Phase Motion Control

Prev Next

Informazioni tecniche generali sui motori "frameless" serie TK

I motori brushless serie TK in esecuzione “frameless” offrono la più alta densità di coppia oggi disponibile per applicazioni ad alto rendimento con accoppiamento diretto. A differenza dei motori coppia tradizionali, le unità serie TK dispongono della capacità di offrire sia alta coppia sia alta velocità e per questo si prestano all’uso come motori sia di mandrini che di tavole rotanti. I motori TK sono costituiti da statore e rotore forniti separati, previsti per l’assemblaggio diretto entro la struttura della macchina. Sono previsti per alimentazione trifase, incorporano magneti permanenti a terre rare (Ferro, Neodymio, Boro) e raggiungono la più alta densità di coppia sia continua che di picco oggi disponibile, unitamente ad alta velocità e possibilità di controllo del flusso in un campo a potenza costante di 10:1. Sui rotori vengono applicati magneti speciali prodotti da Phase M. C. con fattore di perdite minimo che permettono operazioni ad alta velocità con rotore sottile isotropico.

Tutti i rotori sono strutture rigide con magneti applicati e trattenuti meccanicamente senza collanti, mediante l’uso di una banda in fibra di carbonio precaricata, per un utilizzo in piena sicurezza anche alle alte velocità.

I rotori sono frequentemente richiesti e forniti in esecuzione “semi custom” per consentire l’accoppiamento diretto con cuscinetti, encoders, freni. Tutti i motori TK, per ottenere la massima resa, richiedono e sono previsti per raffreddamento a fluido (acqua) sull’esterno dello statore. E’ anche possibile il raffreddamento per conduzione/convezione. Tuttavia il funzionamento a potenza costante (a controllo di flusso) richiede sempre il raffreddamento ad acqua. Su richiesta possono essere fornite carcasse a disegno del cliente, atte a contenere i circuiti magnetici dei motori frameless standard disponibili, incorporanti il circuito di raffreddamento o anche sottoassiemi parziali di macchina, con cuscinetti ed encoders. Il campo delle coppie disponibili spazia da 10 a 40’000 Nm con diametro massimo di 1150 mm; al di sopra di tale diametro, sono disponibili unità “semi custom” a segmenti, usualmente fino al diametro di 18 m.

APPLICAZIONI

Operazioni di taglio metalli

 Accoppiamento diretto a tavole rotanti per contouring e tornitura
 Accoppiamento diretto a mandrini di fresatrici e torni
 Motori tubolari per mandrini di macchine multi-mandrino
 Tavole rotanti indexing per macchine tranfer

Operazioni di stampaggio metalli

 Accoppiamento diretto a volani di presse
 Macchine per laminazione a freddo
 Accoppiamento diretto a capstans per macchine di laminazione/trafilatura a caldo e a freddo

Materie plastiche

 Accoppiamento diretto a estrusori
 Gruppi di miscelazione e iniezione per macchine a iniezione (sostituiscono i motori idraulici)
 Elimazione delle scatole per ingranaggi nei miscelatori, macinatori, trinciatrici

Produzione energia

 Generatori a magneti permanenti per piccole turbine a gas o a vapore, cogenerazione
 Generatori ad accoppiamento diretto a bassa velocità e alto rendimentoper impianti mini-idro ed eolici

Morfologia dei motori e guida alle applicazioni

I motori TK sono costituiti da:

Uno statore trifase, avvolto e impregnato (3 bagni, metodologia preferita per utilizzo a cicli termici pesanti), o incapsulati sotto vuoto in materiale con conduttività termica elevatissima (per funzionamento con bassa temperatura superficiale). Lo statore può essere fornito contenuto in una sottile fascia cilindrica di acciaio (microframe), o inserito in una struttura metallica che contiene all’esterno il circuito di raffreddamento e gli O-rings di accoppiamento e tenuta, nonchè, su un lato, alcuni fori filettati (tipo Squid). Le unità in microframe sono rettificate sul diametro esterno con tolleranza h7 e sono lavorate sulle due facce del pacco magnetico per garantirne il parallelismo. Questa costruzione è prevista per bloccaggio forzato ad interferenza sul diametro esterno o per pressione assiale.

La tecnologia “microframe”ottimizza l’uso dello spazio dell’assieme e richiede che il corpo della macchina ricevente porti le cavità per il raffreddamento nel suo interno. Richiede particolare cura nel progetto dell’applicazione ma consente il più alto risparmio di spazio e densità di potenza oggi possibili.

In alternativa ad essa la carcassa tipo SQUID è più semplice da utilizzare, e richiede solo una cavità cilindrica mentre per il montaggio e il fissaggio del motore bastano alcune viti. La densità di coppia che si ottiene è leggermente inferiore a quella ottenibile con l’esecuzione “microframe” a causa dell’ingombro radiale della carcassa.

L’isolamento elettrico dei motori è in Classe H (filo smaltato Classe C) con isolamento aumentato previsto specificatamente per l’alto gradiente dV/dt tipico delle applicazioni nei servoazionamenti a 600 V dc; gli avvolgimenti sono muniti di tre sensori di protezione PTC e di una sonda lineare di temperatura KTY 84 per il controllo del processo. Il centro stella dell’avvolgimento è anche generalmente disponibile per scopi di filtraggio. Tutti gli avvolgimenti sono sottoposti in fabbrica a prova di isolamento a 4,5 kV dc verso terra e 3,5 kV dc fra fase e fase, valori fortemente in eccesso rispetto alle prescrizioni delle Norme.

Un rotore a magneti permanenti, a struttura tubolare isotropica, che alloggia i magneti sulla periferia esterna, protetti da un anello in fibra di carbonio precaricato (previsto per velocità tangenziali fino a 150 m/sec).

I magneti sono generalmente del tipo sinterizzato ad alta energia per alta temperatura Fe NdB, fabbricati da Phase Motion Control con propria tecnologia brevettata. Sono progettati per la massima classe di temperatura ed è virtualmente impossibile smagnetizzarli salvo nel caso di guasto dell’azionamento o uso improprio. Se è prevista una esposizione continua all’olio, devono essere specificati speciali magneti resistenti all’olio.

Il rotore può essere calettato e forzato sull’albero per interferenza oppure fissato mediante alcuni bulloni assiali. Quest’ultima soluzione è preferita nelle applicazioni per alta coppia e bassa velocità. come nelle tavole rotanti. In generale il profilo interno del rotore viene adattato alle necessità della macchina che lo ospita purchè il profilo richiesto sia compatibile con il foro massimo richiesto dal campo magnetico e specificato nelle note tecniche che accompagnano il motore.

Per un corretto funzionamento i motori necessitano di un sensore di posizione sull’albero (non fornito) per rilevare l’orientamento del campo e per il controllo di posizione e velocità. Il rotore è del tipo a magneti permanenti e non ha perdite primarie, quindi in via di principio non ha necessità di raffreddamento. Tuttavia, la frequenza del chopper dell’inverter deve essere tenuta alta a sufficienza per consentire che la corrente di ripple, da picco a picco, sia inferiore al 20% del valore efficace della corrente nominale per evitare il prodursi di perdite addizionali nel rotore, pericolose e inaccettabili.

Vengono realizzate su richiesta carcasse a disegno con circuito di raffreddamento integrato, o anche sottoassiemi parziali di macchina, con cuscinetti ed encoders, basati sulle strutture magnetiche disponibili dei motori “frameless” standard.

I rotori vengono forniti non bilanciati: il funzionamento ad alta velocità richiede la bilanciatura dinamica dopo il montaggio sull’albero dell’applicazione.

A seconda della forma geometrica e del tipo di circuito magnetico, i motori TK si possono suddividere in tre categorie principali:

Motori di grande diametro ad anello sottile per alta coppia e bassa velocità (motori coppia)

Applicazioni tipiche:

 Tavole rotanti per macchine utensili a controllo numerico, spesso con funzione di tornitura
 Indexers per macchine transfer
 Orientamento della testa di lavorazione in macchine a controllo numerico
 Grandi tavole rotanti (per l’industria del vetro, per imballaggio, per assemblaggio)
 Macchine per la deposizione di fibre di carbonio
 Azionamento diretto di miscelatori/mulini (per cemento, ceramica, gomma)
 Grandi generatori a bassa velocità (per centrali mini-idro, per energia eolica)
 Stampaggio metalli (presse e piegatrici elettriche)
 Macchine ad iniezione di materie plastiche ad azionamento diretto

In tutte queste applicazioni, l’azionamento diretto annulla il gioco ed elimina la necessità di una scatola ingranaggi che a sua volta limita la precisione e le prestazioni dinamiche del sistema. Non è più necessaria la tavola hirth. La precisione delle tavole coincide con la precisione del sistema di encoder. Il sistema è quindi estremamente semplice, flessibile e riprogrammabile. L’eliminazione del sistema di trasmissione e del suo gioco ed elasticità consente una larghezza di banda di controllo fino a 250 Hz, sicchè un ciclo di posizionamento può essere completato con grande precisione in pochi msec con vantaggio del tempo di ciclo macchina. Per ottenere una servo risposta adeguata nell’azionamento diretto di applicazioni di grande precisione e alta rigidità come le tavole rotanti e indexanti delle macchine utensili a comando numerico, il sensore deve essere sinusoidale in modo che l’azionamento possa interpolare la posizione reale con una risoluzione almeno 10 volte più grande della precisione richiesta. Inoltre il fissaggio del sensore o il montaggio a molle devono avere una frequenza di risonanza intrinseca superiore a 2000 Hz, allo scopo di non limitare i risultati complessivi del sistema.

Motori per mandrini di torni e fresatrici

Motori brushless lunghi e snelli con possibilità di controllo del flusso con velocità da medie ad alte, con alta densità di potenza, adatti per lavorazioni pesanti o per il controllo di carichi di grande inerzia, per operazioni di avvolgimento o svolgimento. I motori TK hanno attualmente la più alta densità di potenza e consentono la produzione di elettromandrini con livello di coppia non diversamente raggiungibile, in un campo di diverse migliaia di Nm, e al tempo stesso raggiungono alte velocità di migliaia di giri al minuto. I motori per mandrini sono comunque servomotori ad alte prestazioni per cui un’altro campo emergente di applicazioni sta nello svolgimento di cicli brevissimi.

Recenti applicazioni si sono avute per il controllo diretto della mazza in roditrici ad alta velocità con numero di colpi superiore a 300/min o più, posizionamento di carichi pesanti, in macchine per saldatura di reti elettrosaldate.

Applicazioni tipiche:

 Torni di potenza per l’industria automobilistica
 Motori per mandrini di fresatrici e centri di lavorazione meccanica ad alta velocità
 Fabbricazione di reti elettrosaldate

Motori tubolari, di piccolo diametro per unità a mandrini multipli

Applicazioni tipiche:

 Motori di alta potenza e velocità per applicazioni con interasse laterale limitato
 Teste di foratura multipla
 Torni a fantina mobile

Scarica il pdf

Scarica il pdf

Definizioni:

1) Motore montato in carcassa in lega leggera con superficie esterna pari al 500% della superficie dello statore, ambiente 40 C, rame a 120 C.

2) Motore raffreddato ad acqua, ingresso acqua 35 C, temperatura rame 120 C

3) Coppia a cui il circuito magnetico satura per cui non e’possibile alcun ulteriore sovraccarico

4) Coppia al ginocchio a cui corrisponde potenza costante illimitata

5) Limite del funzionamento a coppia costante con alimentazione 400 Vac

L’applicazione del fusibile duale
Protezione e sicurezza dei motori Pm a deflussaggio profondo (gamma di potenza costante > 1:4)

Il fusibile duale è un dispositivo di protezione per equipaggiamento e operatore sviluppato per sistemi di azionamento di motori a magnete permanente a deflussaggio profondo. Il fusibile duale deve essere utilizzato come protezione secondaria di sicurezza, e cioè deve essere utilizzato come sistema ridondante di protezione per l’eventualità di una non funzionalità del sistema di protezione primario; il fusibile duale, infatti, interviene una volta sola e successivamente richiede un intervento manuale di manutenzione per sostituzione del medesimo.