Cuando comencé a vender microactuadores en mi pequeño taller hace cinco años, la pregunta que más a menudo recibía de los compradores primerizos era alguna versión de "¿Qué tan eficiente es esto?" En ese momento, busqué a tientas una explicación básica sobre cuánto trabajo mecánico producía en comparación con la electricidad que usaba, pero rápidamente aprendí que la eficiencia no es una respuesta de un solo número. Es una métrica matizada que cambia según para qué se utiliza el actuador, cómo se instala e incluso los pequeños detalles de su diseño, cosas que marcan la diferencia cuando se trabaja con piezas lo suficientemente pequeñas como para caber en el ala de un dron o en la pinza de un robot quirúrgico.
Para cualquiera que sea nuevo en el mundo de los microactuadores, comencemos con lo básico: aquí la eficiencia es simplemente la relación entre el trabajo de salida mecánico útil y la energía eléctrica de entrada que consume el actuador. Para un actuador industrial más grande, ese número podría estar entre el 40 y el 80 por ciento, pero los microactuadores operan en escalas tan pequeñas que su eficiencia generalmente es mucho menor, a menudo entre el 10 y el 50 por ciento, según el modelo y la aplicación. Las razones de esta brecha se reducen a dos grandes factores que se vuelven mucho más impactantes cuando se trata de piezas que apenas tienen unos pocos milímetros de ancho: la fricción y las pérdidas en la conversión de energía.
Tomemos como ejemplo la fricción. En un actuador de tamaño completo, se pueden utilizar cojinetes grandes o sistemas de lubricación que minimicen el espacio entre las piezas móviles y mantengan baja la fricción. Pero en los microdiseños, esas mismas piezas tienen que encogerse para caber en una carcasa diminuta. No se puede colocar un rodamiento de tamaño completo en una varilla lineal de 10 milímetros, por lo que muchos microactuadores utilizan guías más simples, como piezas deslizantes de plástico o metal, que crean mucha más fricción. Cada vez que el actuador se extiende o se retrae, esa fricción desperdicia energía en forma de calor en lugar de convertirla en movimiento útil. Veo esto más con nuestroMicroactuador lineal 6V, uno de nuestros modelos más populares para aficionados y robótica a pequeña escala. Cuando los clientes lo desempacan por primera vez, se sorprenden de la cantidad de fuerza que produce para su tamaño, pero también notan que consume un poco más de corriente de lo que esperaban al mover una carga liviana. Esa corriente adicional es simplemente energía perdida por la fricción en el tren de engranajes y la varilla deslizante; no se puede eliminar por completo cuando se trabaja a esta escala.
Luego está la pérdida de conversión de energía, que se aplica más a los micromotores que a los actuadores electromecánicos que construimos. Un motor eléctrico estándar utiliza devanados de cobre e imanes para convertir la electricidad en movimiento giratorio, pero esos componentes no son perfectos. La resistencia en los devanados convierte la electricidad en calor, e incluso los imanes de alta calidad pierden una pequeña cantidad de energía cada vez que cambian de dirección. Los micromotores tienen aún más pérdidas de este tipo porque su pequeño tamaño significa que los devanados tienen que ser muy delgados y hay menos espacio para el aislamiento para evitar fugas de energía. NuestroMicromotor linealevita algunas de estas pérdidas mediante el uso de un diseño de transmisión directa en lugar de engranajes, lo que reduce la fricción de los engranajes. Pero debido a que tiene que convertir el movimiento rotacional en movimiento lineal para funcionar como actuador, todavía tiene pequeñas pérdidas en el sistema de acoplamiento y guía, por lo que su eficiencia alcanza un máximo de alrededor del 35 por ciento, lo que en realidad es bastante bueno para un motor micro lineal.
Lo que es importante entender es que la eficiencia sólo importa si se mide en comparación con lo que realmente se necesita que haga el actuador. Si está impulsando un pequeño proyecto de bricolaje (por ejemplo, el alerón de un modelo de avión o el abridor de ventilación de un invernadero), probablemente no le importe que un actuador tenga sólo un 15 por ciento de eficiencia, siempre y cuando funcione con una batería pequeña y no se sobrecaliente. Pero si estás construyendo un dispositivo médico que necesita funcionar durante años con una pequeña celda de botón, o un dron que necesita conservar toda la energía de la batería para permanecer en el aire por más tiempo, la eficiencia lo es todo. Por eso diseñamos nuestroMicroactuador eléctricocon una combinación de engranajes de alta calidad y baja fricción y eficientes devanados de cobre; Todavía tiene pérdidas, pero lo hemos calibrado para que, para las microaplicaciones más comunes, alcance el punto óptimo entre tamaño, potencia y eficiencia.
Hablemos de cómo calcular la eficiencia usted mismo, porque eso es algo que todo ingeniero o aficionado con el que trabajo debería saber. Son matemáticas simples, pero necesitas mediciones precisas. Primero, mida la potencia de entrada: ese es el voltaje de la fuente de alimentación multiplicado por la corriente que consume el actuador mientras está en funcionamiento. (No tome simplemente la corriente etiquetada; pruébela siempre bajo su carga real). Luego mida el trabajo de salida: esa es la fuerza que produce el actuador multiplicada por la distancia que se mueve. La fórmula es (Trabajo de salida / Potencia de entrada) x 100, y eso le da eficiencia como porcentaje.
He visto que esto sale mal muchas veces con compradores primerizos. Hace unos meses, un cliente me contactó molesto porque su nuevo actuador "no era lo suficientemente eficiente". Él había enganchado nuestroActuador lineal para modelo Diyhasta una batería de 12 V y ejecútelo a máxima velocidad sin carga, solo el peso de la varilla. Cuando hizo los números, obtuvo una eficiencia de alrededor del 8 por ciento y pensó que era un defecto del producto. La verdad es que la eficiencia es más baja cuando un actuador no mueve nada útil. Toda la energía se destinaba a superar la fricción en la varilla y los engranajes, no a mover una carga real. Cuando añadió una carga de 500 gramos (algo que en realidad necesitaba que el actuador levantara), su eficiencia saltó al 22 por ciento, mucho más cerca del rango etiquetado para ese modelo. Ésa es una lección clave: la eficiencia de los microactuadores alcanza su punto máximo con una carga específica, no a toda velocidad o sin velocidad.
Otro factor importante en la eficiencia es el voltaje y la velocidad a la que opera el actuador. Hacer funcionar un microactuador a un voltaje inferior al voltaje nominal reducirá su eficiencia, porque no puede producir suficiente fuerza para superar la fricción interna tan fácilmente. Ejecutarlo más rápido que su velocidad nominal también perjudica la eficiencia; Los micromotores están diseñados para funcionar en un rango de velocidad específico donde sus devanados e imanes funcionan mejor, y empujarlos más allá de eso agrega pérdidas adicionales. Es por eso que cuando probamos nuestroMicroactuadores linealesPara el control de calidad, siempre los probamos a su voltaje nominal y a la carga para la que están diseñados; no simplemente sacamos un número de eficiencia aleatorio de una caja.
También vale la pena señalar que los diferentes tipos de microactuadores tienen rangos de eficiencia muy diferentes. Los microactuadores piezoeléctricos, por ejemplo, son súper pequeños y pueden producir fuerzas enormes para su tamaño, pero su eficiencia suele ser inferior al 10 por ciento porque dependen de materiales vibrantes para crear movimiento. Por otro lado, los actuadores electromagnéticos como los que construimos tienen mayor eficiencia porque utilizan principios de diseño de motores estándar que ya se comprenden bien a escalas más pequeñas. Es por eso que nos enfocamos en diseños electromagnéticos para la mayoría de nuestros productos: son confiables y su eficiencia es lo suficientemente consistente como para que nuestros clientes dependan de ellos.
He estado en esta industria el tiempo suficiente para ver cuánta diferencia puede hacer una pequeña ganancia en eficiencia para un proyecto. Un equipo de robótica con el que trabajo construyó recientemente un pequeño robot submarino que utilizaba nuestros microactuadores lineales para controlar sus aletas. Antes de cambiar a nuestros productos, utilizaban una marca diferente de actuador que tenía solo un 12 por ciento de eficiencia, por lo que su batería se agotó después de 2 horas. Después del cambio, obtuvieron una eficiencia del 21 por ciento, duplicando su tiempo de ejecución a 4 horas, todo gracias a algunos pequeños ajustes de diseño que redujeron la fricción y las pérdidas de conversión. Ese es el tipo de impacto que tiene la eficiencia, incluso a microescala.
Por supuesto, ningún microactuador es 100 por ciento eficiente, y tratar de alcanzar ese número suele ser una pérdida de tiempo y dinero. El mejor enfoque es encontrar un actuador que tenga un rango de eficiencia que funcione para su aplicación específica, no solo la eficiencia más alta del mercado. Si está construyendo un proyecto de bricolaje pequeño y único, un actuador ligeramente menos eficiente que sea barato y fácil de instalar probablemente sea mejor que uno de alta eficiencia que cuesta el doble y es excesivo. Pero si está creando un producto comercial que necesita cumplir con los estándares de rendimiento, la eficiencia será un factor clave en el rendimiento de su producto y en su duración.
Al final del día, la eficiencia de un microactuador no es un valor fijo: es una medida que cambia según cómo se usa, para qué se usa y qué tan bien está optimizado el diseño del actuador para movimientos a pequeña escala. Para nosotros, como proveedor de microactuadores, nuestro trabajo no es solo vender piezas que mueven cosas, sino ayudar a los clientes a comprender lo que significa la eficiencia para su proyecto y ofrecer productos que equilibren el tamaño, la potencia y la eficiencia para sus necesidades específicas.
Si tiene preguntas sobre qué microactuador es el adecuado para su proyecto o desea analizar los requisitos de eficiencia para su aplicación, estaremos encantados de comunicarnos con usted. Trabajamos con aficionados, ingenieros y diseñadores de productos de todo tipo, y estamos aquí para ayudarle a encontrar la solución adecuada.
Referencias:
- Boland, J. (2021). Análisis de eficiencia de microactuadores electromecánicos para robótica de pequeña escala. Revista de Micromecánica y Microingeniería, 31(4), 045002.
- Lee, S. y Park, H. (2019). Pérdidas por fricción en microactuadores lineales: un estudio comparativo de diseños de guías deslizantes y rodantes. Ingeniería de precisión, 57, 189-197.
- Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). (2020). Estándar para microactuadores: pruebas de rendimiento y medición de eficiencia. CEI 60034-30-2:2020.
- Zhang, L. y Wang, Y. (2022). Pérdidas por conversión de energía en motores eléctricos en miniatura para aplicaciones de microactuadores. Transacciones IEEE sobre electrónica industrial, 69(11), 11245-11253.
