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Stepper Motor

Motores paso a paso de reluctancia variable

¿Qué es un motor paso a paso de reluctancia variable? ¿Por qué recibe este nombre? ¿Cómo funciona?¿Cuáles son sus características principales? ¿Para qué tipo de aplicaciones resulta útil este tipo de motor de pasos? Todas estas preguntas te las respondemos a continuación.

El motor de pasos de reluctancia variable (VR) debe su nombre al hecho de que, como todo motor  paso a paso, funciona dando desplazamientos angulares o giros discretos llamados pasos y estos pasos se logran al variar o conmutar la reluctancia del circuito magnético dentro del mismo.

¿Cómo funcionan los motores paso a paso de reluctancia variable?

Este tipo de motor cuenta con un rotor dentado o con salientes hecho de una pila de láminas o chapas de material ferromagnético, mientras que el estator consta de varios pares de dientes, también en material ferromagnético, enrollados por bobinas y formando así los magnetos o polos. El número de diente del rotor es diferente al del estator y se disponen de tal manera que sólo un par de dientes del rotor queda alineado con un par de dientes del estator a la vez.

Vista en sección de motor paso a paso de reluctancia variable
Figura 1. Vista en sección de motor paso a paso de reluctancia variable

Cuando una de las fases o pares de polos en el estator se energiza (Representada con color rojo en la figura 1) se genera un campo magnético, que causa que el rotor gire (de un paso) para alinear uno de sus pares  de dientes con el par de magnetos energizado, reduciendo así el entrehierro o espacio entre dientes del rotor y estator y por ende minimizando también la reluctancia del circuito magnético.

Es posible obtener pasos más pequeños energizando dos bobinas simultáneamente, de manera que los pasos resultantes sean la mitad del paso original del motor. A esta operación se le llama paso medio.

Fases de motor de pasos de reluctancia variable
Figura 2. Fases de motor de pasos de reluctancia variable

Debido a la conexión interna de los bobinados o fases del estator y a la forma en que estos son excitados podemos clasificar a este tipo de motor como un motor paso a paso unipolar (Ver figura  2). Aunque los diagramas mostrados en las figuras 1 y 2 ejemplifiquen a un motor PAP de VR de cuatro fases, es posible encontrar y/o fabricar motores de este tipo con un mayor número de fases. Entre mayor sea el número de polos del motor de pasos mayor será su resolución o número de pasos para completar una revolución. 

Los motores de reluctancia variable  se caracterizan por tener una repuesta rápida a la señal de control, pero trabajan con un torque menor que los de imán permanente. Por esta razón son mayormente utilizados en aplicaciones que demanden poca carga, como pueden ser plotters e impresoras. Si no se excita ninguna de las bobinas de este motor, el par proporcionado por el mismo es igual cero.

¿Qué es exactamente la reluctancia?

Posiblemente en este punto ya tengas una noción más clara sobre el funcionamiento del motor de pasos de reluctancia variable, pero aun no comprendas el por qué del nombre. Para disipar esta inquietud vale la pena familiarizarnos con el concepto de reluctancia magnética. Para ello nos auxiliaremos de la figura 3, en la cual se muestra un núcleo fabricado  de material ferromagnético (comúnmente hierro)  enrollado por una bobina de N  vueltas.

Figura 3. Circuito magnético simple

 

Densidad de campo magnético

Uno de los principios fundamentales del electromagnetismo es el hecho de que al hacer pasar una corriente eléctrica a través de un alambre conductor, se produce un campo magnético alrededor del mismo. Por lo tanto si aplicamos una corriente eléctrica a la bobina de nuestro circuito, se genera un campo magnético, cuya densidad de campo magnético B está dada por la expresión

Densidad de campo magnético

Donde

la constante  mu es lo que se denomina permeabilidad magnética del material y representa la facilidad para establecer un campo magnético en dicho material. Su unidad de medida es henrio/metro [H/m]. Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por tener una permeabilidad magnética relativamente alta, de 2000 a 6000 veces la permeabilidad del espacio libre (Permeabilidad magnética del espacio libre).

Por otro lado H es la intensidad de campo magnético y representa el esfuerzo realizado por la corriente neta aplicada para establecer un campo magnético. Ésta a su vez está dada por la ecuación

Intensidad de campo magnético

Donde

N= número de vueltas de la bobina

i = la intensidad de la corriente eléctrica aplicada, medida en amperes  [A]

y  Longitud media del núcleo = la longitud media del núcleo, medida en metros (ver figura 2).

Es muy común que al producto de la corriente por el número de vueltas se le de el nombre de fuerza magnetomotriz:

Fuerza magnetomotriz, medida en ampere-vuelta [Av]

De esta manera la unidad de medida para H es ampere-vuelta/metro [Av/m]

Si sustituimos (2) en (1) tenemos que

Flujo magnético

Puesto que el núcleo está hecho de material ferromagnético, la mayor parte del flujo magnético se concentra en el núcleo, mientras que sólo una cantidad despreciable del mismo se pierde como flujo de dispersión. Este hecho nos permite establecer lo siguiente

Donde

B = la densidad de campo magnético, medida en henrios sobre metro cuadrado o tesla [T = H/m2]

Phi = flujo magnético o líneas de campo magnético que atraviesan la sección transversal del núcleo, medido en henrios [H]

Área transversal del núcleo = es el área de la sección transversal del núcleo en metros cuadrados [m2]

Finalmente sustituyendo (3) en (4) obtenemos que

Flujo Magnético

Analogía entre un circuito eléctrico y un circuito magnético

Si somos buenos observadores nos daremos cuenta de que existe una especie de analogía o similitud entre el fenómeno eléctrico y el magnético. De la misma manera en que el voltaje aplicado en un circuito eléctrico  produce una corriente eléctrica, la fuerza magnetomotriz aplicada en un circuito magnético produce un flujo magnético.

En el caso del circuito eléctrico, según la Ley de Ohm, la resistencia al paso de la corriente eléctrica está dada por el cociente del voltaje aplicado y la corriente resultante:

Resistencia eléctrica

Utilizando la misma analogía entre el circuito eléctrico y el magnético podemos obtener una expresión para la oposición al flujo magnético:

Reluctancia magnética

A esta resistencia u oposición al paso del flujo magnético es lo que se le conoce como reluctancia magnética. Como mencionamos anteriormente, la variación de ésta es la que induce el par que hace que el rotor del motor de pasos de reluctancia variable de un paso a la vez según la secuencia aplicada.