Acionamento direto versus acionamento por engrenagem: quando um motor de fluxo axial faz sentido?
A maioria das máquinas industriais não conecta um motor de alta velocidade diretamente à carga final.
Em vez disso, o motor geralmente é combinado com uma caixa de câmbio, correia, corrente ou outra transmissão mecânica. Isso permite que um motor de velocidade relativamente alta acione equipamentos que necessitam de velocidade mais baixa e torque mais alto.
É uma abordagem comprovada e, em muitas máquinas, continua a ser a mais prática.
Mas os motores de ímã permanente, especialmente os projetos de fluxo axial, criaram outra opção: projetar o motor mais próximo da velocidade e do torque exigidos pela própria máquina.
Isso pode reduzir a quantidade de transmissão mecânica entre o motor e a carga.
Para um OEM ou fabricante de equipamentos, a questão importante não é se o acionamento direto é mais avançado do que um sistema de engrenagens.
A pergunta útil é: Reduzir a transmissão realmente melhora esta máquina?
O que é uma unidade com engrenagem?
Em um redutor convencional, o motor normalmente funciona mais rápido que o equipamento acionado.
Uma caixa de engrenagens reduz a velocidade de saída e aumenta o torque antes que a energia mecânica atinja a carga.
Por exemplo, um motor pode operar a 1.500 ou 3.000 rpm enquanto o eixo final da máquina gira a apenas algumas centenas de rpm.
Este arranjo tem diversas vantagens práticas.
Motores industriais padrão estão amplamente disponíveis, as relações de transmissão podem ser selecionadas para atender diferentes máquinas e uma caixa de engrenagens existente pode facilitar o uso de um motor menor de alta velocidade.
Para muitas bombas, transportadores, misturadores e máquinas de produção, este arranjo funciona bem.
A presença de uma caixa de velocidades não é automaticamente uma desvantagem.
A questão é se a caixa de velocidades está a ajudar a máquina o suficiente para justificar os componentes mecânicos adicionais.
O que é acionamento direto?
Um sistema de acionamento direto coloca o motor muito mais próximo da carga mecânica final.
Em vez de utilizar uma grande redução de velocidade entre o motor e o equipamento acionado, o motor é projetado para produzir torque útil a uma velocidade mais baixa.
Num verdadeiro sistema de transmissão direta, a caixa de velocidades principal pode ser totalmente eliminada.
Em outros sistemas, o motor ainda pode ser conectado a um redutor ou outro estágio mecânico, mas a transmissão pode ser mais simples do que um arranjo convencional de motor de alta velocidade.
Essa distinção é importante.
“Acionamento direto” não deve ser usado como rótulo de marketing para todos os motores de baixa velocidade. O sistema de transmissão real deve ser examinado para ver quantos estágios de transmissão permanecem entre o eixo do motor e a carga final.
Por que o torque em baixa velocidade é importante
O desafio em um sistema de acionamento direto é simples.
Se a velocidade de rotação diminuir enquanto a potência mecânica permanecer semelhante, o torque necessário aumenta.
Isso significa que um motor projetado para substituir um motor e uma caixa de engrenagens de alta velocidade não pode simplesmente ser o mesmo motor funcionando mais lentamente.
Seu design eletromagnético e térmico deve suportar os requisitos de torque mais elevados.
Esta é uma das razões pelas quais os motores de ímã permanente são atraentes para aplicações de baixa velocidade.
As máquinas de ímã permanente podem ser projetadas com densidade de torque relativamente alta, enquanto a geometria de fluxo axial proporciona liberdade adicional para usar um grande raio de trabalho efetivo em um pacote axial curto.
Mas uma densidade de torque mais alta não elimina a necessidade de dimensionamento adequado do motor.
Torque contínuo, torque de pico, resfriamento e ciclo de trabalho ainda determinam se um motor de acionamento direto pode operar de maneira confiável.
Onde um motor de fluxo axial pode ajudar
Um motor de fluxo radial convencional geralmente tem um formato cilíndrico longo.
Um motor de fluxo axial é geralmente mais plano e de diâmetro maior.
Essa diferença torna-se útil quando um projetista de equipamento precisa de um torque substancial, mas deseja limitar o comprimento do sistema de transmissão.
Em vez de aumentar significativamente o comprimento do motor, a arquitetura de fluxo axial pode usar um diâmetro ativo relativamente grande.
Isto torna a tecnologia particularmente interessante quando a máquina tem espaço de instalação axial limitado, velocidade operacional relativamente baixa, alta demanda de torque ou desejo de simplificar a transmissão mecânica.
O portfólio atual de produtos da Jiangnan Electric inclui uma categoria dedicada de motores elétricos de fluxo axial, bem como famílias de produtos de fluxo axial ultra-eficiente e PMSM convencional.
O ponto importante é que um motor de fluxo axial não é selecionado apenas por causa de seu formato.
Seu valor aparece quando essa forma e característica de torque resolvem um problema real do sistema de transmissão.
Um exemplo prático de Jiangnan
O JNPM520-45 da Jiangnan Electric fornece um exemplo útil.
O motor está documentado com potência nominal de 45 kW, velocidade nominal de 245 rpm e torque nominal de 1.754 N·m, com alimentação de 380 V, proteção IP55 e refrigeração natural.
Esses números descrevem um ponto de operação muito diferente de um motor convencional de 45 kW funcionando a 1.500 ou 3.000 rpm.
O JNPM520-45 foi desenvolvido para um sistema de acionamento de bombeamento de feixe.
Na documentação do produto correspondente, Jiangnan descreve a estrutura do motor de disco como tendo uma dimensão axial curta e sendo adequada para instalações onde o espaço axial é limitado. O motor pode ser conectado intimamente ao equipamento de transmissão da unidade de bombeamento, ajudando a simplificar o sistema de transmissão.
Este é um exemplo mais útil de tecnologia de fluxo axial do que simplesmente dizer que um motor de disco é “compacto”.
O benefício de engenharia vem da combinação de baixa velocidade, alto torque, geometria adequada e integração do sistema de transmissão.
O Direct Drive sempre melhora a eficiência?
Não automaticamente.
A remoção de uma caixa de velocidades elimina as perdas da caixa de velocidades, mas a eficiência total do sistema depende de muito mais do que um componente.
O motor pode operar em uma velocidade e ponto de torque diferentes. Os requisitos de resfriamento podem mudar. O inversor pode operar de forma diferente. Rolamentos e outros componentes mecânicos ainda criam perdas.
Um motor de acionamento direto também deve produzir ele próprio o torque de carga total necessário.
Isso pode aumentar o diâmetro do motor, os requisitos de material ativo e o custo.
Por esta razão, uma comparação energética deve considerar o sistema completo: motor + acionamento + caixa de engrenagens + transmissão mecânica + ciclo operacional real.
Para um cliente que esteja considerando uma modernização, medir o consumo de energia e o ciclo de trabalho da máquina atual pode ser mais útil do que comparar apenas os números de eficiência do catálogo.
A manutenção é outra parte da decisão
As caixas de engrenagens requerem lubrificação, vedações, rolamentos e inspeção mecânica.
Eles também podem introduzir folga, desgaste e vibração adicional.
A redução dos componentes da transmissão pode, portanto, reduzir alguns requisitos de manutenção.
Isso pode ser importante em equipamentos que funcionam continuamente ou são de difícil acesso.
No entanto, o acionamento direto introduz seus próprios requisitos de projeto.
Os rolamentos do motor, o eixo, a estrutura de montagem e o sistema de refrigeração agora interagem mais diretamente com a carga da máquina.
Se uma caixa de engrenagens absorveu anteriormente parte do arranjo mecânico, removê-la pode alterar as cargas radiais, as cargas axiais e o comportamento de vibração.
A transmissão direta deve, portanto, ser vista como uma reformulação do sistema de transmissão e não simplesmente como uma substituição do motor.
E quanto ao posicionamento e folga?
Para aplicações de controle de movimento, a remoção de uma caixa de engrenagens pode oferecer outra vantagem: menos folga mecânica.
Os dentes da engrenagem, os acoplamentos e os estágios de transmissão introduzem alguma complacência ou folga mecânica.
Em sistemas de precisão, a redução desses componentes pode melhorar a relação entre o movimento do motor e o movimento da carga.
Esta é uma das razões pelas quais os motores de acionamento direto são usados em algumas mesas rotativas, robótica e equipamentos de precisão.
Mas o benefício depende da aplicação.
Uma máquina que não requer posicionamento preciso pode ganhar pouco com a redução da folga.
Para uma máquina de processo grande, a confiabilidade, o torque e o custo total podem ser mais importantes.
Quando uma caixa de câmbio ainda faz mais sentido
Uma caixa de engrenagens continua útil quando a aplicação precisa de uma grande taxa de redução, mas não justifica um motor muito grande de baixa velocidade.
Também pode fazer sentido quando a máquina já utiliza um motor padrão comprovado e um arranjo de caixa de engrenagens com eficiência, manutenção e custo de vida útil aceitáveis.
Em projetos de retrofit, manter a caixa de engrenagens pode reduzir alterações de engenharia no eixo, na estrutura e no sistema de controle.
Isto é especialmente importante para equipamentos de produção existentes.
Mudar para acionamento direto pode exigir mais do que um motor novo. Pode afetar a estrutura da máquina, dimensões do eixo, rolamentos, acoplamentos, configurações do inversor, posição de montagem e cálculos de segurança.
Se o sistema de transmissão existente já tiver um bom desempenho, alterá-lo apenas porque o acionamento direto parece mais moderno pode não criar valor significativo.
Quando um OEM deve considerar o Direct Drive?
O acionamento direto torna-se mais interessante quando vários fatores aparecem ao mesmo tempo.
Um projeto típico pode ter baixa velocidade de saída, alto torque contínuo, comprimento de instalação limitado e manutenção significativa da caixa de engrenagens.
Outro projeto pode precisar de um motor compacto próximo ao eixo acionado porque não há espaço para um conjunto longo de motor e caixa de engrenagens.
Nessas situações, a arquitetura do motor e a arquitetura do sistema de transmissão devem ser consideradas em conjunto.
Os motores de ímã permanente de fluxo axial podem ser uma opção porque sua geometria é adequada para aplicações compactas e de alto torque.
Não comece apenas com a potência do motor
Uma pergunta comum poderia dizer: "Atualmente usamos um motor e uma caixa de engrenagens de 30 kW. Podemos substituí-los por um motor de fluxo axial de 30 kW?"
A resposta não pode ser determinada apenas com base em 30 kW.
A caixa de câmbio existente altera a velocidade e o torque.
Para avaliar uma alternativa de acionamento direto, o fabricante do motor precisa saber o que acontece depois da caixa de câmbio.
A informação útil é a velocidade final e o torque reais do eixo.
Por exemplo, a atual família de motores de disco da Jiangnan inclui pontos de operação muito diferentes: modelos industriais selecionados operam em torno de 1.450 ou 3.000 rpm, enquanto configurações para campos petrolíferos operam a apenas 245 rpm com torque nominal muito mais alto. O folheto da empresa também identifica configurações de campo petrolífero de 30 kW/160 rpm e 45 kW/245 rpm juntamente com uma configuração industrial de 7,5 kW/1.450 rpm.
A mesma tecnologia de motor pode, portanto, ser configurada para requisitos de transmissão muito diferentes.
Que informações você deve preparar para uma avaliação Direct Drive?
Antes de perguntar se uma caixa de engrenagens pode ser removida ou reduzida, as informações mais úteis do projeto são:
- potência nominal e velocidade atuais do motor;
- relação da caixa de velocidades;
- velocidade final de saída;
- torque de saída contínuo;
- pico ou torque de partida;
- ciclo operacional e tempo de funcionamento diário;
- arranjo de eixo e acoplamento;
- diâmetro do motor e comprimento axial disponíveis;
- condições de carga radial e axial;
- informações do inversor ou do inversor;
- ambiente de resfriamento;
- proteção IP necessária;
- fotos e desenhos do sistema de transmissão existente.
Com esses detalhes, o projeto pode ser avaliado como um sistema e não como uma substituição de motor.
Soluções de motores elétricos de fluxo axial Jiangnan
Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. desenvolve motores de ímã permanente para acionamentos industriais convencionais e específicos para aplicações.
O portfólio atual de produtos inclui motores elétricos de fluxo axial, produtos de fluxo axial ultraeficientes e outras plataformas PMSM.
Os materiais do motor de disco da Jiangnan também incluem configurações de alto torque e baixa velocidade desenvolvidas para aplicações de transmissão industrial.
Por exemplo, o motor de bombeamento de feixe JNPM520-45 combina uma velocidade nominal de 245 rpm com um torque nominal de 1.754 N·m, ilustrando o tipo de ponto operacional necessário quando um motor trabalha muito mais próximo da velocidade final do equipamento.
Para desenvolvimento OEM, o processo de seleção deve começar com o sistema de transmissão completo.
Se um cliente fornecer informações existentes sobre motor, caixa de câmbio, velocidade de saída e carga, a equipe de engenharia da Jiangnan poderá avaliar se uma arquitetura de engrenagens padrão, um sistema de transmissão de relação reduzida ou uma solução de ímã permanente de velocidade mais baixa é o ponto de partida mais apropriado.
Direct Drive é uma decisão do sistema
A principal vantagem do acionamento direto não é simplesmente a ausência de caixa de câmbio.
Seu valor vem da simplificação de um sistema de transmissão quando o motor pode operar naturalmente na velocidade e no torque exigidos pela máquina.
Um acionamento por engrenagem ainda pode ser a melhor escolha quando fornece uma maneira compacta, econômica e comprovada de combinar um motor padrão com a carga.
Um motor de fluxo axial torna-se interessante quando o torque em baixa velocidade, o espaço axial limitado ou a simplificação do sistema de transmissão criam uma razão clara de engenharia para reconsiderar o arranjo convencional.
Para os fabricantes de equipamentos, a decisão deve, portanto, seguir esta sequência: exigência de carga → velocidade final → torque necessário → espaço disponível → opções de transmissão → arquitetura do motor.
Comece com a máquina. Em seguida, decida quanta transmissão a máquina realmente precisa.
Isenção de responsabilidade
As informações neste artigo são fornecidas apenas para referência geral. As especificações do produto, o desempenho, as opções de configuração e a adequação devem ser avaliadas detalhadamente para a aplicação pretendida e as condições operacionais reais. Antes de selecionar, comprar ou usar um produto, confirme os detalhes relevantes com a Jiangnan Electric e consulte a documentação técnica aplicável e as especificações acordadas. Este artigo não substitui instruções específicas do produto ou uma avaliação profissional de engenharia.
