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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.
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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.
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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
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| 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
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| 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
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| 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
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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. |
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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.
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| 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. |
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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.
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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.
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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
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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:
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- Torni di potenza per l’industria automobilistica
- Motori per mandrini di fresatrici e centri di lavorazione meccanica ad alta velocità
- Fabbricazione di reti elettrosaldate
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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
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| Sezione dei cavi terminali in relazione alla corrente nominale del motore |
| Isolamento in PTFE, 2500 V ac, L = 500 mm |
| Corrente nominale |
Sezione cavo |
| In < 15 Arms |
1.22 mmq = AWG 16 |
| 15 Arms <= In< 25 Arms |
2.97 mmq = AWG 12 |
| 25 Arms <= In< 45 Arms |
8.6 mmq = AWG 8 |
| 45 Arms <= In< 82 Arms |
15 mmq |
| 82 Arms <= In< 110 Arms |
25 mmq |
| 110 Arms<=In< 200 Arms |
50 mmq |
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Come scegliere il motore TK più adatto?
In primo luogo va definita la fattibilità tecnica dell’applicazione. In generale tutti i motori hanno in comune la stessa limitazione fisica, che è la capacità di generare la “forza al traferro”, cioè la forza trasversale tra statore e rotore, che è lineare nei motori lineari, e diventa coppia in un motore circolare. Il valore della forza prodotta per unità di area dipende dalla tecnologia del motore ma è sostanzialmente limitato dalle proprietà dei materiali (magneti, rame, acciaio) usati nei motori. La tecnologia PM offre la più alta forza specifica al traferro oggi disponibile, e questo valore aumenta gradualmente seguendo i miglioramenti della tecnologia. Molti altri fattori (condizioni di raffreddamento, dimensioni, spessore del traferro, velocità lineare, ecc.) influiscono su questo valore che va considerato solo come un riferimento di massima. I motori rotativi TK e i motori lineari Wave sono caratterizzati da una forza di picco al traferro attorno a 80'000 N/mq, e un valore continuo con raffreddamento ad acqua di ca. 55'000 N/mq.
Il valore limite di forza al traferro spiega perchè è sempre opportuno utilizzare il massimo diametro disponibile per massimizzare la coppia risultante. In generale se in un motore si varia il diametro, la coppia si riduce col quadrato del diametro, mentre varia solo linearmente con la lunghezza. Conseguentemente, per verificare se una nuova applicazione è possibile, se si ritiene che la disponibilità di coppia costituisca un limite, va innanzitutto determinato il massimo diametro utilizzabile compatibilmente con le esistenti limitazioni fisiche e la massima velocità periferica (valori sotto i 150 m/sec non pongono problemi) e quindi può essere stimata la superfice del traferro. Questo può fornire una stima di massima della lunghezza del motore e quindi dare un’indicazione circa la fattibilità dell’applicazione.
Motori con grande diametro e limitata lunghezza assiale rappresentano la più efficiente soluzione per le applicazioni richiedenti alta coppia e bassa velocità, e presentano anche il vantaggio addizionale di non richiedere cuscinetti separati in quanto possono generalmente utilizzare gli stessi cuscinetti del carico condotto. Tuttavia il momento d’inerzia varia con il cubo del diametro, quindi dove l’inerzia costituisce il carico principale, sono più adatti motori lunghi e snelli. Un esempio tipico è costituito dall’azionamento diretto della mazza di roditrici ad alta velocità, nelle quali il movimento viene invertito oltre 300 volte/min, o nelle cesoie volanti ad alta velocità; in questi casi motori TK tubolari, raffreddati ad acqua forniscono la soluzione di più alta prestazione.
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Gli azionamenti dei mandrini generalmente richiedono sia alta coppia che alta velocità ma il diametro dei motori è generalmente limitato, quindi essi tendono ad essere lunghi e snelli. Sono normalmente prodotti motori con rapporto “diametro al traferro/lunghezza del pacco” fino a 1:3. In questo caso la tecnologia Phase M.C. dei motori PM consente la produzione di statori e rotori estremamente snelli, particolarmente utili nelle applicazioni in macchine multimandrino.
I motori per mandrini a magneti permanenti prodotti con la tecnologia di magneti per alta frequenza di Phase M.C. possono operare sia in regime di coppia costante che di potenza costante. Il campo a potenza costante, a seconda del tipo di motore, può superare il rapporto 10:1 sebbene questo sia generalmente limitato dalla capacità dell’azionamento scelto di controllare un campo di deflussaggio profondo.
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| Se confrontati con motori a induzione AC per mandrini, il progetto di motori a magneti permanenti offre: |
- Coppia nominale circa doppia a parità di taglia del motore
- Albero più grande in rapporto al diametro esterno
- Perdite contenute entro lo statore; il rotore è freddo e i cuscinetti possono funzionare con più precisione e affidabilità
- Rotore meccanicamente robusto (non laminato) il che garantisce la stabilità della bilanciatura
- Ampio campo di controllo a potenza costante (fino a 10:1) senza prese intermedie sull’avvolgimento
- Assenza di flusso radiale, che può indurre correnti nei cuscinetti
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Nella tecnologia Phase M.C. non ci sono differenze fisiche sostanziali fra i motori coppia e i motori per mandrini; essi hanno la stessa scorrevolezza e ampia larghezza di banda necessarie per indexing ad azionamento diretto e per le operazioni di contouring, per cui sono ora possibili operazioni di tornitura e fresatura con lo stesso motore.
Esiste tuttavia una differenza fondamentale fra gli azionamenti per mandrini con motore a magneti permanenti o a induzione. Nella tecnologia con motori a induzione l’alimentazione esterna viene usata per magnetizzare il motore (a bassa velocità, alta coppia) con il risultato di ottenere una coppia disponibile ridotta; La riduzione di flusso è facilmente ottenuta riducendo la corrente magnetizzante.
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Con ciò il motore è “caldo” al massimo carico e “freddo” a vuoto. Al contrario i motori a magneti permanenti fruiscono del campo dei magneti permanenti ad alta energia e quindi nessuna alimentazione viene richiesta per generare il campo magnetico e quindi una maggior quantità di energia può essere utilizzata per produrre coppia. Quando però il flusso deve essere ridotto, l’alimentazione è necessaria appunto per ridurre il campo magnetico, per cui i motori a magneti permanenti assorbono una certa corrente anche senza carico.
La Fig. 1 mostra un diagramma tipico coppia/velocità per un motore combinato coppia/mandrino con 570 mm di diametro, 100 mm di lunghezza assiale; in Fig. 2 sono riportate le temperature a pieno carico e a vuoto. Si può osservare che al disopra di una velocità critica (ginocchio, cioè la velocità alla quale avviene il passaggio fra il regime “coppia costante” e quello “potenza costante”), la temperatura del motore diventa progressivamente indipendente dal carico.
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Struttura meccanica, controllo del traferro e attrazione magnetica
Un’altra caratteristica utile della tecnologia PM è la possibilità di operare con un traferro ampio, fino a diversi millimetri nei motori più grandi. Questa caratteristica può essere utile in macchine con importanti deformazioni, come le presse ad iniesione per plastica o presse a urto (bilancieri e magli). Normalmente il traferro è dell’ordine di 1 mm, radiale, e ciò generalmente consente progetti in cui il motore utilizza i cuscinetti della macchina senza necessità di cuscinetti separati.
Il flusso magnetico nel rotore genera forze di attrazione radiali.
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| Queste sono perfettamente bilanciate solo se il rotore sta al centro dello statore, e aumenta con l’eccentricità. In pratica , questo è equivalente ad una “rigidità negativa” che deve essere compensata da una rigidità positiva molto più alta nel sistema dei cuscinetti. I dati relativi all’attrazione possono essere forniti a richiesta ; l’ordine di grandezza appare nel grafico di Fig. 3, per un motore coppia di 1000 Nm, diametro 370 mm, lunghezza 105 mm, con un traferro radiale di 1 mm. |
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