La scelta di un motore frameless può essere complessa: spesso ci si limita a definire la coppia richiesta, consultare le schede tecniche dei fornitori e scegliere il motore più piccolo in grado di soddisfarla. Procedendo in questo modo, senza considerare gli aspetti approfonditi in questo articolo, i progetti meccatronici rischiano di non raggiungere le prestazioni desiderate. Una scheda tecnica non è una classifica, ma un insieme di limiti operativi. La coppia continua, la coppia di picco, la costante di coppia e la velocità massima descrivono aspetti diversi di tali limiti, spesso in condizioni di test molto specifiche. Questi dati diventano significativi solo se interpretati nel contesto dell'intero sistema motore-drive. Vuoi valutare i motori in base ai requisiti della tua applicazione? Utilizza il Selettore di Prodotto di Alva o richiedi l'accesso a TorqStudio per confrontare i motori in condizioni operative reali.

Cos'è la saturazione della coppia?

All'interno del suo campo operativo lineare, la coppia di un motore a magneti permanenti è approssimativamente proporzionale alla corrente sull'asse q:

T ≈ Kt × Iq

T = Coppia in [Nm]

Kt = Costante di coppia [Nm/A]

Iq = Corrente sull'asse q [A]

Questo permette al sistema di controllo di considerare la corrente come una richiesta diretta di coppia. Aumentando la corrente del 20%, la coppia dovrebbe aumentare all'incirca del 20%.

Tale presupposto diventa inaffidabile quando il circuito magnetico va in saturazione. In un motore tradizionale a cave, i denti dello statore concentrano il flusso. Con correnti elevate, alcune parti del ferro possono raggiungere un punto in cui un ulteriore aumento di corrente produce progressivamente meno flusso utile. La curva coppia-corrente si discosta dalla linea retta ideale: è qui che inizia la saturazione.

La coppia può ancora aumentare, ma in modo meno efficiente, mentre le perdite nel rame continuano a crescere con il quadrato della corrente. Un piccolo guadagno di coppia può quindi comportare un notevole aggravio termico. Pertanto, la coppia di picco non dovrebbe essere calcolata linearmente utilizzando Kt e l'input di corrente, poiché Kt descrive solo la regione lineare.

D'altro canto, i motori senza cave (slotless) non presentano denti statorici e non sono soggetti allo stesso meccanismo di saturazione locale. Il loro rapporto coppia-corrente rimane lineare su un intervallo molto più ampio. Questa linearità non significa che la coppia sia illimitata; indica piuttosto che sono la temperatura, la protezione dei magneti dalla smagnetizzazione, i vincoli meccanici o le prestazioni del drive (corrente) a definire più probabilmente il limite pratico di picco.  

Fattori limitanti della coppia

La saturazione elettromagnetica determina se un ulteriore aumento di corrente produce ancora una coppia proporzionale. Le condizioni termiche determinano per quanto tempo le perdite possono essere tollerate. Le prestazioni elettriche determinano se la corrente richiesta può essere fornita a una determinata velocità, data la resistenza, l'induttanza e la forza controelettromotrice. Infine, il limite di potenza dell'azionamento determina se l'inverter è in grado di fornire tale corrente e tensione.

Un motore potrebbe essere in grado di raggiungere la coppia richiesta magneticamente, ma non in modo continuo a causa delle condizioni termiche. Potrebbe essere in grado di raggiungere la coppia a bassa velocità, ma non alla velocità richiesta. Oppure potrebbe essere in grado di raggiungere la coppia teoricamente indicata nella scheda tecnica, mentre l'azionamento selezionato potrebbe non essere in grado di farlo.

La coppia continua è un dato termico

La coppia continua è la coppia che un motore può produrre per una durata illimitata senza superare la temperatura consentita nelle condizioni di raffreddamento dichiarate.  

L'interfaccia di montaggio, il materiale dell'alloggiamento, il flusso convettivo, la temperatura di raffreddamento e la temperatura ambiente influenzano la capacità di coppia. Uno statore senza carcassa montato in una struttura in alluminio solida conduce il calore in modo molto diverso dallo stesso statore testato in un piccolo alloggiamento. Entrambi i dati possono essere corretti, ma non sono confrontabili a meno che le condizioni termiche non siano paragonabili.

Verificare la temperatura ambiente, l'alloggiamento o il dissipatore di calore, il metodo di raffreddamento e la temperatura dell'avvolgimento consentita. Controllare inoltre se il valore si applica a motore fermo o in movimento. Le perdite nel ferro, nei magneti e per correnti parassite aumentano con la velocità, pertanto la coppia di stallo continua non è automaticamente disponibile sull'intero intervallo di velocità.

La coppia di picco è un dato temporale (e termico)

La coppia di picco descrive un evento operativo di breve durata. Deve essere sempre associata a una durata e a una condizione termica iniziale.

Un motore che parte a 20°C ha un margine termico maggiore rispetto a uno già vicino al suo limite di temperatura operativa continua. La coppia di picco dipende fortemente dalla durata. Un picco più lungo genera più calore nell'avvolgimento, quindi la coppia consentita deve essere inferiore per rimanere entro il limite termico di sicurezza del motore.

La coppia di picco deve essere letta insieme alla corrente di picco, alla convenzione di corrente, alla durata, alla frequenza di ripetizione, alla temperatura iniziale e alle temperature massime dell'avvolgimento e del rotore. Anche il margine di smagnetizzazione e la capacità dell'azionamento sono importanti. Un singolo valore elevato di coppia di picco senza queste condizioni non è sufficiente per la progettazione, poiché potrebbe implicare un assorbimento di corrente molto elevato.

In movimento, la tensione diventa parte dello stesso problema. L'azionamento deve superare la forza controelettromotrice, oltre alle cadute di tensione resistive e induttive. Una corrente facile da produrre vicino allo stallo potrebbe non essere più raggiungibile ad alta velocità.

In TorqStudio, i punti di lavoro possono essere valutati utilizzando i requisiti di coppia, velocità e termici della propria applicazione, rendendo più semplice comprendere come questi parametri interagiscono.

Le costanti del motore sono correlate  

Esistono quattro costanti importanti che devono essere comprese e considerate equamente durante la selezione di un motore. Non sono tutte ugualmente importanti per tutte le applicazioni, ma sono correlate tra loro come descritto in questa sezione.

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Costante di coppia, Kt

Kt mette in relazione la corrente con la coppia nel campo lineare. Le unità di misura in cui è espressa la costante hanno un significato concreto. Nm/Arms non è direttamente intercambiabile con Nm/Apeak e i valori di corrente di fase non devono essere confusi con quelli di corrente di linea. Nm/Arms misura quanta coppia produce il motore per Ampere efficace (RMS), mentre Nm/Apeak indica lo stesso valore riferito alla corrente di picco.

Costante di coppia, Km

Km mette in relazione la produzione di coppia con le perdite nel rame:

Km = Kt / √R

La convenzione per la resistenza deve corrispondere a quella per Kt. Quando Kt utilizza la corrente RMS sull'asse q e la resistenza è misurata tra le fasi, è necessario includere il fattore di resistenza trifase corrispondente.

Km è utile perché indica quanta coppia produce un motore per un dato livello di perdite nel rame. È particolarmente significativo a basse velocità e allo spunto. Non è una metrica completa per l'efficienza ad alta velocità, dove entrano in gioco anche le perdite nel ferro, nei magneti e per correnti parassite.

Costante di tensione, Ke

Ke descrive la forza controelettromotrice (back EMF) generata per unità di velocità. Un motore con un Ke più elevato utilizza una quota maggiore della tensione di bus disponibile a una data velocità, pertanto è strettamente legato alla scelta dell'avvolgimento.

È essenziale verificare Ke rispetto alla velocità massima, alla tensione di pilotaggio utilizzabile e al margine richiesto per il controllo di corrente. Progettare basandosi direttamente sulla tensione nominale del bus DC non lascia spazio per cadute resistive, cadute induttive, limiti di modulazione o margini di controllo.

Resistenza e induttanza

La resistenza determina le perdite nel rame e aumenta con la temperatura dell'avvolgimento. Un valore misurato a 20°C è inferiore alla resistenza durante il funzionamento a caldo.

L'induttanza influisce sul ripple di corrente e sulla larghezza di banda dell'anello di corrente. I motori senza cave hanno spesso una bassa induttanza, che favorisce una risposta rapida della corrente e richiede talvolta una frequenza di commutazione più elevata, un filtraggio adeguato o una taratura specifica. Un azionamento scelto solo in base alla corrente nominale potrebbe rivelarsi una scelta errata.

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Selezione della configurazione dell'avvolgimento

La configurazione dell'avvolgimento è un elenco di interfacce elettriche applicabili alla stessa geometria di rotore e statore.

Un numero maggiore di spire generalmente comporta Kt e Ke più elevati. Il motore richiede meno corrente per la stessa coppia, ma genera una forza controelettromotrice maggiore alla stessa velocità. A tensione di bus fissa, il suo campo di velocità è quindi inferiore. Un numero minore di spire produce l'effetto opposto: Kt e Ke più bassi, maggiore richiesta di corrente e più margine di tensione ad alta velocità.

Le configurazioni a stella e a triangolo spostano lo stesso compromesso. Per lo stesso avvolgimento di fase, la configurazione a stella fornisce circa √3 volte il Kt e il Ke a livello di linea rispetto a quella a triangolo, mentre la resistenza e l'induttanza tra le fasi sono circa tre volte superiori.

L'avvolgimento corretto garantisce una capacità di corrente sufficiente alla coppia richiesta e un margine di tensione adeguato alla velocità richiesta.

I tre errori più comuni

I tre errori più comuni nella lettura della scheda tecnica di un motore sono:  

1. Confrontare la coppia di picco con la coppia continua

Confronta la coppia continua con quella continua a parità di condizioni termiche e quella di picco con quella di picco, mantenendo la stessa durata e temperatura di avvio.

2. Considerare la coppia continua come una regola di confronto universale

La coppia continua è legata alla combinazione motore-sistema di raffreddamento. Quando le ipotesi di raffreddamento differiscono, i valori devono essere adattati e supportati da un modello termico.

3. Ignorare l'azionamento (elettronica)

Il servoazionamento deve fornire la corrente RMS e di picco, garantire una tensione sufficiente alla velocità richiesta e gestire un carico potenzialmente a bassa induttanza. È necessaria una frequenza di commutazione adeguata per i motori a bassa induttanza.

Alva FiberPrinting^TM garantisce linearità

Con Alva FiberPrinting™, la coppia varia in modo prevedibile con la corrente perché i motori sono senza cave e non limitati dalla saturazione di coppia. Questo rende la scheda tecnica più facile da consultare: la costante di coppia (Kt) indica direttamente quanta coppia viene prodotta per ampere, semplificando il dimensionamento del motore, la scelta dell'azionamento e le verifiche della coppia di picco.

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Considerazioni finali

La scheda tecnica di un motore frameless diventa utile quando viene letta in orizzontale, non in verticale. Coppia, corrente, durata, temperatura, avvolgimento, tensione e capacità dell'azionamento appartengono allo stesso punto di lavoro.

La domanda utile non è quale motore abbia il valore di coppia più elevato. È se il sistema completo motore-azionamento-termico sia in grado di produrre la coppia richiesta, alla velocità richiesta, per il tempo richiesto, e di farlo ripetutamente per l'applicazione prevista.

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