Un motore frameless è costituito solo dalle parti attive di rotore e statore, senza carcassa esterna, cuscinetti e albero. Questo li rende ideali per l’integrazione diretta nella struttura meccanica del dispositivo che azionano. Grazie ai vantaggi di FiberPrinting, i motori frameless Motori senza alloggiamenti di Alva hanno parti attive estremamente sottili (Fig. 1), risultando ancora più interessanti per qualsiasi tipo di soluzione integrata. Inoltre, i Motori senza alloggiamenti sono meno sensibili al disallineamento radiale tra rotore e statore, il che in alcuni casi semplifica il compito della loro integrazione.

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In molte applicazioni, l’uso di motori frameless può portare benefici quali prestazioni di sistema migliorate, manutenzione ridotta, ingombro meccanico inferiore e maggiore efficienza del sistema. Sebbene i benefici siano ben compresi, è necessario rispondere alle domande pratiche relative a montaggio, installazione e integrazione. Questo articolo descriverà alcuni dei principi chiave. Include descrizioni dei metodi comuni per installare e fissare statori frameless in alloggiamenti e rotori su alberi. Sono inoltre fornite informazioni generali su movimentazione, sicurezza e stoccaggio.

Importanti considerazioni prima dell’installazione

Gestione termica: Pianificare un raffreddamento adeguato, poiché i motori frameless Motori senza alloggiamenti generano calore in modo simile ad altri motori.

Interfaccia elettrica: Verificare le specifiche elettriche del motore e assicurare un controller elettronico compatibile.

Struttura meccanica: Assicurarsi che la struttura possa supportare peso, coppia erogata e dinamica del moto del motore, se l’installazione non è stazionaria.

Precauzioni di sicurezza

I rotori dei motori frameless contengono magneti alle terre rare ad alta energia che producono campi magnetici intensi. Pertanto, chiunque abbia impianti attivi, come pacemaker, deve mantenere una distanza di sicurezza dai rotori di questi motori.

I rotori generano forti forze di attrazione magnetica, attirando materiali ferromagnetici, come molti metalli, con conseguenti movimenti incontrollati degli oggetti magnetici e possibili collisioni tra essi e il rotore. Pertanto, è necessario adottare precauzioni per rimuovere tutti gli altri oggetti potenzialmente magnetici da un’area pari a circa 3 volte il diametro del rotore.

I forti campi magnetici prodotti dai magneti del rotore possono influenzare o danneggiare dispositivi elettronici e strumenti di misura. I rotori non devono essere posizionati vicino a dischi rigidi, computer, monitor, carte di credito, ecc.

Movimentazione e stoccaggio

La movimentazione e lo stoccaggio dei componenti del motore sono molto importanti. Si raccomanda di conservare statori e rotori nella confezione originale fino a quando non è richiesta l’installazione. È necessario prestare particolare attenzione durante la movimentazione degli assiemi di statore. Il danneggiamento dell’isolamento delle bobine e dei cavi di uscita può causare cortocircuiti e possibili scosse elettriche. Occorre inoltre adottare precauzioni durante la movimentazione dell’assieme rotore, poiché sono presenti forti forze magnetiche. I magneti possono scheggiarsi, incrinarsi o rompersi se il rotore viene fatto cadere oppure se grandi oggetti magnetici e altri rotori vengono improvvisamente attratti verso il rotore.

Montaggio dello statore nell’alloggiamento

Considerazioni generali

Poiché i motori di Alva sono magneticamente autosufficienti, non vi sono preoccupazioni o requisiti di utilizzare una carcassa esterna in materiale ferromagnetico dolce sul motore. La maggior parte dei meccanismi che impiegano piccoli motori utilizza un alloggiamento in alluminio, ma può essere realizzato in qualsiasi materiale idoneo all’ambiente e all’applicazione del cliente.

È buona pratica progettare qualsiasi superficie metallica in modo che sia a 2–3 mm dagli avvolgimenti del motore in tutte le direzioni, per fini di isolamento elettrico. Gli avvolgimenti non devono essere a diretto contatto con alcuna superficie metallica dell’alloggiamento. È necessario prevedere spazio assiale aggiuntivo nel punto in cui escono i cavi del motore. È necessaria una piccola cavità con un foro associato per far uscire i cavi.

Se è richiesta la messa a terra, è possibile inserire un perno di terra sull’alloggiamento. Sebbene non sia esattamente allo stesso potenziale elettrico del pacco lamellare dello statore, rappresenta uno schema di messa a terra tipico osservato nella maggior parte dei motori con alloggiamenti in due o tre parti. Un perno di terra è in genere richiesto solo quando il motore funzionerà senza isolamento tra la rete elettrica e il controller elettronico di velocità.

Ritenuta dello statore nell’alloggiamento

Esistono diversi concetti per il montaggio dello statore negli alloggiamenti. Gli approcci possono basarsi su incollaggio, serraggio o calettamento termico. Sono presentati di seguito a livello concettuale. Nelle figure che illustrano i metodi, gli alloggiamenti con altri elementi, ad es. cuscinetti, sono mostrati a scopo illustrativo generale. Possono esistere molte varianti di design degli alloggiamenti.

Ritenuta dello statore con accoppiamento forzato

La progettazione di un accoppiamento a interferenza tra statore e alloggiamento e l’installazione dello statore mediante pressatura nell’alloggiamento non è raccomandata per i motori frameless di Alva. Se il motore deve operare su un ampio intervallo di temperature ambientali/di esercizio, l’uso di un accoppiamento a interferenza spesso limita la scelta dei materiali dell’alloggiamento a quelli con coefficienti di dilatazione termica (CTE) che corrispondono al CTE del materiale dei lamierini. Un’altra problematica del metodo/progetto a pressare è la possibile formazione di bave. Queste bave possono trasformarsi in sottili trucioli metallici che possono incastrarsi negli avvolgimenti e causare guasti elettrici. Inoltre, il pacco lamellare può “fessurarsi” o “spaccarsi” se la direzione di pressatura non è ben controllata e il pacco non viene inserito perpendicolarmente all’alesaggio dell’alloggiamento.

Ritenuta dello statore con calettamento termico

Questo metodo prevede il riscaldamento dell’alloggiamento in alluminio e il suo posizionamento sopra lo statore. Analogamente all’accoppiamento forzato, anche questo metodo si basa sulla progettazione di un accoppiamento a interferenza tra statore e alloggiamento e presenta gli stessi svantaggi legati alla corrispondenza del CTE e alle potenziali limitazioni nella selezione dei materiali.

Alva non raccomanda questo metodo come unico mezzo di ritenuta. Un leggero accoppiamento a interferenza combinato con un incollaggio adesivo, come descritto di seguito, è un metodo più affidabile.

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Ritenuta dello statore mediante incollaggio adesivo

L’incollaggio adesivo è uno dei metodi più comuni di ritenuta dello statore ed è raccomandato da Alva in molte applicazioni. L’incollaggio adesivo consente l’uso di quasi qualsiasi materiale per l’alloggiamento.

L’alloggiamento dovrebbe essere progettato con una scanalatura per adesivo da 0,2–0,3 mm, che copra dal 50% al 75% della lunghezza assiale del pacco lamellare dello statore. La scanalatura per adesivo può essere centrata assialmente sul pacco oppure posizionata lateralmente.

Il processo di installazione preferito, eseguito con una delle due epossidiche raccomandate, consiste nel riscaldare l’alloggiamento a 100°C o più, applicare rapidamente l’adesivo nella scanalatura per adesivo dell’alloggiamento caldo e inserire immediatamente lo statore. L’assieme viene quindi polimerizzato alla temperatura di cura dell’epossidica. Il vantaggio di questo metodo è che l’alesaggio dell’alloggiamento può essere progettato come accoppiamento a gioco zero (line-to-line) o come accoppiamento a interferenza leggera/transitoria con lo statore, a seconda della scelta del materiale dell’alloggiamento e del coefficiente di dilatazione termica del materiale. L’adesivo polimerizza nello stato espanso ed è in compressione a tutte le altre temperature.

Se l’alloggiamento non può essere riscaldato prima dell’installazione dello statore, allora l’alesaggio dell’alloggiamento dovrebbe essere progettato per essere almeno 0,003–0,005 mm più grande del diametro esterno dello statore nelle peggiori condizioni di tolleranza.

È possibile consultare Alva per la selezione di un adesivo appropriato. Tuttavia, 3M DP420 e Hysol E40HT sono entrambi buoni adesivi strutturali general purpose, tenacizzati, che possono essere utilizzati nella maggior parte delle applicazioni.

Lo statore può essere fissato in un alloggiamento standard e incollato con un adesivo come mostrato in Fig. 2.

Un concetto più avanzato con fondelli sovrapposti e l’uso di adesivo di incollaggio è presentato in Fig. 3. Con questo concetto è importante assicurarsi che lo statore sia allineato correttamente con i punti di montaggio.

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Ritenuta dello statore mediante serraggio assiale

Un meccanismo di serraggio assiale è anche comunemente utilizzato per la ritenuta dello statore. Gli statori dei motori frameless di Alva hanno una superficie di battuta in acciaio nudo su entrambi i lati dello statore. Lo statore viene installato nell’alloggiamento e appoggiato sulla superficie di battuta dell’alloggiamento.

Si dovrebbe progettare un anello di serraggio che ingaggi le superfici di battuta superiori esposte e applichi una pressione assiale tramite bullonatura nell’alloggiamento. Un serraggio assiale può essere un anello completo a 360° oppure alcuni “servo clamp” che applicano pressione assiale sul pacco statorico per mantenerlo in posizione.

Un possibile concetto è presentato in Fig. 4. È progettato per una facile rimozione o per l’accesso alla manutenzione. La spalla di centraggio dovrebbe essere utilizzata per il posizionamento preciso dello statore. Lo spazio dietro l’anello di serraggio dovrebbe essere mantenuto per consentire la compressione sullo statore. Almeno metà del ferro di ritorno dello statore dovrebbe essere ingaggiato con l’anello di serraggio.

Si possono utilizzare bulloni e rondelle di fissaggio per bloccare lo statore. Devono essere seguite le best practice ingegneristiche per determinare numero e dimensione dei bulloni dell’anello di serraggio, in base alla capacità di coppia richiesta del motore. I bulloni devono essere serrati alla coppia specificata.

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In un’altra variante, l’assieme statore può essere montato tra due fondelli (Fig.5). I fondelli possono essere prodotti tramite lavorazione di un pezzo pieno oppure mediante pressofusione. In entrambi i casi, i fondelli devono essere progettati per fornire un supporto rigido e stabile allo statore e all’assieme rotore. Il concetto è adatto per una facile rimozione o per l’accesso alla manutenzione.

Ritenuta dello statore con bulloni passanti

Gli statori dei motori frameless di Alva in genere non vengono trattenuti mediante bulloni che attraversano fori nel pacco lamellare, poiché l’anello lamellare è molto sottile. Alva non raccomanda questo metodo per i motori di Alva.

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Soluzioni personalizzate

Soluzioni con un’integrazione più stretta nell’alloggiamento, in cui il ferro di ritorno viene installato nell’alloggiamento del cliente (Fig. 6) e successivamente l’avvolgimento viene inserito e inglobato in situ, sono possibili su richiesta.

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Montaggio del rotore

Vale la pena notare che la struttura di supporto del rotore può essere non magnetica, poiché nei motori Alva vengono utilizzate configurazioni di magneti Halbach sul rotore, quindi non è necessario il ferro di ritorno.

I rotori possono essere montati sugli alberi con vari metodi analoghi a quelli degli statori. Durante la progettazione e la scelta del metodo di interfaccia tra rotore e struttura di supporto, è necessario considerare i carichi di coppia previsti e le resistenze del giunto delle diverse opzioni di ritenuta.

Accoppiamento forzato

Un metodo di accoppiamento forzato prevede di trattenere il rotore sulla struttura di supporto tramite un accoppiamento a interferenza tra una serie di zigrinature sulla struttura di supporto e la circonferenza interna del rotore. Di norma è richiesta una serie di 4 zigrinature equidistanti attorno al diametro esterno della struttura di supporto. La lunghezza della zigrinatura non dovrebbe essere inferiore a ¾ della lunghezza del rotore. È accettabile una zigrinatura conica.

Il diametro interno del rotore dovrebbe essere uguale al diametro esterno della struttura di supporto. L’intervallo di gioco tra rotore e struttura di supporto dovrebbe essere compreso tra 0,005 e 0,05 mm.

Un altro metodo di accoppiamento forzato impiega un componente intermedio chiamato anello di tolleranza e una struttura di supporto dotata di una caratteristica specifica in cui viene posizionato l’anello di tolleranza.

Durante l’operazione di pressatura occorre prestare attenzione a spingere solo sull’anello di supporto del rotore, non sui magneti.

La struttura di supporto può avere un elemento a spalla per garantire il corretto posizionamento del rotore (Fig. 7).

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Calettamento termico

In questo metodo la struttura di supporto viene raffreddata per ottenere un accoppiamento con gioco e poi il rotore viene installato sulla struttura di supporto. Come l’accoppiamento forzato, anche questo metodo si basa sulla progettazione di un accoppiamento a interferenza tra rotore e struttura di supporto. Il riscaldamento del rotore non è raccomandato, poiché esiste il rischio di smagnetizzazione permanente dei magneti del rotore.

Incollaggio adesivo

Questo metodo prevede di trattenere il rotore sulla struttura di supporto con un composto di ritenuta ad alta resistenza (ad es. 3M DP420, Hysol/Loctite E40HT, Loctite 648 o adesivi strutturali epossidici simili). Si consiglia di consultare i produttori degli adesivi/composti di ritenuta per selezionare quello corretto per l’applicazione in questione. La scanalatura per adesivo dovrebbe essere predisposta: in Fig. 8 sono mostrati due varianti, tuttavia esistono molte altre varianti possibili. La profondità raccomandata della scanalatura per adesivo sulla parte di accoppiamento del rotore è solitamente 0,2–0,3 mm. La lunghezza della scanalatura per adesivo può essere 50%to 75% della lunghezza assiale del rotore.

L’incollaggio adesivo consente l’uso di quasi qualsiasi materiale per la struttura di accoppiamento. Le differenze nei coefficienti di dilatazione termica e le temperature di esercizio previste dovrebbero essere sempre prese in considerazione.

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Serraggio assiale

Questo metodo prevede di trattenere il rotore in posizione con una forza esercitata tramite un anello di serraggio. È possibile applicare una rondella di sicurezza o un agente di bloccaggio per evitare che la vite si allenti. Il numero di viti dipenderà dalle dimensioni del rotore, dai requisiti di coppia e dall’applicazione del cliente. È fondamentale non serrare sul materiale magnetico perché è molto fragile. Il serraggio dovrebbe essere applicato all’anello portamagneti come mostrato in Fig. 10.

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Ritenuta del rotore con bulloni passanti

In questo metodo il rotore viene bullonato a un elemento di accoppiamento della struttura di supporto, come mostrato in Fig. 11. Gli anelli portamagneti standard di Alva sono sottili e non hanno caratteristiche di montaggio aggiuntive. Tuttavia, anelli personalizzati con caratteristiche di montaggio e schemi di fori bullonati specificati dal cliente sono un’opzione che può essere discussa con lo stabilimento.

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Ritenuta con linguetta (chiavetta)

Gli anelli portamagneti standard di Alva non hanno cave per linguetta. Tuttavia, i clienti possono contattare Alva e ordinare configurazioni speciali personalizzate degli anelli, se desiderato. Alva normalmente non raccomanda l’uso di linguette come soluzione di ritenuta del rotore per diversi motivi: è tipicamente una caratteristica costosa da aggiungere, richiede una sezione trasversale dell’anello più spessa, richiede comunque un mezzo di serraggio assiale e, per motori più piccoli, è sovradimensionata rispetto ai carichi di coppia tipici.

Soluzioni personalizzate

Alva può montare i magneti direttamente su mozzi personalizzati e fornire assiemi completi su misura, riducendo così il numero di parti e le operazioni di assemblaggio.

Alcuni aspetti pratici dell’assemblaggio di statore e rotore

Forze di attrazione magnetica: Tra rotore e statore possono essere elevate, quindi è molto importante adottare cautela e attenzione durante l’assemblaggio delle due parti. Per proteggere sia i magneti sia gli avvolgimenti dello statore da danni, durante il processo di installazione è possibile utilizzare un sottile manicotto non magnetico (o equivalente) avvolto attorno al rotore. Una volta che il rotore è installato nello statore e l’assieme è completo, il manicotto può essere rimosso.

Allineamento: Assicurarsi che rotore e statore siano allineati con precisione per evitare squilibri.

Rotazione libera: Assicurarsi che ruoti liberamente senza contatti.

Alcune verifiche post-installazione

Monitoraggio della temperatura: Controllare le temperature del motore e del riduttore durante l’avviamento iniziale per garantire un raffreddamento adeguato.

Test: Alimentare il motore ed eseguire i test iniziali per garantire il corretto funzionamento e l’allineamento rotore-statore.

Controllo vibrazioni: Monitorare eventuali vibrazioni anomale che potrebbero indicare disallineamento.

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Per qualsiasi domanda relativa al processo di installazione o alle caratteristiche di progetto delle parti di accoppiamento, contatta Alva Industries.