Perché è importante

In molte applicazioni, come robotica, gimbal e dispositivi medici, la coppia definisce le prestazioni. Allo stesso tempo, i progettisti devono affrontare vincoli di spazio ristretti e rigidi limiti di peso.

È proprio qui che i motori frameless eccellono. I motori frameless consentono l'integrazione diretta del motore nella meccanica del dispositivo e utilizzano lo spazio in modo più efficiente. Tuttavia, se il progetto non è ben studiato, questi vantaggi hanno un impatto minore. L'obiettivo è ottenere la coppia necessaria senza sovradimensionare, surriscaldare o complicare eccessivamente il design.

Considerazioni Pratiche di Progettazione

Densità di Coppia vs. Vincoli di Dimensione

Una delle leve più importanti nella progettazione di un motore per ottenere una coppia elevata è la dimensione del motore, in particolare il diametro. Se è necessaria più coppia, aumentare il diametro, aumentare la lunghezza o aumentare la corrente sono le alternative disponibili. Queste non sono ugualmente efficaci. L'aumento del diametro tende ad avere un impatto molto maggiore sulla coppia ottenuta, rispetto al semplice allungamento del motore o all'aumento della corrente.

Coppia ∝ D^𝐷2 x L

Nessun progetto meccatronico consente spazio illimitato per il motore. Quando ci sono vincoli di spazio, è utile riflettere attentamente su come utilizzare tale spazio in modo efficiente. Un piccolo aumento del diametro può fare una grande differenza. Se la scelta è possibile, di solito è meglio espandersi verso l'esterno piuttosto che limitarsi ad allungare il motore.

Perché i produttori offrono motori più lunghi anziché con diametri maggiori?

I produttori di motori frameless tendono a offrire nel loro portafoglio un numero limitato di diametri, adattando la cosiddetta "lunghezza dello statore" e offrendo molteplici opzioni di lunghezza per gli stessi design di motore. Ciò è dovuto al fatto che la modifica del diametro nei design a cave richiede investimenti significativi in progettazione, macchinari e attrezzature. Questo è diverso per i motori senza cave, poiché il diametro esterno può essere modificato con uno sforzo simile a quello richiesto per la lunghezza del motore, anche se i metodi di produzione sono stati tradizionalmente meno automatizzati e più costosi. Questo, combinato con una riduzione della coppia rispetto ai design a cave, ha limitato il loro utilizzo in applicazioni che richiedono coppia a specifici mercati di nicchia. La tecnologia di Alva FiberPrinting™ ha cambiato completamente questo paradigma, rendendo ora possibile tutto ciò.

Limiti di Corrente e Termici

Sulla carta, la coppia scala con la corrente, quindi è allettante spingere più corrente attraverso il motore per ottenere più coppia. Questo approccio ha una grande limitazione: il calore. I motori frameless dipendono dalla struttura circostante per dissipare il calore. L'alloggiamento, le superfici di montaggio e i materiali giocano un ruolo importante nella quantità di coppia che può essere prodotta con un dato motore. Gli aspetti rilevanti a questo proposito includono quanto bene il motore è fissato all'alloggiamento, quali materiali sono utilizzati nella meccanica e se il profilo di movimento è a servizio continuo o prevede brevi accelerazioni di picco.

Un progetto che sembra ottimo dal punto di vista elettrico può crollare termicamente se il calore non riesce a sfuggire. Nella maggior parte dei sistemi reali, la coppia non è limitata dal motore stesso, ma dalla capacità di rimuovere il calore da esso. Tra le altre considerazioni, l'alloggiamento in cui si trova il motore deve essere analizzato attentamente. Ha una massa termica sufficiente per assorbire il calore dal motore e una superficie sufficiente per dissiparlo nell'ambiente? È richiesto un flusso d'aria attraverso l'alloggiamento (raffreddamento attivo)? È immerso in acqua o altri liquidi? È disponibile un raffreddamento ad acqua attivo? È sufficiente ricavare delle alette di dissipazione nell'alloggiamento?

Modifica dell'Elettromagnetismo

Un altro approccio consiste nel modificare gli avvolgimenti del motore, rimodellando essenzialmente il suo campo magnetico. L'aggiunta di più spire rende il campo più forte per la stessa quantità di corrente, consentendo al motore di esercitare una forza maggiore e di funzionare a una tensione inferiore per ottenere la stessa velocità. Lo svantaggio è che un filo aggiuntivo significa una maggiore resistenza del rame, che si traduce in maggiori perdite I²R e può aumentare la temperatura del motore, a meno che non vengano utilizzati conduttori più spessi. Se il numero di spire viene ridotto, il campo si indebolisce; il motore può quindi funzionare a velocità più elevate con una minore contro-EMF, ma avrà bisogno di una tensione più alta per produrre la stessa coppia, e il costo del rame diminuisce. Modelli di avvolgimento più uniformi riducono l'ondulazione della coppia e migliorano le prestazioni termiche, mentre un avvolgimento più stretto può concentrare più induttanza in un pacchetto più piccolo, modificando la curva velocità-coppia del motore. Questi cambiamenti sono simili indipendentemente dal fatto che il diametro o la lunghezza del motore vengano modificati, ma sono rilevanti per comprendere i compromessi disponibili quando è necessario selezionare una geometria.  

Modifiche elettriche con il diametro

Aumentare il diametro di un motore significa tipicamente un numero maggiore di poli magnetici. La modifica del numero di poli magnetici ha un grande impatto sulla velocità e sulla coppia di un motore BLDC. In un motore BLDC, la velocità meccanica che una data frequenza di pilotaggio può raggiungere è inversamente proporzionale al numero di coppie di poli: raddoppiare il numero di poli dimezza la velocità meccanica massima per la stessa frequenza elettrica. Il vantaggio è che la costante di coppia aumenta approssimativamente in proporzione al numero di poli, fornendo più coppia per A, e il motore può essere controllato finemente a basse velocità perché ci sono più cicli elettrici per rivoluzione meccanica. Tuttavia, un numero maggiore di poli aumenta anche la costante di contro-EMF, quindi per una tensione di pilotaggio fissa il motore raggiunge la sua velocità massima a un regime inferiore.   Il lato positivo è che più poli attenuano l'ondulazione della coppia e rendono la forma d'onda della contro-EMF più sinusoidale, riducendo le perdite armoniche e migliorando l'efficienza. Gli ingegneri scelgono quindi il numero di poli per trovare il giusto equilibrio tra velocità raggiungibile, densità di coppia, dimensioni ed efficienza per l'applicazione prevista. In breve, se la coppia è il parametro principale del profilo di movimento e dell'applicazione, aumentare il diametro è potenzialmente l'approccio migliore, specialmente nelle applicazioni a trasmissione diretta. Tuttavia, se è richiesta la velocità, come nel caso di molte applicazioni con ingranaggi, aumentare la lunghezza potrebbe essere più sensato, come discusso nella prossima sezione.

Ingranaggi e integrazione

In alcune applicazioni, il modo più semplice per ottenere più coppia potrebbe non essere quello di concentrarsi solo sulla progettazione del motore. Se l'applicazione consente un concetto di attuazione con ingranaggi, l'aggiunta di una riduzione a ingranaggi permette la moltiplicazione della coppia in uscita e di far funzionare un motore più piccolo a una velocità più efficiente. Naturalmente, questo approccio richiede alcuni compromessi. L'aggiunta di un ingranaggio significa aggiungere complessità e, a seconda del tipo di ingranaggio, il gioco o la perdita di efficienza complessiva possono essere potenziali conseguenze. Quando i motori frameless sono accoppiati con ingranaggi ben integrati, come sistemi armonici o planetari, possono essere estremamente efficaci.

Un semplice flusso di lavoro di progettazione

Quando si lavora a un progetto, avere un processo chiaro aiuta a mantenere le cose concrete.

1. Iniziare con coppia e velocità

Prima di ogni altra cosa, è necessario definire le esigenze dell'applicazione. Ciò include la coppia continua, la coppia di picco e l'intervallo di velocità richiesto. Questo fornisce un obiettivo chiaro per il sistema di movimento.

2. Pensare ai limiti termici fin da subito  

Non deve essere perfetto, ma un'idea approssimativa di quanto calore il sistema può gestire è un ottimo secondo passo. Esaminare il raffreddamento disponibile, sia passivo che attivo, la superficie disponibile e i materiali e l'approccio di montaggio farà risparmiare tempo prezioso in seguito. Questo aiuta a capire quanta corrente, e quindi coppia, può essere realisticamente prodotta dal motore.

3. Decidere quali sono le priorità di progettazione

A questo punto, ciò che conta di più deve essere definito. Ottimizzare tutto in una volta è una ricetta per il fallimento. Riconoscere i limiti, lo spazio, la coppia o le prestazioni termiche ti permetterà di concentrarti sugli obiettivi giusti. Una volta identificato il collo di bottiglia, le decisioni diventano molto più facili. Ad esempio, se lo spazio è fisso e limitato, concentrarsi sul diametro e sul raffreddamento ha senso. Se la coppia è fissa, regolare le dimensioni del motore o aggiungere ingranaggi potrebbe essere l'opzione migliore. Se i limiti termici dominano, la gestione della corrente e dei cicli di lavoro è più rilevante.

4. Compatibilità con l'elettronica e altre parti del sistema

Dopo aver scelto l'adattamento meccanico e fisico del sistema, l'ultima parte per garantire un sistema completamente ottimizzato è assicurarsi che il driver del motore possa supportare il motore selezionato.  Ciò include non solo la frequenza elettrica e l'abbinamento dei requisiti di velocità con il numero di poli, ma anche le frequenze di commutazione, la tensione e la corrente necessarie per raggiungere i profili di movimento.

Esempi

Osservando il primo esempio qui sotto, si può vedere il concetto di D2L in azione.  Un ⌀un motore da 105mm x 17mm ha lo stesso potenziale operativo di un ⌀motore da 60mm x 50mm. Condividono lo stesso livello di coppia continua e un intervallo operativo simile. La differenza è che il 105-17 pesa solo 250 g, mentre il 60-50 pesa 370 g. Questa conferma del concetto dimostra che la scelta di un motore va oltre la sola performance. Il flusso di lavoro di progettazione discusso nei segmenti precedenti dovrebbe essere preso in considerazione.

Il secondo esempio qui sotto mostra un motore Alva STM-75-20-L con due diverse configurazioni di avvolgimento. La prima mostra le curve del motore con una configurazione a stella e 8 serie di spire. La seconda è una configurazione a triangolo, con 2 serie di spire. Si può osservare che, mantenendo la forma fisica del motore invariata, regolando il numero di spire di rame nel motore e il loro ordine di sequenza, è possibile regolare i parametri del motore. Non solo l'intervallo operativo disponibile, ma anche quanta corrente potrebbe essere necessaria per fornire le stesse prestazioni. Entrambi gli avvolgimenti appartengono allo stesso ingombro fisico dei motori. Entrambi funzionano a 20 V, eppure le prestazioni sono notevolmente diverse. Analizzando i dettagli elettrici, in breve, l'avvolgimento 8Y assorbe una corrente massima di 3 A (per il funzionamento continuo), mentre per ottenere le maggiori prestazioni dal 2D assorbe circa 21 A. È qui che entra in gioco la selezione del motore che non solo si adatta alle uscite di coppia/velocità necessarie, ma anche ai vincoli elettrici e termici esistenti sulla vostra piattaforma.

Tenere a mente, diametro interno e diametro esterno

Quando si legge una scheda tecnica di una particolare serie di motori frameless per un'applicazione a coppia, le priorità sono definire se l'ingombro fisico del motore si adatta al design e se le prestazioni di tale motore sono sufficienti per l'applicazione, ovvero diametro esterno, lunghezza e coppia. Tuttavia, un aspetto molto importante e talvolta trascurato di tale motore è il diametro interno. Trascurare il diametro interno può talvolta richiedere di optare per motori outrunner, il che in molti casi aumenta la complessità del sistema, specialmente per il montaggio e la dissipazione del calore. Pertanto, quando si considera la densità di coppia volumetrica di un motore, non solo deve essere analizzato il volume definito dalle dimensioni esterne (L*π*OD²/2), ma il volume disponibile dal diametro interno deve essere sottratto (L*π*ID²/2). Un motore molto sottile può consentire design estremamente compatti pur ottenendo le stesse uscite di coppia.

Considerazioni finali

Ottenere uscite di coppia più elevate da un motore frameless non significa (solo) aumentare la corrente. Si inizia con una progettazione più intelligente attorno ad esso. In molti casi, i maggiori guadagni derivano da aspetti che non sono ovvi all'inizio, come un diametro leggermente maggiore, un percorso termico migliore o un rapporto di trasmissione ben scelto nelle applicazioni con ingranaggi. Quando un motore è concepito come parte di un sistema più ampio anziché come un componente autonomo, i design non sono solo più potenti, ma anche più efficienti e affidabili.

Il nuovo approccio di Alva Industries alla produzione di motori frameless senza slot con una coppia in uscita paragonabile a quella dei motori con slot ha aperto possibilità di progettazione che in passato non erano realizzabili. Con FiberPrinting ™ Alva Industries è in grado di personalizzare i motori per applicazioni e punti di funzionamento specifici. Una vera flessibilità di progettazione dei motori viene sbloccata con TorqStudio, Alva consente agli ingegneri di liberare la loro creatività nella progettazione e simulare cosa un diametro, una lunghezza e un avvolgimento personalizzati possano fare per la loro applicazione, mantenendo la libertà di progettazione.

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