Regal propone una vasta gamma di motori per le più diffuse applicazioni industriali: motori a induzione in c.a., a magnete permanente in c.a. (PMAC) e servomotori.
Le diverse tecnologie esistenti per i motori elettrici hanno funzionalità che sui sovrappongono parzialmente: come scegliere quindi il tipo di motore migliore per un’applicazione specifica? Jerry Hodek, Technical & Operations Director in Regal ci propone questa guida per le applicazioni che richiedono coppie, velocità o posizioni misurate con precisione.
di Lucie Hodkova (*)
I motori più diffusi per le applicazioni industriali includono i motori a induzione in c.a., quelli a magnete permanente in c.a. (PMAC) e i servomotori. Il primo gruppo è il più conveniente ed è adatto a moltissime applicazioni; l’ultimo è il più costoso, ma offre prestazioni veramente sorprendenti.
Il motore ad induzione è il cavallo da lavoro dell’industria. Ne sono installati decine di milioni in tutto il mondo, per azionare una vastissima tipologia di macchinari. Sia la loro costruzione che il principio di funzionamento sono relativamente semplici. Normalmente sono dispositivi a velocità fissa, ma se utilizzati con inverter elettronici a velocità variabile, possono essere controllati con una precisione notevole. Lo statore di un motore ad induzione consiste in una catasta di lamierini molto sottili e permeabili dotati di scanalature; i lamierini vengono fissati in un telaio in acciaio o in ghisa che ne garantisce il supporto meccanico. Gli avvolgimenti che ricevono l’alimentazione esterna vengono fatti passare nelle scanalature. Il rotore ricorda una gabbia, ed è fatto di barre di conduzione in alluminio o rame collegate tramite anelli cortocircuitanti, da cui il soprannome gabbia di scoiattolo per i motori ad induzione. Anche il rotore è dotato dei propri lamierini; le scanalature radiali attorno ai lamierini contengono le barre. Il rotore ruota quando il campo magnetico rotante induce corrente nei conduttori cortocircuitati, e la velocità di rotazione è la velocità sincrona del motore. La velocità sincrona è la velocità massima teorica alla quale può girare un motore: è la stessa velocità di rotazione del campo magnetico rotante interno al motore. In pratica, un motore ad induzione è un motore asincrono, nel quale il rotore insegue la velocità del campo magnetico: in questo caso il rotore ruota più lentamente del campo magnetico. La differenza tra la velocità del campo e quella reale del rotore è detta scorrimento. Ciò consente il flusso di induzione della corrente del rotore e produce una coppia in grado di trascinare un carico superando le perdite interne.
Sono numerosi i casi di motori ad induzione che restano in funzione senza problemi per molti anni; i possibili problemi riguardano la loro velocità in uscita, fissa per loro stessa natura, la degradazione dei componenti interni dovuta al surriscaldamento, l’elevate correnti di spunto all’avvio e una certa intolleranza ai cicli di avvio/arresto. Quindi, nonostante siano adatti a molte applicazioni, in altre sono preferibili motori basati su altre tecnologie.
MOTORI A MAGNETE PERMANENTE
I motori a magnete permanente in c.a. (PMAC), anche detti motori senza spazzole, non si affidano completamente alla corrente per la magnetizzazione; sul rotore o al suo interno sono montati magneti permanenti che offrono potenza extra. I magneti aggiuntivi sono potenti magneti in terre rare, solitamente più forti del 50-200% rispetto a un magnete in ferrite. Fino a poco tempo fa, i magneti in terre rare erano molto costosi, il che frenava la diffusione dei motori a magneti permanenti; tuttavia, i prezzi si sono abbassati e questi motori si stanno diffondendo sempre più. Si dice che offrano prestazioni a livello dei servomotori, a costi più bassi.
I motori a magnete permanente puri devono essere sempre utilizzati con un inverter dedicato, nonostante ci siano alcuni ibridi sul mercato che possono partire e funzionare a una velocità fissa senza alcun inverter. Nonostante questo aggiunga ulteriori costi, offre anche la capacità di variare la velocità. Vale anche la pena di sottolineare che un motore a magnete permanente è molto efficiente in termini energetici se utilizzato con un inverter.
I motori a magnete permanente presentano però un problema: i motori permanenti possono causare una rotazione a strappi del rotore. Alle basse velocità si manifesta come “cogging”, a velocità maggiori si parla di “ripple di coppia”. Può causare rumori, vibrazioni e una rotazione non uniforme, ma può essere superato in diversi modi. Inoltre, la forza elettromotrice (FEM) opposta, creata durante la rotazione del motore a magnete permanente, ne limita la velocità massima. Solitamente ciò non costituisce un problema, poiché gli utenti selezionano semplicemente il motore la cui velocità sia adatta al lavoro da svolgere, oppure un riduttore ad ingranaggi; ma potrebbe succedere che l’inverter elettronico comandi una velocità superiore al limite di sicurezza, oppure che il carico trascini il motore in senso inverso ad alta velocità. In entrambi i casi, il motore potrebbe subire danni. È anche possibile che i magneti permanenti perdano la loro forza se soggetti a surriscaldamenti o sovracorrenti per periodi prolungati.
SERVOMOTORI
I servomotori sono avvolti con due fasi, disposte ad angolo retto l’una rispetto all’altra. Un avvolgimento fisso di riferimento viene eccitato da una fonte di tensione fissa, mentre una tensione a controllo variabile, proveniente da un servoamplificatore, eccita il secondo avvolgimento. Solitamente, gli avvolgimenti sono progettati con lo stesso rapporto tensione/spira, in modo che le potenze in ingresso per la massima eccitazione della fase fissa e il segnale massimo della fase di controllo siano equilibrate.
I servomotori sono notoriamente più piccoli rispetto ad altri tipi di motori di pari potenza, mentre l’inerzia ridotta del rotore consente una risposta più rapida. Inoltre, la loro caratteristica velocità-coppia quasi lineare significa che possono essere controllati con grande precisione. I servomotori vengono sempre installati con un dispositivo di feedback permanente, che monitora costantemente la posizione di rotazione dell’albero motore, contando il numero di rotazioni in avanti e all’indietro, con una precisione che arriva a frazioni minime di grado. Questo flusso di dati consente di conoscere l’effettiva posizione dell’albero e viene inviato a un controller elettronico o a un servoamplificatore ed utilizzato per monitorare l’effettiva posizione di rotazione dell’albero motore. In caso di scorrimento dell’albero dalla posizione desiderata, il feedback può essere utilizzato per regolare la posizione al volo. Anche altri tipi di motori possono utilizzare un dispositivo di feedback se l’applicazione lo richiede, ma non è essenziale.
Di conseguenza, notiamo che i servomotori sono compatti, molto potenti, molto veloci, molto precisi e molto controllabili. Ma non ci vuole un genio per immaginare che debbano avere un lato negativo: si tratta del prezzo! Come regola generale, un servomotore può costare dieci volte di più di un motore a induzione di dimensionamento equivalente, dopodiché installarne e collaudarne uno sarà molto più complicato – e quindi costoso –.
LA SELEZIONE
Le capacità dinamiche dei diversi tipi di motori elettrici variano ampiamente, come anche il loro prezzo e lo sforzo tecnico richiesto per installarli e manutenerli. In molte applicazioni, selezionare il motore più adatto sarà semplice e le prestazioni richieste staranno comodamente entro lo spettro prestazionale di un tipo o di un altro.
Tuttavia, vi saranno casi in cui i requisiti sono al fondo dello spettro per le capacità di un motore o all’inizio dello spettro di un altro, specialmente per quanto riguarda il bersaglio mobile costituito dall’efficienza energetica: nel qual caso potreste trovarvi a dover scegliere tra costo e affidabilità. In questi casi, potrebbe essere utile sentire i consigli di un esperto e rivolgersi a un produttore che offra un’ampia scelta di tipi di motori, poiché un tale produttore avrà grande esperienza nel scegliere i motori dalla propria gamma e potrà essere in grado di offrire un aiuto obiettivo. Un a soluzione arriva dal marchio Regal, produttore leader di prodotti di movimento elettrici e meccanici di controllo, che serve una vasta gamma ampia di mercati dell’industria pesante ad alta tecnologia. Produzione e strutture di servizio dell’azienda quotata alla borsa di New York con il simbolo RBC sono disponibili in ogni parte del mondo.
(*) Lucie Hodkova, National Sales Manager di Regal UK.
Nella scelta di un motore potrebbe essere utile sentire i consigli di un esperto e rivolgersi ad un produttore che offra un’ampia scelta di soluzioni, in grado di offrire un aiuto obiettivo.
