción general breve de los conceptos de excitación por pasos completos y por micropasos.

Sistema bifásico de pasos completos (1.8°/paso)

El sistema bifásico de paso completo energiza tanto la fase A como la fase B y oscila entre el positivo y el negativo para generar la rotación.

Sistema de 5 fases de pasos completos (excitación pentagonal de 4 fases) (0.72°/paso)

El sistema de excitación de 4 fases es exclusivo de los motores de 5 fases y ofrece un funcionamiento más estable.

Micropasos

Los excitadores de micropasos dividen el ángulo de paso básico del motor mediante la reducción de la corriente a una fase al tiempo que aumentan la corriente hasta la fase siguiente en incrementos. De esta manera, el motor realiza pasos más pequeños. Con un excitador de micropasos, el paso básico del motor puede dividirse en pasos más pequeños que oscilan entre 1/1 y 1/250.

Las ilustraciones a la derecha representan el concepto básico de micropasos.

Figura 1: la fase A tiene el 100% de la corriente, de manera que el rotor se alinea directamente.
Figura 2: la corriente para la fase A se reduce un 75%, mientras que el 25% de la corriente se encuentra ahora en la fase B.
Figura 3: la corriente de las fases A y B es del 50%, de manera que el rotor se alinea directamente a media distancia entre las dos.
Figura 4: la fase A se encuentra ahora al 25% y la fase B al 75%, de manera que el rotor se acerca a la fase B.
Figura 5: la fase A está desactivada y la fase B se encuentra al 100%, de manera que el rotor finalmente se alinea con la fase B.

Al excitar por micropasos el motor de este ejemplo, dividimos los 500 pasos básicos por revolución del motor paso a paso de 5 fases por 5 y, de esta manera, incrementamos los pasos a 2,500 por revolución. La resolución del motor es ahora de 0.144°.

La excitación por micropasos no ofrece solamente una resolución más alta, sino que también garantiza una operación más suave, menos vibración y menos ruido que otras formas de excitación.

Conclusión

Según la aplicación específica, es posible que un motor bifásico sea suficiente. Sin embargo, los motores paso a paso de 5 fases ofrecen resolución más alta, menos vibración, índices de aceleración y desaceleración más altos (debido a los ángulos de paso menores) y están menos propensos a perder la sincronización debido a recorridos excesivos/insuficientes en comparación con un motor paso a paso de 2 fases. En aplicaciones que requieren alta precisión, bajo ruido y baja vibración, la tecnología de 5 fases es más conveniente.
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El equipo de soporte técnico y los ingenieros de aplicaciones de ORIENTAL MOTOR colaborarán con usted para determinar cuál es la mejor solución para su aplicación. ¿Bifásico, de 5 fases, de pasos completos o de micropasos? Los experimentados integrantes del equipo de ORIENTAL MOTOR conocen la tecnología de cabo a rabo. Encontraremos la solución adecuada para sus necesidades y le explicaremos las alternativas. Llame al +1-847-871-5931 para hablar con un integrante del equipo de soporte técnico de ORIENTAL MOTOR.