Motori frameless serie TK

Servo Motors

I motori brushless serie TK in esecuzione “frameless” offrono la più alta densità di coppia per applicazioni ad alto rendimento con accoppiamento diretto

I motori TK Torque sono unità trifase a magneti permanenti in terre rare (ferro neodimio boro) e raggiungono la più alta densità di coppia sia continua che di picco oggi disponibile

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.

Sui rotori vengono applicati magneti speciali prodotti da Phase con fattore di perdite minimo che permettono operazioni ad alta velocità con rotore sottile isotropico.

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.

I motori TK sono costituiti da statore e rotore forniti separati, previsti per l’assemblaggio diretto entro la struttura della macchina.

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.

Customized frames with integral cooling or even partial machine subassemblies with bearings and encoders are manufactured on request based on the standard frameless magnetic designs available.

Torque Motors - Made in Italy - Servo Motor
Torque Motor TK - Spindle Motor - Phase Motion Control
Torque Motors - Made in Italy - Servo Motor
Torque Motor TK - Spindle Motor - Phase Motion Control

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.

Torque Motor code Stack [mm] L tot.[mm] Øout [mm] Øin [mm] Torque (Water Cooled) [Nm] Torque (Air Cooled)[Nm] Peak Torque
[Nm]
Nominal Speed (rpm) Max Speed (rpm)
TK.085 50 110 96 44 7,30 3,70 24,10 5000 18000
100 160 96 44 16,20 8,10 48,20
150 210 96 44 25,40 12,70 72,30
200 260 96 44 34,70 17,40 96,40
TK.110 50 125 121 43 12,50 6,30 33,20 5000 20000
100 175 121 43 26,90 13,50 66,30
150 225 121 43 41,60 20,80 99,50
200 275 121 43 56,30 28,20 132,70
TK.120 50 125 134 54 21,90 11,00 47,50 5000 15000
100 175 134 54 48,20 24,10 95,10
150 225 134 54 75,10 37,60 142,60
200 275 134 54 102,40 51,20 190,00
TK.164 50 125 173 76 48,30 24,10 93,50 4000 10000
100 175 173 76 104,70 52,30 187,00
150 225 173 76 162,10 81,10 280,40
200 275 173 76 219,90 110,00 374,00
300 375 173 76 336,00 168,00 560,90
TK.188 50 140 202 80 34,80 17,40 119,50 6000 28000
100 90 202 80 79,10 39,50 238,90
150 240 202 80 125,80 62,90 358,40
200 290 202 80 173,60 86,80 477,80
300 390 202 80 270,50 135,20 716,80
TK.195 50 160 207 76 49,50 24,80 93,50 2000 15000
100 210 207 76 108,69 54,30 187,00
150 260 207 76 169,20 84,60 280,40
200 310 207 76 230,20 115,00 374,00
300 410 207 76 352,70 176,40 560,90
TK.220 50 170 240 110 75,60 37,80 159,00 3000 14000
100 220 240 110 172,40 86,20 318,10
150 270 240 110 274,40 137,20 477,10
200 320 240 110 378,70 189,30 636,20
300 420 240 110 590,10 295,10 954,30
TK.240 50 135 249 142 111,20 55,60 216,50 3000 8000
100 185 249 142 240,00 120,00 433,00
150 235 249 142 371,30 185,60 649,40
200 285 249 142 465,90 251,60 865,90
TK.270 50 140 282 160 112,30 56,20 282,70 3000 8000
100 190 282 160 253,00 126,50 565,50
150 240 282 160 399,30 199,60 848,20
200 290 282 160 547,70 273,90 1.131,00
TK.310 50 120 310 198 215,60 107,80 373,90 500 3000
100 170 310 198 475,90 238,00 748,00
150 220 310 198 743,30 371,70 1.121,80
200 270 310 198 1.013,00 506,60 1.495,70
TK.340 50 145 358 190 242,00 121,00 407,20 2000 6000
100 195 358 190 547,20 273,60 814,30
150 245 358 190 864,70 432,40 1.221,50
200 295 358 190 1.186,90 593,50 1.628,60
300 395 358 190 1.837,00 918,50 2.442,90
TK.370 50 140 380 268 271,70 135,90 636,20 1000 4000
100 190 380 268 604,50 302,20 1.272,30
150 240 380 268 947,40 473,70 1.908,50
200 290 380 268 1.294,00 647,00 2.544,70
300 390 380 268 1.991,40 995,70 3.817,00
TK.450 50 170 465 320 468,20 234,10 916,10 1000 3000
100 220 465 320 1.033,70 516,90 1.832,20
150 270 465 320 1.613,00 806,50 2.748,30
200 320 465 320 2.196,90 1.098,40 3.664,40
TK.485 50 145 485 345 544,00 213,00 1.068,00 1000 2000
100 195 485 345 1.197,00 500,00 2.136,00
150 245 485 345 1.858,00 802,00 3.204,00
200 295 485 345 2.521,00 1.110,00 4.272,00
TK.540 50 145 548 400 712,80 356,40 1.431,40 400 1500
100 195 548 400 1.547,50 773,80 2.862,80
150 245 548 400 2.397,40 1.198,70 4.294,20
200 295 548 400 3.252,00 1.626,00 5.725,60
TK.570 50 115 578 450 745,40 372,70 1.767,10 400 1500
100 165 578 450 1.673,00 836,50 3.534,30
150 215 578 450 2.632,50 1.316,20 5.301,40
200 265 578 450 3.603,60 1.801,80 7.068,60
TK.795 50 160 815 640 1.631,10 815,50 3.365,40 200 800
100 210 815 640 3.781,20 1.890,60 6.730,70
150 260 815 640 6.063,60 3.031,80 10.096,10
200 310 815 640 8.402,10 4.201,10 13.461,40
TK.1150 50 190 1210 908 3.495,00 1.785,00 6.789,00 100 400
100 240 1210 908 7.996,00 4.281,00 13.577,00
150 290 1210 908 12.696,00 6.952,00 20.366,00
200 340 1210 908 17.457,00 9.695,00 27.155,00
TK.1340 50 190 1420 1100 4.542,80 2.271,40 9.842,30 100 400
100 240 1420 1100 10.639,40 5.319,70 19.684,60
150 290 1420 1100 17.147,10 8.573,50 29.526,90
200 340 1420 1100 23.831,50 11.915,70 39.369,20
TK.1700 50 190 1770 1420 8.113,80 4.056,90 15.946,80 100 300
100 240 1770 1420 18.951,20 9.475,60 31.893,50
150 290 1770 1420 30.480,20 15.240,10 47.840,30
200 340 1770 1420 42.301,80 21.150,90 63.787,00
TK.2000 50 260 2085 1700 8.587,40 4.293,70 23.004,10 100 300
100 310 2085 1700 20.713,90 10.356,90 46.008,20
150 360 2085 1700 34.103,80 17.051,90 69.012,30
200 410 2085 1700 48.132,40 24.066,20 92.016,40
TK.3080 50 260 3170 2760 24.318,60 12.159,30 51.035,20 100 250
100 310 3170 2760 57.331,50 28.665,80 102.070,30
150 360 3170 2760 92.790,20 46.395,10 153.105,50
200 410 3170 2760 129.340,00 64.670,00 204.140,70

Morfologia motoria e linee guida per l'applicazione

I motori TK sono composti da:
Uno statore trifaseavvolto 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
Standard size of terminal cables vs nominal motor current
PTFE insulation, 2500 Vac, L=500 mm
Nominal current Wire size
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

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.

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 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.

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

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.

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.

Una tipica curva di potenza e di coppia in funzione della velocità è mostrata nella figura. 1 per un motore combinato coppia/mandrino con diametro di 570 mm, lunghezza assiale di 100 mm; nella Fig. 2, viene visualizzata la temperatura del motore a vuoto e a pieno carico. Si può osservare che al di sopra della “velocità di ginocchio”, ossia la velocità di transizione tra il funzionamento a coppia costante e a potenza costante, la temperatura del motore diventa progressivamente indipendente dal carico del motore.

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.

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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