Guida per ingegneri ai motori frameless

Scegliere un motore frameless per il tuo progetto di controllo del movimento può offrirti una maggiore flessibilità progettuale e un sistema con prestazioni superiori. A differenza dei motori tradizionali confezionati o con carcassa, i motori frameless sono progettati per essere integrati direttamente nella meccatronica della macchina o del dispositivo che alimentano. Comprendere che cosa sono i motori frameless, quando usarli e come scegliere il motore frameless migliore per le tue esigenze è fondamentale per sfruttarne appieno il potenziale.

Che cos’è un motore frameless?

I motori frameless, noti anche come kit motore o torque motor, sono costituiti unicamente da rotore e statore. Non includono carcassa, albero o cuscinetti. Questo consente a chi progetta di utilizzare l’apparecchiatura ospitante come carcassa, oltre agli alberi, alle tenute e ai cuscinetti della stessa. Di conseguenza, l’integrazione del motore può essere ottimizzata meglio in termini di costo, peso, efficienza, dimensioni o dissipazione termica. Nella progettazione di soluzioni personalizzate, i motori frameless risultano particolarmente indicati.

Come funzionano i motori frameless?

Un motore frameless funziona secondo lo stesso principio dei motori con carcassa brushless motors, convertendo l’energia elettrica in movimento meccanico. Gli avvolgimenti in rame nello statore producono un campo magnetico che spinge o attrae i magneti sul rotore, generando un moto rotatorio. Un azionamento/controllore motore viene utilizzato per controllare la corrente elettrica alternata immessa nello statore, ottenendo un’uscita di coppia e velocità accurata, precisa ed efficiente.

Un motore frameless è progettato per essere integrato nel sistema meccanico dell’unità ospitante. Il rotore è tipicamente collegato a un albero rotore o alla parte mobile del sistema, e lo statore è fissato a una carcassa o alla parte statica del progetto.

Caratteristiche dei motori frameless

I motori frameless offrono diverse caratteristiche chiave che li rendono adatti ad applicazioni di movimento ad alte prestazioni:

• Design compatto: integrare il motore frameless nel sistema di movimento consente di progettare un sistema compatto.
• Integrazione diretta: l’assenza della carcassa consente l’integrazione diretta nel sistema meccanico, riducendo la complessità di assemblaggio e migliorando l’efficienza complessiva del sistema.
• Personalizzazione: questi motori possono essere adattati alle esigenze specifiche dell’applicazione, ad esempio dimensioni personalizzate di rotore e statore o configurazioni di avvolgimento specifiche.
• Dinamica migliorata: con meno componenti e un’integrazione ottimizzata, i motori frameless offrono in genere una dinamica migliorata.
• Alta densità di coppia: i motori frameless erogano coppie elevate in un ingombro compatto, aspetto cruciale per applicazioni che richiedono movimenti potenti e precisi.
• Efficienza dei costi: non è necessario pagare per carcassa del motore, albero e cuscinetti non necessari.

Applicazioni dei motori frameless

I motori frameless sono utilizzati in una varietà di applicazioni ad alte prestazioni e specialistiche, tra cui:

• Robotica: nei bracci robotici, i motori frameless forniscono la precisione e la coppia necessarie per movimenti complessi in un formato compatto.
• Aerospazio, terrestre e marino: grazie al design leggero, i motori frameless vengono utilizzati in avionica, droni, gimbals, e altri sistemi aerospaziali, nonché in sistemi su veicoli terrestri e marini.
• Dispositivi medicali: i motori frameless sono ideali per i robot chirurgici e altre apparecchiature medicali dove lo spazio è limitato e la precisione è fondamentale.
• Meccatronica ad alta precisione: per verticali come metrologia, macchine utensili, lavorazione dei materiali e altri, i motori frameless consentono progetti molto compatti con alta precisione.
• Automazione industriale: i motori frameless sono adatti ad azionare sistemi direct drive che richiedono elevata coppia e controllo preciso in ingombri ridotti.
• Veicoli elettrici:  i motori frameless sono spesso utilizzati nei motori integrati nella ruota (in-wheel) e in altre applicazioni automotive dove integrazione e prestazioni sono essenziali.

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Principali criteri di selezione per i motori frameless

Quando si seleziona un motore frameless per un’applicazione specifica, è necessario considerare diversi fattori:

• Coppia e velocità richieste: capire quanto il motore debba spingere o tirare e a quali velocità è uno dei fattori chiave per scegliere un motore.
• Gestione termica: considerare la temperatura massima ammessa e le condizioni di raffreddamento del motore è importante per sapere quante perdite il motore può avere nei punti di funzionamento previsti.
• Vincoli di spazio: il motore frameless può essere integrato direttamente nel sistema, quindi conoscere la dimensione massima consentita è importante.
• Peso: il peso complessivo del sistema deve essere considerato nella scelta della tecnologia motore corretta. Esistono anche tecnologie per realizzare motori frameless più leggeri di altre (ad es. Motori con alloggiamenti vs. Motori senza alloggiamenti).
• Tensione di alimentazione e corrente massima in ingresso: trattandosi di una parte del sistema e utilizzando un controllore motore, alcuni vincoli su tensione di alimentazione e corrente in ingresso possono essere già definiti prima di scegliere il motore frameless.
• Requisiti di precisione: quanto il motore debba essere preciso per svolgere i compiti previsti. Potrebbe essere necessario un motore a cogging nullo.
• Altri componenti del sistema: anche se la selezione del motore è uno degli aspetti più importanti della progettazione del sistema di movimento, anche gli altri componenti devono lavorare insieme al motore. La flessibilità della tecnologia dei motori frameless consente la compatibilità con la maggior parte dei componenti che costituiscono il sistema di movimento.

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I motori frameless offrono una soluzione altamente flessibile e ad alte prestazioni per un’ampia gamma di applicazioni. Comprendendo i motori frameless e i principali fattori di selezione, è possibile progettare la soluzione ottimale per il proprio sistema. Che si tratti di aerospazio, dispositivi medicali o robotica, i motori frameless continueranno a svolgere un ruolo critico nell’avanzamento della tecnologia.

Quali sono i vantaggi dei motori frameless?

I motori frameless offrono maggiore libertà progettuale eliminando i vincoli di una carcassa predefinita. Questo apre la strada a prodotti più compatti e leggeri, poiché il motore può essere integrato completamente nella struttura circostante. Con statore e rotore forniti come componenti separati, hai il pieno controllo del sistema di cuscinetti, scegliendo tipologia e qualità più adatte alla tua applicazione. La carcassa del motore può spesso fungere anche da parte dell’assieme meccanico principale, riducendo il numero di componenti e semplificando il sistema complessivo. Inoltre, il design a centro aperto offre spazio prezioso per integrare riduttori, cablaggi, collettori rotanti (slip ring) o altri componenti, rendendo i motori frameless una scelta ideale per sistemi ad alte prestazioni con ingombri molto contenuti.

Motori frameless vs motori tradizionali: qual è la differenza?

La distinzione chiave tra motori frameless e tradizionali riguarda il livello di integrazione. I motori frameless sono costituiti esclusivamente da rotore e statore, insieme al nucleo funzionale del motore, permettendo di integrarli direttamente nella struttura meccanica di un sistema. I motori tradizionali, spesso indicati come motori con carcassa, motori BLDC, o servomotori, arrivano come unità complete con carcassa integrata, sistema di cuscinetti e albero. Questo li rende pronti per essere montati e utilizzati “out of the box”, ma limita la flessibilità in termini di dimensioni, peso e disposizione dei componenti. I motori frameless, invece, richiedono maggiore sforzo iniziale di progettazione e assemblaggio, ma consentono soluzioni altamente ottimizzate: scegli i cuscinetti, definisci l’interfaccia meccanica e puoi ottenere un prodotto finale molto più compatto e integrato. Questo rende i motori frameless particolarmente interessanti nelle applicazioni in cui spazio, prestazioni e peso sono critici.

Come integrare i motori frameless nel tuo sistema

Integrare un motore frameless richiede una progettazione meccanica accurata, ma in cambio offre una flessibilità senza pari. Esistono diversi metodi affidabili per fissare statore e rotore all’interno dell’assieme, a seconda dei requisiti di prestazioni, termici e di manutenibilità. L’incollaggio, con gioco piccolo o grande, offre una soluzione semplice ed efficace, soprattutto nei design con vincoli di spazio. Per applicazioni che richiedono montaggio e smontaggio agevoli, il serraggio assiale offre un’alternativa non permanente ma sicura. Nei casi in cui sia desiderato un accoppiamento rigido a interferenza, un montaggio a interferenza può garantire un allineamento preciso e un’eccellente conducibilità termica. Ogni approccio comporta compromessi, ma tutti consentono di integrare strettamente il motore con il sistema meccanico, migliorando compattezza e prestazioni complessive.

Prestazioni ed efficienza dei motori frameless: spiegazione

I motori frameless vengono tipicamente scelti per applicazioni in cui la coppia è più critica della potenza complessiva. Poiché sono integrati direttamente nel sistema meccanico, l’ottimizzazione delle prestazioni parte dalla costante del motore (Km). Massimizzando la costante del motore entro vincoli di massa o spazio, è possibile ottenere un’efficienza superiore, riducendo le perdite nel rame e nel ferro, minimizzando la generazione di calore e riducendo la potenza assorbita a parità di coppia. L’obiettivo è fornire la massima coppia continua mantenendo il sistema compatto, leggero e termicamente stabile. Questo rende i motori frameless particolarmente adatti ad applicazioni ad alte prestazioni come robotics, medical devices, e sistemi aerospaziali, dove ogni grammo e ogni watt contano.

Suggerimenti per ottimizzare le prestazioni dei motori frameless

Per ottenere il massimo da un motore frameless, è essenziale partire da una chiara comprensione dei requisiti di coppia e velocità dell’applicazione. La definizione precisa di questi parametri garantisce un dimensionamento corretto del motore ed evita un sovradimensionamento, che può portare a ingombri inutili o inefficienze. Successivamente, presta particolare attenzione alla costante di coppia (Kt) - scegli un motore il cui Kt sia allineato a velocità target, coppia e tensione in ingresso. In generale, un Kt più alto significa migliore efficienza e prestazioni termiche. È inoltre utile selezionare un motore con la massima costante del motore (Km) possibile entro i vincoli meccanici, poiché questo influisce direttamente sull’efficienza con cui può essere generata la coppia. Infine, abbina il motore a un driver adatto alla tua applicazione, che si tratti di un controllore di precisione per un movimento fluido e accurato o di un drive orientato alle prestazioni per sistemi dinamici ad alta coppia. Una combinazione ben abbinata tra motore ed elettronica sblocca tutto il potenziale dell’integrazione del motore frameless.

Nicolas Giraudo

Chief Commercial Officer

nicolas@alvaindustries.com

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