I motori coppia con carcassa o telaio e i motori frameless sembrano differire di molto, ma in realtà sono piuttosto simili. In questo articolo vengono trattate differenze e somiglianze per guidare chi progetta verso la scelta giusta nella progettazione di dispositivi e sistemi.

Prima di entrare troppo nel dettaglio tecnico, iniziamo con una definizione di che cosa sia ciascun tipo di motore.

Che cos’è un motore frameless?

Un motore frameless è composto solo dalle parti attive — statore e rotore — e consente l’integrazione diretta nella carcassa di un’applicazione. Normalmente, i motori frameless sono motori coppia, nel senso che possono fornire una coppia elevata e ruotare a una velocità inferiore rispetto ai tradizionali motori Brushless Direct Current (BLDC). Tuttavia, questo non è sempre vero e dipende dal progetto del motore e dai requisiti del sistema, che verranno trattati più avanti. Il motore frameless è quindi un kit, costituito da rotore e statore. Una volta integrato nel meccanismo azionato, condividendone albero, cuscinetti, ecc., si ottiene un design più compatto e più leggero. I motori frameless sono tipicamente eccezionalmente leggeri e ad alta densità di potenza, soprattutto quelli senza ferro (ironless).

Che cos’è un motore coppia con carcassa (con telaio)?

In linea di principio, i motori con telaio o con carcassa possono essere definiti come tutti i motori che non sono frameless; tuttavia, in questo articolo con il termine motore con telaio o con carcassa ci si riferisce a un motore coppia combinato con una carcassa, cuscinetti, encoder e talvolta anche drive e freni, per ottenere una soluzione già integrata e pronta all’uso. La Figura 1 mostra un esempio di versione con carcassa. Un motore coppia dotato di telaio non presenta gioco (backlash), né attrito meccanico, praticamente nessuna cedevolezza (molto rigido) e bassa inerzia. In genere includono interfacce di montaggio per facilitarne l’installazione e vengono forniti con raccomandazioni per un corretto funzionamento con diverse soluzioni di automazione.

Applicazioni per motori con telaio e frameless

In questa sezione vengono trattate le applicazioni più comuni per entrambi i tipi di motori. Anche se i motori con telaio possono essere considerati un modo diretto per combinare componenti compatibili con lo stesso motore frameless e integrarli, le specifiche dei due differiranno, poiché la selezione di tali componenti limita in parte le opzioni di integrazione e il comportamento termico del sistema.

Applicazioni dei motori frameless

Anche quando i motori frameless possono essere utilizzati in tutte le applicazioni in cui le caratteristiche del motore sono adeguate alle esigenze meccaniche ed elettriche del sistema, esistono applicazioni specifiche in cui il concetto meccanico è più adatto a un design frameless. Alcune di queste applicazioni vengono descritte di seguito.

Ciò che tutte queste applicazioni hanno in comune è che il progetto meccanico deve essere leggero, compatto e sicuro, anche se sono rilevanti anche aspetti legati a durabilità e affidabilità.

• Articolazioni robotiche: proprio come nel corpo umano, un’articolazione robotica è la connessione tra due parti diverse del robot, consentendone l’articolazione e il movimento. Poiché la dimensione dell’articolazione limita il movimento del braccio o della gamba in questione, queste devono rimanere il più piccole possibile. Inoltre, poiché il movimento in braccia e gambe è tipicamente risolto con un approccio in serie, in cui ogni articolazione deve muovere il carico dell’articolazione successiva, il peso dell’intera catena di articolazioni o attuatori, e di ciascuno di essi, è molto importante. Pertanto, i motori frameless sono preferiti per queste applicazioni, poiché con un motore frameless si può ottenere un’articolazione molto compatta e integrata.
• Gimbal di precisione: utilizzati in payload per optronica e dispositivi di metrologia, tra le altre applicazioni, i gimbal di precisione devono tipicamente essere il più compatti e leggeri possibile. Questo è particolarmente vero nelle applicazioni aerotrasportate, dove un termine comune usato per descrivere questa caratteristica è SWaP, che sta per Size, Weight and Power. Per ottimizzare tutti e tre questi aspetti importanti di un gimbal di precisione, i motori frameless sono la scelta giusta. È anche vero che esistono i cosiddetti gimbal motors con telaio utilizzati nei gimbal; tuttavia, questi aggiungono peso dovuto alla carcassa e sono meno integrabili rispetto ai motori frameless, il che li rende meno popolari quando l’ottimizzazione SWaP è davvero importante.
• Dispositivi medicali come esoscheletri o bionica: una delle applicazioni più importanti per la meccatronica leggera e compatta è tutto ciò che deve essere indossato. La meccatronica indossabile sta diventando un segmento enorme nel mercato medicale, non solo perché oggi i progetti meccatronici sono molto più accessibili rispetto al passato, ma anche perché la tecnologia ha fatto notevoli progressi. Tra i (molti) dispositivi indossabili che necessitano di motori per funzionare, qui ne citiamo due: esoscheletri e protesi bioniche. Chi progetta esoscheletri e dispositivi bionici deve ottimizzare anche lo SWaP, poiché questi dispositivi sono tipicamente a contatto con il corpo umano e chi li usa apprezza non solo un design confortevole, ma anche il più possibile poco percepibile.

Applicazioni dei motori coppia con telaio

Le applicazioni dei motori con telaio sono infinite. Vengono utilizzati da decenni e le ragioni principali per usarli non sono solo comodità e sicurezza, ma anche time-to-market e manutenzione. Un motore con telaio è, in sostanza, lo stesso motore frameless descritto sopra, solo con più componenti integrati, inclusi cuscinetti, una carcassa e spesso encoder, freni, cavi, connettori, sensori Hall, sensori di temperatura, ecc. Il grande vantaggio di questo approccio è il tempo (installazione più rapida), poiché chi progetta non deve definire tutti gli elementi citati sopra e può semplicemente selezionare la configurazione motore corretta per l’applicazione. Questo comporta alcuni svantaggi logici, legati a flessibilità, compattezza, peso e costo, ma può offrire molti vantaggi, dalla supply chain alla progettazione. Alcune di queste innumerevoli applicazioni dei motori con telaio sono:

• Cinematica parallela: un esempio di cinematica parallela è un robot delta. I robot delta sono tipicamente azionati dalla trasmissione tradizionale composta da un motore BLDC e un riduttore. Tuttavia, negli ultimi anni si è osservato sul mercato un nuovo approccio che utilizza direct drive (un motore coppia con carcassa) al posto della lunga trasmissione. In questo concetto, il motore utilizzato è tipicamente un motore coppia con telaio che include un freno e un encoder.
• Tavole di rotazione (rotation stages): utilizzate in molte applicazioni diverse, le rotation stages sono sostanzialmente un motore con telaio di per sé. La differenza tra una rotation stage e un motore con telaio è che le rotation stages sono più un sistema che un semplice motore. Sono tipicamente abbinate a cuscinetti di precisione, includono l’elettronica o almeno una buona raccomandazione al riguardo e valori metrologici della precisione ottenuta
• Macchine per il packaging: i motori con telaio sono tipicamente utilizzati nelle macchine per il packaging per molte applicazioni diverse, inclusi case packer, indicizzazione, avvolgimento e svolgimento, etichettatura, ecc. Poiché le macchine per il packaging non possono fermarsi a lungo, la sostituzione rapida dei motori in caso di guasto è molto rilevante.

Considerazioni tecniche

Considerazioni prima di acquistare un motore frameless

Nel selezionare un motore frameless per un’applicazione specifica, è necessario considerare diversi fattori:

• Coppia e velocità richieste
• Gestione termica
• Vincoli di spazio
• Peso
• Tensione di alimentazione e corrente massima in ingresso
• Requisiti di precisione
• Altri componenti nel sistema

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Per maggiori informazioni su come selezionare un motore frameless, visita l’articolo dedicato a questo argomento: https://www.alvaindustries.com/post/an-engineers-guide-to-frameless-motors.

Considerazioni prima di acquistare un motore con telaio

Nella scelta di un motore con telaio, la differenza principale è che la maggior parte degli aspetti che sarebbe facile modificare con un motore frameless sarà già definita e non potrà più essere cambiata, oppure richiederà un certo sforzo per farlo. Gli aspetti da considerare includono carcassa, encoder, connettore, lunghezza del cavo, freno, cuscinetti, certificazioni, interferenze elettromagnetiche (EMI), ecc. Tutte le altre considerazioni menzionate per il motore frameless valgono anche per quelli con telaio. Qui vengono spiegate alcune delle specifiche per i motori con telaio:

• Encoder / controllo: l’encoder nel motore non è importante solo in termini di posizionamento e precisione, ma anche per il controllo di velocità e posizione del motore (nel caso non sia integrato alcun altro sensore).
• Cuscinetti: a seconda del tipo di carico che verrà mosso dal motore, i cuscinetti influenzeranno la capacità del motore, non solo le sue caratteristiche di coppia e velocità. Inoltre, la precisione del movimento sarà influenzata dai cuscinetti selezionati.
• Freno: se il motore include un freno, questo non solo arresta il motore a vuoto, ma frena anche il carico. Nel caso in cui il freno non sia sufficientemente affidabile, può essere installato anche un secondo freno, ma questo aumenterebbe considerevolmente le dimensioni del sistema.
• Manutenzione-riparazione-costo: una delle ragioni principali per utilizzare un motore con telaio, come descritto prima, è poterlo sostituire in modo semplice e rapido. Tuttavia, alcuni motori richiedono un certo livello di manutenzione, soprattutto per la lubrificazione dei cuscinetti e la pulizia.  Se il motore selezionato richiede un certo livello di manutenzione o se ci si aspetta che venga riparato di tanto in tanto, è importante analizzare l’impatto di tale necessità.
• Certificazioni: poiché il motore può essere considerato un sistema a sé, a seconda del mercato può essere utile disporre di certificazioni che talvolta sono più facili da ottenere se i componenti sono certificati (CE, UL, ISO, ecc.)
• Connettori: i motori frameless vengono tipicamente forniti con cavi liberi/conduttori volanti. La ragione di questo approccio è che clienti e progettisti hanno la libertà di scegliere il connettore preferito. I motori con telaio, invece, tipicamente forniscono i loro sistemi con connettori. Questo perché gli encoder devono essere collegati nel modo corretto, e ciò porta benefici anche per aspetti come certificazioni, EMI, test, ecc. Il connettore corretto sul motore aiuterà ad abbinare rapidamente il drive selezionato ed evitare anche l’incombenza di trovare un adattatore o cambiare connettore, invalidando inoltre la garanzia del componente.
• Lunghezze cavo: collegato al punto precedente, il fatto di avere già il connettore in posizione influenzerà quanto può essere lungo il cavo. Un’estensione di un cavo con una connessione esistente è normalmente più difficile rispetto a un cavo con conduttori volanti, perché tagliare il cavo normalmente invalida la garanzia o influisce su EMI, prestazioni dell’encoder, ecc. Pertanto, la lunghezza del cavo selezionata sul motore dovrebbe idealmente essere quella richiesta dal sistema.

Integrazione meccanica ed elettrica

Una volta selezionato il motore per l’applicazione, il passo successivo è assicurarsi che l’integrazione avvenga nel modo più fluido possibile. In questa sezione vengono presentati i principali punti da considerare.

Integrare un motore frameless

Un motore frameless è notevolmente più complesso, dal punto di vista dell’integrazione, rispetto a un motore con telaio. Ci sono alcuni temi importanti da coprire adeguatamente quando si discute l’integrazione di un kit motore, e non sono l’obiettivo di questo articolo; tuttavia, Alva ha lanciato una serie di video e articoli relativi al tema dell’integrazione:

Integrare un motore con telaio

Un motore con telaio è più facile da integrare e montare rispetto a un motore frameless; tuttavia, ci sono alcuni ostacoli da evitare durante il lavoro. Una volta che lo spazio è disponibile e le dimensioni del motore sono state considerate, e i temi citati sopra nella selezione sono stati gestiti correttamente (cuscinetti, termica, carico, encoder, freno, cavo, EMI, ecc.), alcuni ulteriori aspetti da considerare durante il montaggio sono:

• Carichi laterali: evitare carichi laterali per non sovraccaricare i cuscinetti
• Planarità e runout: analizzare le superfici di montaggio, seguendo le istruzioni del produttore
• Concentricità e posizione assiale: usare distanziali o cuscinetti precaricati per garantire l’allineamento
• Fissaggio (anti-rotazione): viti dimensionate per la coppia, della corretta lunghezza, eviteranno situazioni di allentamento del motore che potrebbero causare collisioni e guasti.
• Giunti: idealmente non se ne usano; ma se devono essere utilizzati, devono essere molto rigidi e corti.
• Inerzia e rigidezza: considerare il disallineamento di inerzia con il carico è importante per evitare problemi di taratura
• Polvere e sporco: assicurarsi che il luogo di installazione del motore non sia esposto a molta sporcizia; se lo è, proteggere il motore aiuterà la vita utile del sistema e ridurrà la frequenza di manutenzione.
• Manutenibilità: collegato al tema manutenzione, se la frequenza prevista di manutenzione è alta, è importante posizionare il motore in un luogo accessibile.
• Adattatori e accessori:  viti, bulloni, morsetti, colla, ecc. Tutti questi accessori dovrebbero essere verificati con il produttore per assicurarsi che siano almeno nella sua lista di componenti noti, evitando sorprese in seguito.

Integrazione elettrica

Le considerazioni nella scelta di un motore dal punto di vista elettrico sono simili per motori frameless e con telaio. Tuttavia, ci sono alcune differenze, per lo più legate a componenti che non sono il motore stesso. Questi componenti sono un encoder, un potenziale sensore Hall, un sensore di temperatura, un freno, un sensore di coppia, ecc. Tutti questi componenti devono essere compatibili con i drive selezionati per azionare il motore. Se non lo sono, allora serve selezionare un drive diverso oppure sarà necessario un adattatore.

Configurazioni motore: tutti i motori con telaio sono Motori con alloggiamenti?

La maggior parte dei motori coppia con telaio si basa su una tecnologia di statore chiamata slotted. La differenza tra Motori con alloggiamenti e Motori senza alloggiamenti è stata spiegata in modo approfondito in un altro articolo: https://www.alvaindustries.com/post/slotless-motors-vs-slotted-motors

Il motivo della prevalenza dei motori slotted è che i Motori con alloggiamenti sono stati considerati, fino a tempi recenti, in grado di offrire prestazioni superiori (coppie più elevate) rispetto ai Motori senza alloggiamenti. La svolta di Alva su FiberPrinting™ ha abbattuto questa barriera e, per la prima volta, i Motori senza alloggiamenti sono competitivi nelle prestazioni complessive rispetto ai Motori con alloggiamenti, offrendo al contempo soluzioni più leggere.

I motori Alva si distinguono per un’Elevata Costante Motore per unità di massa, in genere superando i Motori con alloggiamenti dello stesso diametro. Grazie al design Motori senza alloggiamenti, i motori Alva presentano praticamente nessuna coppia di cogging e offrono caratteristiche di coppia altamente lineari sull’intero spettro di carico.

Inoltre, la topologia sottile Motori senza alloggiamenti con grande diametro interno consente l’integrazione di ingranaggi, encoder, sensori e altri componenti al centro: una caratteristica particolarmente interessante quando si progettano sistemi compatti.

Motori con telaio di Alva

I motori con telaio come standard non rientrano ancora nell’attuale ambito di Alva Industries AS; tuttavia, Alva offre Development kits come mostrato in Figura 6, che consentono un test rapido della tecnologia a chi non ha ancora lavorato con motori frameless o non ha il tempo di progettare il corretto dispositivo di test da banco.

Motori con telaio basati su Alva, realizzati da terzi

Il fatto che Alva offra motori frameless ha consentito ad altri produttori di sviluppare motori con telaio basati sul design Alva. Se stai cercando un design con telaio per conto tuo o sei interessato a renderne disponibile uno commercialmente, contatta sales@alvaindustries.com.

Ibridi tra motori frameless e con telaio

Con i motori SlimTorq™ di Alva è possibile un terzo approccio. Poiché lo statore dei motori FibrePrinted™ deve essere inglobato (potted) in un anello per avere una struttura solida, questo anello può essere progettato da Alva oppure può essere qualsiasi altro design che si adatti meglio alle scelte di chi progetta. Questa intelaiatura personalizzata è un’alternativa ai motori frameless e con telaio: offre comunque la flessibilità e la compattezza dei frameless, ma la semplicità di montaggio delle soluzioni con telaio.  La Figura 7 mostra proprio un esempio di questo. Contattaci per saperne di più: sales@alvaindustries.com.