Serraggio assiale per l’assemblaggio di motori frameless: principi e pratica

Il serraggio assiale è un metodo di ritenzione meccanica in cui lo statore o il rotore di un motore viene fissato comprimendolo lungo l’asse del motore tra due parti rigide. In pratica, un componente dell’alloggiamento fornisce una spalla (o “superficie di battuta”) contro cui appoggia lo statore, e poi viene imbullonato sopra un anello di serraggio separato o una campana di estremità. Il serraggio degli elementi di fissaggio avvicina le due parti, creando un contatto d’attrito che blocca in posizione il pacco statorico. Il corretto allineamento radiale è garantito da un accoppiamento preciso del diametro esterno dello statore nell’alloggiamento (o del diametro interno del rotore sull’albero), mentre la posizione assiale è controllata dalla geometria della spalla e del serraggio. In altre parole, lo statore è “a sandwich” assialmente: appoggia contro una spalla fissa da un lato, e dall’altro un anello di serraggio (spesso un anello completo a 360° o diversi morsetti equidistanti) applica una pressione assiale uniforme.

Vantaggi del serraggio rispetto all’incollaggio adesivo

‍
Utilizzare il serraggio assiale al posto dell’incollaggio adesivo offre diversi vantaggi pratici nel montaggio dei motori. Non sono necessari tempi di polimerizzazione né sostanze chimiche, il che può accelerare notevolmente il processo di assemblaggio. Con il serraggio, non serve applicare epossidici o adesivi anaerobici e attendere la polimerizzazione, eliminando potenziali ritardi e la complessità della gestione di prodotti chimici. Inoltre, un assemblaggio serrato assialmente può essere smontato se necessario: a differenza di un giunto adesivo permanente, statore e rotore possono essere disassemblati per ispezione o manutenzione. Questa facilità di smontaggio è esplicitamente citata nella pratica: i serraggi assiali “forniscono un posizionamento affidabile dello statore” consentendo al contempo una “rimozione agevole per manutenzione”. Infine, il serraggio evita il rischio di degradazione dell’adesivo nel tempo o di outgassing e aggira la necessità di abbinare i materiali dell’alloggiamento per la dilatazione termica (un aspetto critico quando si utilizzano progetti a press-fit o shrink-fit). In sintesi, il serraggio assiale fornisce un giunto robusto e manutenibile senza fasi di incollaggio chimico.

Aspetti chiave: allineamento, ritenzione e prestazioni termiche

‍
Quando si usa il serraggio assiale, occorre affrontare con attenzione diversi fattori:

• Allineamento radiale e assiale: Ottenere un allineamento preciso è fondamentale. L’allineamento radiale deriva da un accoppiamento stretto (un accoppiamento line-to-line o di transizione) tra il diametro esterno dello statore e il foro dell’alloggiamento, oppure tra il diametro interno del rotore e l’albero. L’allineamento assiale è definito da battute rigide o spalle nell’alloggiamento o sull’albero. Ad esempio, una spalla lavorata su una metà dell’alloggiamento può definire la posizione assiale dello statore mentre l’anello di serraggio sul lato opposto completa il “sandwich”. È importante che qualsiasi battuta rigida o spalla contatti solo l’anello di supporto in alluminio del motore (non le bobine o i magneti) per evitare danni.
  
  
• Superfici di ritenzione: Il serraggio deve appoggiarsi sulle superfici corrette. Per gli statori, la maggior parte dei progetti Motori senza alloggiamenti presenta un sottile anello di back-iron in acciaio serrato tra anelli terminali in alluminio; il serraggio dovrebbe ingaggiare il back-iron rigido o l’anello in alluminio, non gli avvolgimenti isolati. Per i rotori con array di magneti Halbach, il serraggio deve ingaggiare l’anello portante del rotore anziché i magneti, che sono fragili. Utilizzate un anello di serraggio circolare completo oppure più morsetti equidistanti per distribuire la forza in modo uniforme attorno al pacco. I bulloni di montaggio (4–12 bulloni equidistanti è comune) devono essere serrati alla coppia specificata, in modo che il serraggio eserciti una pressione sufficiente senza deformare i componenti.
  
  
• Requisiti di coppia e carico: Valutate i requisiti di coppia e di shock del motore. Molte linee guida suggeriscono che il serraggio assiale è adatto ad applicazioni a coppia bassa o moderata in cui potrebbe essere necessario uno smontaggio periodico. Per coppie molto elevate o vibrazioni intense, possono essere consigliabili metodi supplementari (adesivo, shrink-fit o morsetti aggiuntivi). Se è necessaria un’elevata forza di serraggio, potete aumentare l’area della superficie di serraggio o il numero di bulloni per incrementare la forza totale di tenuta.
  
  
• Prestazioni termiche: La gestione termica non va trascurata. Qualsiasi intercapedine d’aria tra statore e alloggiamento aumenta la resistenza termica. È prassi comune riempire il piccolo gioco tra il diametro esterno dello statore e il foro dell’alloggiamento con un materiale d’interfaccia termicamente conduttivo, ad esempio grasso termico a base di silicone o un adesivo in film sottile, per migliorare il trasferimento di calore. Assicuratevi inoltre che le superfici di contatto dell’anello di serraggio siano pulite e planari per un buon trasferimento termico. Nel complesso, fornire buoni percorsi termici (con grasso o adesivo termicamente conduttivo nella fessura) può migliorare in modo significativo il raffreddamento del motore.
  
  
• Protezione dei componenti: Il serraggio non deve danneggiare le parti delicate. Applicate le forze di serraggio solo attraverso gli anelli robusti in alluminio/acciaio. In particolare, non fate appoggiare il serraggio su magneti o avvolgimenti. Assicuratevi che vi sia sufficiente gioco tra le caratteristiche del serraggio e le estremità degli avvolgimenti, in modo che tutto il carico assiale passi attraverso le superfici previste.
  
  

Best practice per applicare la forza di serraggio in sicurezza

Per applicare la forza di serraggio assiale senza danneggiare il motore:

• Percorso della forza: Convogliate tutte le forze di serraggio attraverso gli anelli strutturali designati. Qualsiasi battuta rigida o contatto del serraggio dovrebbe toccare solo l’anello di supporto in alluminio del motore, non l’incapsulamento delle bobine o le facce dei magneti. Questo previene lo schiacciamento o la deformazione di avvolgimenti e magneti.
  
  
• Fissaggio: Utilizzate più bulloni o morsetti equidistanti attorno all’anello. Serrate i bulloni con uno schema alternato per applicare una pressione uniforme. Seguite le specifiche di coppia del produttore. Ad esempio, in un esempio di telaio slim-torque, sono state utilizzate quattro viti M3 serrate a circa 1 N·m (assicuratevi che viti e coppia del vostro progetto siano coerenti con dimensioni e coppia del motore).
  
  
• Anti-allentamento: Utilizzate dispositivi di bloccaggio sui bulloni di serraggio. Una rondella di sicurezza, un frenafiletti o un adesivo anaerobico sui bulloni può impedire che si svitino sotto vibrazione. Ad esempio, è possibile applicare una rondella di sicurezza o un adesivo per evitare l’allentamento delle viti del serraggio.
  
  
• Pulizia delle superfici: Mantenete le superfici di serraggio pulite e asciutte. Olio, grasso o polvere sulle superfici di accoppiamento possono ridurre l’attrito e l’efficacia della forza di serraggio. In particolare, evitate di contaminare le facce del serraggio con lubrificante: progettate un gioco tale che nessun grasso possa migrare sulle superfici di serraggio.
  
  
• Giochi di progetto: Il progetto meccanico deve includere un gioco assiale (clearance) dietro l’anello di serraggio quando lo statore è installato. Questo gioco assicura che, mentre si serrano i bulloni, l’anello di serraggio contatti solo lo statore (e non un’altra spalla). Se l’anello di serraggio potesse andare in battuta sull’alloggiamento prima del serraggio, lo statore non verrebbe compresso correttamente.
  
  
• Protezione dei componenti: Durante l’assemblaggio, maneggiate statore e rotore con cura. Ad esempio, pulite sempre i componenti (diametro esterno dello statore, diametro interno del rotore, fori dell’alloggiamento e facce di serraggio) con alcol isopropilico su un panno privo di lanugine prima dell’assemblaggio. Questo rimuove gli oli che potrebbero compromettere il contatto o il trasferimento termico.
  
  

Assemblaggio passo-passo del motore ST-130-27-Max

‍
Di seguito viene illustrato un possibile metodo per assemblare il motore Alva ST-130-27-Max con carcassa utilizzando il serraggio assiale. (Fare riferimento ai disegni meccanici specifici per numeri di parte e valori di coppia esatti.)

1. Preparare le due metà dell’alloggiamento. Inserite i cuscinetti appropriati in ciascuno dei due coperchi terminali o telai dell’alloggiamento. Pulite tutte le superfici di contatto (diametro esterno dello statore, fori dell’alloggiamento e facce di serraggio) con alcol isopropilico e un panno privo di lanugine.
   
   
2. Applicare un composto di ritenzione (opzionale). Su una metà dell’alloggiamento (il lato su cui si posizionerà la morsettiera dello statore), applicate un sottile strato di un composto di ritenzione anaerobico (ad es. Loctite 638) o di grasso termico sulla faccia del foro. Questo può aumentare attrito e contatto termico; se preferito, si può usare invece una piccola quantità di grasso termico al silicone.
   
   
3. Inserire lo statore. Posizionate il pacco statorico nella metà dell’alloggiamento preparata, spingendolo assialmente finché non si assesta contro la spalla interna dell’alloggiamento. L’anello esterno in alluminio dello statore andrà in battuta su questa spalla. Assicuratevi che lo statore sia orientato in modo che avvolgimenti e terminali siano allineati correttamente (ad es. morsettiera rivolta verso il lato previsto).
   
   
4. Accoppiare rotore e metà alloggiamento opposta. Posizionate il rotore (sul suo albero) nell’altra metà dell’alloggiamento (che ha già il cuscinetto installato). Quindi accoppiate le due metà: spingete la seconda metà dell’alloggiamento (con rotore) sull’albero finché non si avvicina allo statore. In questo passaggio, il rotore entrerà nello statore e la seconda metà dell’alloggiamento si unirà alla prima. Il gioco di serraggio tra statore e seconda metà dell’alloggiamento si ridurrà leggermente quando le parti si incontrano. Assicuratevi che l’allineamento assiale rotore-statore sia corretto; spalle lavorate o una flangia sull’albero lo garantiscono spesso.
   
   
5. Installare i bulloni di serraggio. Con lo statore “a sandwich” tra le due metà dell’alloggiamento, inserite i bulloni di serraggio attraverso la seconda metà nell’alloggiamento della prima metà (o nell’anello di serraggio) lungo la circonferenza. Ad esempio, si possono usare quattro viti M3 (equidistanti a 90°). Serrate progressivamente e in modo uniforme seguendo uno schema incrociato fino alla coppia specificata (l’assemblaggio di esempio ha utilizzato ~1 N·m per viti M3). Questo richiama insieme le due metà dell’alloggiamento, comprimendo lo statore assialmente contro la spalla. Non serrate eccessivamente e assicuratevi che la forza di serraggio sia applicata in modo uniforme attraverso l’anello di supporto dello statore.
   
   
6. Verifiche finali e installazione dell’encoder. Dopo il serraggio, verificate che non vi sia gioco nell’assemblaggio e che lo statore sia saldamente trattenuto. Controllate che l’anello di serraggio non sia andato in battuta prematuramente (confermate che sia rimasto un gioco intenzionale) e che lo statore non si sia spostato. Infine, installate l’encoder del motore o la campana di estremità secondo necessità. Il motore è ora assemblato con un meccanismo di serraggio assiale che fissa lo statore.
   
   

Durante l’assemblaggio, assicuratevi che tutte le forze siano convogliate attraverso gli anelli strutturali previsti (il back-iron in alluminio/acciaio). Questo proteggerà bobine e magneti dalle sollecitazioni. Con un’attenzione accurata ad allineamento, pulizia e serraggio uniforme, il serraggio assiale consente un assemblaggio del motore affidabile, senza adesivi, manutenibile ed efficiente dal punto di vista termico.

‍