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FACOLTA' DI INGENGERIA
DIPARTIMENTO DI TECNICA E GESTIONE DEI SISTEMI
INDUSTRIALI
TESINA DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA
MECCANICA – MECCATRONICA
( curr. meccanico )
ATTUATORI MINIATURIZZATI PER
L'AUTOMAZIONE
Relatore: ric. Dario Richiedei
Laureando: Alessio Biolcati
Anno accademico: 2013/2014
Indice
Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
Capitolo 1 – Motori tradizionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.Motori a corrente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.1.Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.Configurazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.Coppia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.4.Pregi e difetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.5.Tipici range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.1.Motori DC compatti presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6.Miniaturizzazione dei motori DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1.Come . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.2.Perchè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6.3.Caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.4.Pregi e difetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.5.Motori DC miniaturizzati presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.Motori brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2.Configurazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
2.3.Coppia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.4.Pregi e Difetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
2.5.Tipici range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.1.Motori DC brushless presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.6.Motori DC brushless miniaturizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6.1.Come . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.6.2.Perchè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.3.Caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.4.Motori brushless miniaturizzati presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.5.Pregi e difetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
3.Motori passo - passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
3.1.Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
3.2.Configurazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1.Modalità di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.Coppia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.Pregi e difetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.Tipici range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.1.Motori stepper presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6.Motori stepper miniaturizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6.1.Come . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3.6.2.Perchè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3.6.3.Pregi e difetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3.6.4.Caratterisctiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3.6.5.Motori stepper miniaturizzati presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . . .35
Capitolo 2 – Motori Innovativi : piezoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
1.Principio dell'effetto piezoelettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.Utilizzo di tale principio per la realizzazione di motori . . . . . . . . . . . . . . .39
2.1.Motori piezoelettrici lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.Motori piezoelettrici rotativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.1.Motore ultrasonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.1.1.Campi e caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1.2.Motori ultrasonici presenti sul mercato . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.1.4.Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
2.2.2.Motore a segnali impulsivi, o “pulse drive” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.2.1.Campi e caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
2.2.2.2.Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.2.3.Motori di tipo “pulse drive” presenti sul mercato . . . . . . . . .48
Capitolo 3 – Confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.Confronto valori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
1.1.Motori DC piccoli / motori DC miniaturizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.2.Motori brushless piccoli / motori brushless miniaturizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.3.Motori stepper piccoli / motori stepper miniaturizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.Confronto rapporti di coppia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
2.1.Il rapporto tra coppia e radice del momento d'inerzia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
2.2.Altri parametri importanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Introduzione
Negli ultimi anni la miniaturizzazione dei componenti è una strada intrapresa da un numero
crescente di realtà tecnologiche e produttive. In primis in ambito della robotica, dove la ricerca di
azionamenti piccoli e a prestazioni elevate è costante, ma anche in ambito medico/chirurgico, dove
sono richieste strumentazioni di massima manovrabilità con minimo ingombro e precisione, senza
parlare di nuovi campi della meccanica dei fluidi come la microfluidica, che si interessa alla
manipolazione e al trasporto di piccolissime quantità (nano-picolitri) di liquido. L'elettronica
integrata sempre più diffusa, economica e potente ha permesso di realizzare sistemi e azionamenti
sempre più compatti, ed ha aperto la strada per la miniaturizzazione di componenti meccanici. Per
citare qualche esempio basti pensare a valvole ed elettrovalvole miniaturizzate per il controllo dei
fluidi negli apparecchi medicali e nelle strumentazioni per le analisi chimiche, o microcuscinetti a
sfere, che sostengono pochi carichi radiali o assiali, ma hanno dimensioni molto minori dei
cuscinetti a sfere convenzionali, e molti altri.Nel campo dell'automazione, sta prendendo sempre
più importanza oltre che l'aumento delle prestazioni, la riduzione delle dimensioni degli
azionamenti, spesso realizzando la totale integrazione di questi nei servosistemi. Va da se
l'impiego di motori elettrici miniaturizzati.
E' stato svolto questo studio perchè soprattutto nell'ambito dell'automazione gli azionamenti
miniaturizzati sono una realtà consolidata, e va da se tener presente che possono rappresentare
un'atlternativa più che valida agli azionamenti convenzionali come motori in corrente continua,
motori brushless e passo – passo. Purtroppo in questi tempi la diffusione di questi motori è limitata
a pochi campi specifici, poiché il costo finale è ancora elevato per via dei materiali impiegati e della
necessità di personale qualificato per la loro realizzazione. Sono oramai una realtà anche gli
azionamenti che sfruttano il principio piezoelettrico ( detti appunto motori piezoelettrici ): questi
motori, lineari o rotativi, sono in grado di fare movimenti subnanometrici ad alte frequenze,
senza per’altro aver parti di reciproco scorrimento. I motori piezoelettrici sono motori che dissipano
poco, sono molto precisi e lavorano a frequenze molto elevate. Il limite è dato dalle basse velocità
raggiungibili e dalle brevi corse degli attuatori, nonchè, per il momento, dal prezzo elevato.
Motori miniaturizzati e piezoelettrici trovano il loro utilizzo in non pochi campi. A titolo d'esempio, se
ne citano alcuni:
Attrezzature medicali
Sistemi di sicurezza
Aerospaziale e difesa
Altro
- Strumenti chirurgici e
dentistici
- Respiratori, infusori,
pompe per insulina
- Automazioni
- Scanner
- Lucchetti
- Videocamere
- Lettori di codici a
barre
- Porte tagliafuoco
- Movimento ali missili
- Regolazione
carburante
- Controlli per cabina di
pilotaggio
- Robotica
- Automazione
industriale
- Strumentazione per
lavori manuali
- Strumenti di misura
L'elenco potrebbe dilungarsi ancora molto. In generale, motori miniaturizzati e piezoelettrici
presentano in linea di massima oltre che ingombro minore, tempi di risposta e precisione migliori
rispetto i corrispettivi motori tradizionali.
Lo studio ha lo scopo di fornire un quadro delle alternative agli azionamenti rotativi in corrente
continua tradizionali, nell'ambito della massima riduzione della massa e dell'ingombro
dell'azionamento. Verranno prima presentati gli azionamenti tradizionali con il loro principio di
funzionamento e caratteristiche, ed i corrispettivi azionamenti miniaturizzati. Verranno anche
presentati gli azionamenti piezoelettrici con il loro funzionamento e caratteristiche, incentrandosi su
quelli di tipo rotativo. Infine verrà eseguito un confronto tra gli azionamenti presentati, valutando
quali siano i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna scelta.
1
CAPITOLO 1
Motori tradizionali
1.Motori a corrente continua
1.1.Principio di funzionamento
Ipotizziamo di avere una spira piana di forma rettangolare di lati a e b percorsa da una corrente
d'intensità i, immersa in un campo magnetico uniforme. Definiamo u il versore normale alla
superficie definita dalla spira, di verso definito in base alla regola della vite destrogira, B il campo
magnetico, θ l'angolo tra u e B.
B
i
M
u
a
θ
i
b
Ricordiamo ora la seconda legge elemenare di Laplace : in un tratto infinitesimo di conduttore ds
percorso da corrente di intensità pari a i immerso in un campo magnetico B agisce la forza
magnetica infinitesima:
dF = i ds x B
Dunque per un tratto di filo di lunghezza finita basterà integrare F lungo il segmento di conduttore
desiderato.
F =
∫i
d s×B
Appliando questa legge alla spira, disegnando le quattro forze magnetiche sui relativi quattro lati:
F4
F2
i
B
M
a
F1
u
θ
i
F3
b
2
b senθ
B
F
2
θ
u
b
F
1
Notiamo dunque che in un sistema come la spira in esame, le forze magnetiche F1 F2 F3 e F4
hanno somma vettoriale nulla, ma non è nulla la coppia: F3 ed F4 appartengono al piano della
spira e hanno stessa direzione, quindi non danno momento, ma le forze F1 ed F2 sono ortogonali
al piano e hanno direzioni parallele distanti b. Esse costituiscono allora un momento meccanico di
direzione pari a quella delle forze F3 e F4 e verso secondo la regola della vite destrogira.
L'intensità del momento è
M = F b sin  = I a B b sin  = I  B sin
Dove  è l'area della superfice contornata dalla spira. Possiamo riscrivere la formula sopra
definendo il momento magnetico della spira m = i  u . Questo fenomeno è valido per una
qualsiasi forma della spira, purchè piana.
In una spira piana contorno della superfice  , immersa in un campo magnetico uniforme B,
percorsa dalla corrente i, agisce il momento meccanico
M=mxB
Il motore a corrente continua è una macchina elettrica rotante che realizza la conversione
dell'energia elettrica fornita in lavoro meccanico. Poniamo una spira realizzata con un conduttore
elettrico ( rame ) all'interno di un campo magnetico uniforme realizzato con dei magneti permanenti
o tramite elettromagneti opportunamente alimentati. Colleghiamo le estremità della spira ai due
anelli 1 e 2, e gli anelli ad elementi su cui questi ruoteranno e riceveranno la tensione di
alimentazione. Chiamiamo gli anelli “collettori”, e gli elementi di contatto “spazzole”.
Collettori
Spazzole
Funzionamento base di un motore a
corrente continua
( www.hyperphisics.phy-asr.gsu.edu )
3
Così creata, il momento meccanico ha valore massimo per θ = 90°, è nullo per θ = 0° e cambia
segno ogni rotazione di 180° di θ, perciò non è possibile creare una rotazione a meno che il verso
della corrente nella spira non cambi, rendendo il momento generato dalla spira un momento
pulsante dallo zero.
Inoltre, la forza di Lorenz ( o forza magnetica ) che genera la coppia nella spira ha intensità molto
bassa, il che rende impossibile, con una singola spira, realizzare una conversione
elettromeccanica accettabile per le applicazioni richieste. Si realizzano allora più avvolgimenti. In
questo modo ciascuna spira darà il suo momento, che verrà sommato a quello delle altre spire che
costituiscono l'avvolgimento; impiegare più avvolgimenti ha il doppio effetto di abbassare
l'ampiezza della pulsazione e aumentarne la frequenza. Con un numero di avvolgimenti
sufficentemente alto, la coppia in uscita può essere tranquillamente considerata costante.
M(t)
M(t)
t
Una
spira
t
Due
spire
M(t)
t
Più spire
Le principali famiglie di macchine elettriche che sfruttano questo principio sono due, le quali si
differenziano in base alla corrente di alimentazione, che apre la strada per due realizzazioni finali:
1 ) Alimentare la spira con una corrente alternata. I questo modo la velocità di rotazione del rotore
sarà legata alla frequenza e al numero di coppie polari impiegate. Ciò definisce i motori a
corrente alternata ( AC motors )
2) Invece di realizzare due anelli interi, si realizza un unico anello costituito da due semianelli
separati. Realizzando la separazione lungo una sezione meridiana, ortogonale al piano della spira,
la corrente nella spira cambia di segno esattamente quando l'angolo θ è pari a θ = 0° o θ = 180°,
ossia quando il momento diventa nullo e cambia di segno. In questo modo, il segno cambia due
volte e quindi rimane invariato, e il momento da armonico diventa pulsante. A realizzare ciò, è il
commutatore. Ciò definisce i motori a corrente continua ( DC motors )
4
1.2.Configurazione
Le due parti fondamentali sono, come ogni macchina rotante, lo statore e il rotore. Lo statore è
costituito dalla carcassa, sulla cui superficie interna sono montati i poli principali, che sono una o
più coppie di magneti permanenti o ottenuti con bobine di eccitazione. Essendo sede di induzione
magnetica costante lo statore è realizzato a sezione piena, con un acciaio o lega ad alta
percentuale di ferro. I poli principali ( se esaminiamo quelli a bobina ) sono costituiti appunto dalle
bobine di eccitazione e dalle scarpe polari. Le bobine sono collegate tra loro in modo che, quando
percorse dalla corrente di eccitazione, le forze magnetomotrici di due poli consecutivi abbiano
uguale modulo e verso opposto. La connessione più semplice presenta le bobine di due poli
consecutivi connesse in antiserie.
Il rotore ( o indotto ) è composto dall'albero motore, su cui è montato il commutatore ed un pacco
di lamierini, attorno a cui verranno alloggiati gli avvolgimenti. Gli avvolgimenti sono a loro volta
interconnessi in modo da formare uno o più avvolgimenti chiusi. Vengono alimentati per mezzo di
contatti striscianti realizzati in grafite o in lega bianca per le realizzazioni più piccole.
Quando la macchina svolge la funzione di conversione dell'energia meccanica fornita in energia
elettrica ( dinamo ), il commutatore prende il nome collettore. In entrambi i casi è costituito da
lamelle di rame, isolate con spessori di mica o vetroresina da 0,5 a 1,5 mm.
Le lamelle di rame del commutatore sono collegate ai morsetti di alimentazione della macchina per
mezzo di contatti striscianti detti spazzole. Si preferisce sviluppare la lunghezza piuzzosto che la
sezione in se, per migliorare il contatto, per questo si utilizzano di solito più spazzole disposte in
file.
Configurazione tipica di un motore DC tradizionale per piccoli azionamenti
Armatura ( rotore )
Commutatore
Magnete ( statore )
Spazzola
Cassa ( statore )
Avvolgimento ( rotore )
Terminali
( www.experimentalev.worldpress.com )
1.3.Coppia
La potenza elettrica assorbita si ottiene moltiplicando la f.e.m di indotto per la relativa corrente di
indotto:
5
P g = E I i [W ]
E' possibile dimostrare che la f.e.m di indotto vale
E =
N
a
pn 
[V ]
60
N
Totale dei conduttori dell'indotto [np]
N/2a
Numero di conduttori costituenti ciascuna via interna [np]
p
Numero di coppie polari [np]
n
Velocità del rotore [giri/min]
Φ
Flusso polare [ T/m2 ]
Al fine di un maggior utilizzo applicativo, viene definito il parametro costruttivo:
Ke =
p N
60 a
Che ci permette di scrivere la f.e.m di indotto in forma compatta:
E = K e  n [V ]
Tale potenza elettrica è pari alla potenza meccanica assorbita. Da ciò possiamo ricavare la coppia
elettromeccanica, ed i parametri a cui essa è legata. La potenza meccanica assorbita è infatti pari
a:
Pm = C  = C
2 n
[W ]
60
Perciò la coppia si ricava dividendo la potenza per la velocità angolare:
C=
E Ii
k  Ii
= e
60 [ Nm ]

2 
Allo stesso modo, definiamo:
kc =
 Ke
60
2
E scriviamo la coppia come funzione dell'intensità di corrente di indotto:
C = k c I i [ Nm ]
Nei manuali tecnici e nei datasheet viene spesso indicata k c come il rapporto tra la coppia
fornita e l'intensità di corrente in ingresso nel motore, col nome di “costante di coppia”
kc =
C
[Nm / A]
Ii
6
1.4.Pregi e difetti
Pregi
– Momento torcente e corrente sono legati da una caratteristica lineare, il che li rende facili
da regolare. Spesso un motore DC non è solo ma installato in un sistema di comando e
controllo in cui sei sensori di velocità monitorano il numero di giri in uscita e un variatore di
corrente in ingresso regola la potenza elettrica fornita, in modo da mantenere costante il
numero di giri in funzione del carico
– Buone proprietà dinamiche : questa tipologia di macchine elettriche può fornire coppie e
velocità molto elevate.
– Velocità di rotazione stabile: il principio di funzionamento garantisce stabilità nella velocità
di uscita, a differenza di altri motori come i passo - passo
Difetti
– Usura del commutatore: questo aspetto incide soprattutto sulla durata del motore. Il
commutatore è un contatto strisciante, e come tale è soggetto ad usura durante il suo
funzionamento. Un commutatore eccessivamente usurato compromette la funzionalità del
motore, e necessita di essere sostituito.
– Scintillio: difetto tipico dei contatti elettrici striscianti. Il contatto tra commutatore e morsetti
non è statico e costante, ma striciante e intermittente, con frequenza legata alla velocità di
rotazione. Il continuo attacco e distacco di tensione unito allo strisciamento rappresentano
un disturbo nel segnale di alimentazione, che per sua natura, non può essere rimosso.
– Attrito interno: per muovere il rotore, bisogna vincere l'attrito di strisciamento sul
commutatore, oltre che a tutti gli altri fattori dissipativi. Questo si fa sentire maggiormente
quando le dimensioni diminuiscono, influendo sull'efficienza.
– Dinamica di regolazione e momento di arresto limitati dal commutatore il moto è regolato
dal commutatore. Non è possibile imprimere forti variazioni di velocità come in altri motori
elettrici, in cui la rotazione del rotore avviene in maniera più “diretta”.
– Cattiva dissipazione del calore : passaggio di corrente negli avvolgimenti, attrito sui
cuscinetti ma soprattutto strisciamento delle spazzole portano alla dissipazione di parte
della potenza elettrica fornita in calore, per effetto Joule. Inoltre per sua configurazione
compatta, il calore sviluppato è difficile da dissipare; spesso motori di grandi potenze
necessitano di un sistema di dissipazione del calore, per evitare aumenti eccessivi di
temperatura.
1.5.Tipici range
Si riporta di seguito una tabella dei tipici range di un motore a corrente continua.
Potenza nominale
0,4 W ~ 2 MW
Velocità di rotazione ( a vuoto )
1500 ~ 12300 giri / min
Coppia nominale
0,05 ~ 9000 Nm
Intensità di corrente nominale
1 ~ 100 A
Coppia massima
0,5 ~ 10000 Nm
Massa
0,5 ~ 500 kg
Inerzia rotore
3 10-6 ~ 3 10-4 kg m2
Costante di coppia
0,020 ~ 0,35 Nm/A
Range di temperatura
-40 ~ 100 °C
Volume
60 ~ 100000 cm3
Efficienza
30 ~ 75%
7
1.5.1.Motori DC compatti presenti sul mercato
Si passa ora all'esame dei tipici campi di funzionamento per i motori in corrente continua ( DC
motors ). Per farlo sono stati presi in considerazione il motore DC di più piccole dimensioni
d'ingombro, proposti da tre aziende differenti.
Azienda: Crouzet ( www.crouzet.com )
Si occupa della distribuzione di componenti e sistemi per l'automazione industriale, in particolare
per il controllo di velocità e posizione di motori elettrici rotativi e lineari.
Il motore DC più piccolo proposto è il modello “89810”, da cui si riporta la curva caratteristica ed i
dati ritenuti più importanti per la trattazione:
Tensione di alimentazione [V]
12 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
4200 giri/min
Potenza nominale [W]
15 W
Coppia nominale [mNm]
50 mNm
Intensità di corrente nominale [ A ]
2,5 A
Coppia di Stallo [mNm]
158 mNm
Massa [g]
340 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
75 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
0,03 mNm / A
3
Volume [cm ]
98,4 cm3
Efficienza [%]
65,00%
Azienda : Siboni S.r.l. ( www.Siboni.it )
Realizza motori in corrente continua a magneti permanenti ( ferrite sinterizzata ) studiati per la
realizzazione di servomovimentazioni a velocità variabile.
Il motore DC tradizionale più piccolo proposto è il modello “17 PL 078”, da cui si riporta la curva
caratteristica ed i dati ritenuti più importanti per la trattazione. Questo motore utilizza magneti
statorici in terre rare per aumentare le prestazioni
8
Tensione di alimentazione [V]
24 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
2025 giri/min
Potenza nominale [W]
23 W
Coppia nominale [mNm]
110 mNm
Intensità di corrente nominale [ A ]
1A
Coppia di Stallo [mNm]
120 mNm
Massa [g]
580 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
32 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
0,022 mNm / A
Volume [cm3]
100 cm3
Efficienza [%]
60,00%
Azienda: Poultry Tecno (www.pultrytecno.net )
Realizza motoriduttori dedicati all’avicoltura (mangiatoie automatiche, movimentazione finestre,
sollevamento mangiatoie, etc.)
l motore DC tradizionale più piccolo proposto è il modello “EC020.120”, da cui si riportano i dati
ritenuti più significativi e la curva caratteristica:
Tensione di alimentazione [V]
12 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
2850 giri/min
Potenza nominale [W]
20 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
2,6 A
Coppia nominale [mNm]
60 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
84 mNm
Massa [g]
400 g
Momento d'inerzia rotorico [kg m2 ]
64 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
n.p.
3
Volume [cm ]
124,7 cm3
Efficienza [%]
69,00%
9
1.6.Miniaturizzazione dei motori DC
1.6.1.Come
La carcassa è realizzata in acciaio o materiale plastico per in modelli più economici. In genere il
rapporto lunghezza / spessore trasversale è più alto che nei motori tradizionali, e presentano su un
coperchio dei fori filettati per il fissaggio e sul coperchio opposto i morsetti di rame a coltello o
direttamente i cavi per l'alimentazione. In questa tipologia, il rotore è esterno costituito da un
avvolgimento auto-portante, a forma di coppa, calettato direttamente sull’albero motore. Tale
avvolgimento autoportante può essere realizzato in quattro modi diversi:
1) Gli avvolgimenti sono avvolti singolarmente e poi uniti e assemblati per formare un unico
avvolgimento cilindrico, rinforzato con fibre di vetro, ricoperto di resina epossidica.
2) Formare con i fili dell'avvolgimento un intreccio seguendo un particolare schema a rombo
su di un supporto, che successivamente viene rimosso. Rimane la striscia, che viene
richiusa per formare un cilindro. La parte difficile di questo metodo è riuscire a dare una
forma perfettamente cilindrica, al fine di evitare eccentricità.
3) Creare l'avvolgimento avvolgendo i fili direttamente su un supporto cilindrico. Questo
permette di evitare problemi di eccentricità e automatizzare totevolmente il processo,
tuttavia non è possibile rimuovere il supporto senza compromettere l'avvolgimento. Sarà
dunque richiesto un traferro più ambio per l'alloggiamento del supporto.
4) Combinare il secondo ed il terzo metodo, formando direttamente su un supporto cilindrico
rimovibile un avvolgimento a fili contrapposti; il supporto viene poi rimosso. Questo metodo
richiede macchinari di avvolgimento piuttosto complessi, ma permettono di ottenere il
miglior risultato finale, automatizzando inoltre il processo di creazione dell'avvolgimento.
A seconda del produttore, l’avvolgimento è costituito da spire ripiegate e sovrapposte od oblique,
rivestito da resina termoindurente in grado di resistere ad elevate temperature (da 85 °C fino a 125
°C) che conferisce la necessaria compattezza e rigidita. Data l’assenza di ferro e la ridotta inerzia
si possono ottenere notevoli accelerazioni, riducendo i tempi di avviamento e contenendo la
corrente di spunto.
L’avvolgimento di indotto, avvolto in aria, presenta induttanza ridotta e un comportamento lineare
per l’assenza di saturazione e di perdite per isteresi e correnti parassite. L’assenza di cave di
rotore favorisce inoltre il raffreddamento dell’avvolgimento e consente l’adozione di correnti piu
elevate, ottimizzando il rapporto potenza-volume.
Lo statore e costituito da un magnete permanente di forma cilindrica posto all’interno del rotore. Al
10
fine di ottenere elevate prestazioni si utilizzano solitamente magneti permanenti pregiati ottenuti
con leghe di terre rare (neodimio-boro, samario-cobalto).
L’albero motore e realizzato tipicamente in acciaio e piu raramente in ceramica e sostenuto con
bronzine in metallo sinterizzato o cuscinetti a sfere. L’uso di cuscinetti a sfere é previsto
solitamente per quei motori destinati ad uso continuativo ad elevate velocita o con elevato carico
radiale all’albero.
Carcassa
Cuscinetto a
sfere o boccola
Rotore autoportante
Commutatote
Magnete permanente in terre rare
Attacchi per
alimentazione
Spazzole e relativo
supporto in lega metallica
( Catalogo Portescap )
Per la realizzazione del commutatore vengono solitamente adottate due soluzioni costruttive:
collettore in rame con spazzole in grafite oppure collettore e spazzole in metalli preziosi. La
combinazione collettore di rame e spazzole in grafite e generalmente impiegata nei motori di
dimensioni leggermente superiori che devono sopportare carichi gravosi.
In particolare le spazzole in grafite sono in grado di sopportare correnti piu elevate rispetto a quelle
in metalli preziosi e sono quindi adatte ad un funzionamento intermittente con frequenti inversioni
di marcia. Tale soluzione costruttiva ha pero lo svantaggio di presentare frequentemente fenomeni
transitori quali lo scintillio.
La combinazione di metalli preziosi invece garantisce un costante e basso valore di resistenza
di contatto anche dopo lunga inattivita e un limitato scintillio, permettendo il funzionamento con
bassissime tensioni d’avviamento ed una elevata immunita alle interferenze elettriche.
Questa soluzione si presta ottimamente alla realizzazione di motori di ridotte dimensioni
funzionanti in servizio continuativo, con basso carico di corrente.
Le spazzole sono composte da molti segmenti a forma di pettine (fino a sette denti) per assicurare
una maggiore elasticita e quindi un perfetto e costante contatto elettrico.
1.6.2.Perchè
Un minimotore DC ha per l'appunto dimensioni molto più ridotte di un motore convenzionale, il che
permette di realizzare macchine e azionamenti di dimensioni notevolmente minori, oltre
all'eventuale integrazione del motore stesso nel sistema di azionamento, e l'essere impiegato in
applicazioni particolari come strumentazioni in ambito medicale ( es. micropompe ect. )
La potenza sviluppata ha raggiunto in questi anni valori discreti, confrontabili con quelli dei motori
DC più piccoli.
Un mini motore DC permette di ottenere accelerazioni maggiori, il che lo rende più appetibile per
determinate applicazioni dove i tempi di risposta sono molto stretti.
I progressi delle tecnologie produttive di questi ultimi anni permettono di ottenere questi motori a
prezzi più bassi rispetto ad anni fa, anche se comunque sono ancora notevolmente più alti rispetto
i motori DC convenzionali.
11
1.6.3.Caratteristiche
Coppia
Come per il motore DC tradizionale, la coppia è funzione dei seguenti parametri:
–
–
–
–
–
Il fusso magnetico di traferro: Più è alto più la coppia è elevata per la legge di Lorenz.
Utilizzando magneti permanenti in lega di terre rare i flussi di induzione sono più intensi dei
modelli a magneti permanenti comuni
Numero di giri di avvolgimento e numero di avvolgimenti: più è alto più la coppia è elevata
perchè maggiori sono le microforze che contribuiscono al momento
Dimensioni e diametro rotore: più sono alti, più alta è la coppia perchè aumenta il braccio
del momento
Attrito: vi è attrito volvente nei cuscitetti a sfere ( o radente se ri utilizzano boccole ) , attrito
radente nello strisciamento delle spazzole sul collettore. Tali attriti dissipano parte
dell'energia meccanica.
Temperatura: l'innalzarsi della temperatura porta dissipamento di potenza per effetto Joule (
oltre a problemi di smaltimento del calore accumulato )
I parametri construttivi sopraelenzati vengono spesso racchiusi in un'unica costante k
La coppia può essere scritta come:
C = I k c [ Nm ]
Si riportano le caratteristiche tipiche dei motori dc miniaturizzati
Potenza nominale
0,2 ~ 10 W
Velocità di rotazione ( a vuoto )
6000 ~ 16000 giri/min
Coppia nominale
0,005 ~ 0,05 Nm
Coppia massima
0,05 ~ 0,2 Nm
Massa
3,5 ~ 90 g
Inerzia rotore
0,015 10-7 ~ 1,34 10-4 kg m2
Costante di coppia
0,5 ~ 250 mNm / A
Range di temperatura
- 30 ~ 130 °C
Volume
0,5 ~ 500 cm3
Efficienza
70 ~ 90 %
1.6.4.Pregi e difetti
Pregi
– Possono arrivare fino a 2mm di ingombro : questa tecnologia costruttiva permette di
realizzare dei modelli che hanno un ingombro di pochi centimetri cubi. Questo li rende delle
buone soluzioni dove è richiesto il minimo ingombro possibile.
– Bassa inerzia: il rotore è realizzato “senza ferro”, come un unico cilindro di avvolgimenti
autoportante. Per la sua configurazione cilindrica, ha un momento d'inerzia molto basso.
Ciò permette di ottenere maggiori accelerazioni a parità di coppia generata.
– Piccola massa: La semplice configurazione e le ridotte dimensioni permettono di ottenere
motori di una massa complessiva nell'ordine dei grammi. Fattore importante se la macchina
e/o il sistema in cui il motore è inserito deve avere un peso complessivo ridotto
12
Difetti
– Alto costo: al fine di aumentarne l'efficenza, vengono impiegati dei magneti permanenti
–
ottenuti da leghe di terre rare, come la lega neodimio-boro o samario-cobalto. Tali metalli
sono caratterizzati da un campo di induzione magnetica molto più insenso dei comuni
magneti permanenti, il che permette di ottenere maggiore coppia a parità di intensità di
corrente. Altro accorgimento che incide sul costo, è l'utilizzo di spazzole di collettore di lega
di metalli preziosi, i quali sono caratterizzati da un'alta conducibilità e quindi riducono al
minimo i problemi dello scintillio. Infine, le strette tolleranze per la realizzazione dei
componenti hanno anch'esse il loro peso sul costo finale.
Usura per via del collettore. Come per i motori tradizionali, il collettore costituisce un
contatto strisciante, dunque porta problemi si usura delle spazzole e disturbi nel segnale di
alimentazione.
1.6.5.Motori DC miniaturizzati presenti sul mercato
Come per i motori tradizionali, si valutano le caratteristiche di questi motori prendendo in esame tre
prodotti che il mercato propone. Come per i tradizionali, si considerano i motori di minimo
ingombro.
Azienda: Portescap ( www.portescap.com )
Azienda Svizzera che produce soluzioni miniaturizzate per l'automazione, dai mini motori ( a
collettore, brushless e stepper ) ai driver per l'azionamento.
Consideriamo il motore DC miniaturizzato “08GS61 – 107 – 3”, da cui si riportano i dati ritenuti più
importanti per la trattazione e la curva coppia – giri:
Tensione di alimentazione [V]
2V
Numero di giri a vuoto [rpm]
7000 giri/min
Potenza nominale [W]
0,42 W
Intensità corrente nominale [ A ]
0,25 A
Coppia nominale [mNm]
0,64 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
0,42 mNm
Massa [g]
3,8 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
0,03 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
2,63 mNm / A
3
Volume [cm ]
0,83 cm3
Efficienza [%]
50,00%
13
Azienda: Micromo ( www.micromo.com )
Membro del gruppo Faulhaber, si occupa della realizzazione di azionamenti di piccole dimensioni
di vario genere, dai lineari ai rotativi ai passo-passo.
Consideriamo il motore DC miniaturizzato “0615 N 1,5 S”, di cui si riportano i valori ritenuti più
significativi per la trattazione e la curva coppia – giri:
Tensione di alimentazione [V]
1,5 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
19100 giri/min
Potenza nominale [W]
0,24 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
0,29 A
Coppia nominale [mNm]
0,17 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
0,24 mNm
Massa [g]
2,0 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
0,01 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
0,69 mNm / A
3
Volume [cm ]
0,42 cm3
Efficienza [%]
52,00%
Azienda: Maxon Motor ( www.maxonmotor.it )
Società italiana unipersonale che produce una vasta gamma di microazionamenti. Dai minimotori
DC, DC brushless ai relativi riduttori, sensori, servoamplificatori e sistemi di azionamento su
richiesta.
Consideriamo il motore DC miniaturizzato “RE 6”, di cui si riportano i valori ritenuti più significativi
per la trattazione e la curva coppia – giri:
Tensione di alimentazione [V]
1,5 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
18500 giri/min
Potenza nominale [W]
0,15 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
0,45 A
Coppia nominale [mNm]
0,30 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
0,42 mNm
14
Massa [g]
2,0 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
0,015 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
0,72 mNm / A
3
Volume [cm ]
0,55 cm3
Efficienza [%]
54,00%
2.Motori brushless
Il problema principale nei motori a corrente continua è costituito dai contatti stricianti del collettore,
i quali sono soggetti ad usura costante durante il funzionamento. Ciò ha portato alla realizzazione
dei motori brushless.
2.1.Principio di funzionamento
A differenza del motore DC a spazzole, nel motore DC brushless ( o trapezioidale ) gli avvolgimenti
sono realizzati sullo statore, e sul rotore vengono fissati i magneti permanenti. Il motore sfrutta le
forze magnetiche di attrazione – relulsione tra magnete permanente e campo di induzione
magnetica, generato da una o più coppie di elettromagneti. Il moto rotatorio è ottenuto tramite la
commutazione della corrente che alimenta gli elettromangeti, che non è più realizzata tramite
contatti striscianti, bensì tramite un'elettronica dedicata, spesso costituita da sensori ad effetto Hall
collegati ad un commutatore, che inverte il senso o azzera la corrente in ciascuna coppia in base
alla posizione angolare del rotore.Sono possibili anche realizzazioni con singoli elettromagneti.
15
Ad esempio, per un motore brushless con rotore interno a quattro poli:
Funzionamento di un motore brushless
( http://www.avdweb.nl )
Quando il polo è allineato con la coppia corrispettiva la corrente in quest'ultima viene portata a
zero, e viene alimentata ( in questo caso ) quella ai 60° successivi. La commutazione è realizzata
per mezzo dei sensori a effetto Hall.
I sensori ad effetto Hall sono sensori che sfruttano la seconda legge elementare di Laplace. Una
volta alimentati, se sottoposti anche se per brevi istanti ad un campo di induzione magnetica,
danno in uscita una tensione proporzionale all'intensità del campo.
L’elettronica di pilotaggio determina la posizione del rotore a partire dai sensori ad effetto Hall. Da
questa, ne deduce l’orientamento da dare al campo magnetico dello statore. Durante la rotazione,
l’elettronica di pilotaggio comanda le tre bobine per variare nel tempo l’orientamento del campo in
relazione alla posizione del rotore, in modo da trascinarlo nel senso scelto dall’utilizzatore.
Modulando la corrente nelle bobine, l’elettronica può accellerare o rallentare il motore e regolare in
questo modo la sua velocità. Può inoltre orientare il campo magnetico in modo da frenare il rotore
nel suo movimento fino all’arresto. Limitando la corrente nelle bobine, l’elettronica può egualmente
limitare la coppia del motore.
2.2.Configurazione
Sono possibili varie realizzazioni di questi motori. In ogni caso, i magneti vengono fissati sul rotore
per mezzo di particolari adesivi, oppure per applicazioni a velocità elevate avvolti in un nastro di
Kevlar o con un cilindro di acciaio inossidabile ad alta resistività. Possiamo classificare queste in
tre categorie: rotore interno, rotore esterno, rotore assiale.
Per piccole realizzazioni, ad esempio servomotori o azionamenti, si preferiscono a rotore interno,
per la minore inerzia, quindi minor tempo di risposta e accelerazione più elevata.
Per applicazioni in cui invece è necessario mantenere il più possibile costante la velocità di
rotazione, il rotore viene realizzato in modo da avere la maggiore inerzia possibile. Si passa allora
al rotore esterno.
I brushless a rotore assiale sono realizzati mediante due dischi coassiali. Sul disco rotore vengono 16
fissati i magneti, mentre sul disco statore gli avvolgimenti sono realizzati per mezzo di circuiti
stampati. Il traferro in questa realizzazione è piuttosto elevato, questo comporta perdite di flusso
magnetico e quindi bassa coppia trasmissibile. Tuttavia data la forma piatta ed il basso costo,
trovano impiego in numerose applicazioni.
Rotore interno
Rotore esterno
Rotore assiale
Configurazioni possibili per il motore dc brushless
( www.axcomotors.com , www.johnsonelectric.com, )
2.3.Coppia
La coppia dipende dalla tensione e dalla corrente di alimentazione, oltre che dal numero di poli
torici e il numero di avvolgimenti. Si considera a titolo d'esempio un motore brushless a tre
avvolgimenti statorici a 120° e rotore a due poli:
Sezione dei motore brushless DC considerato ( www.calderini.it )
Il brushless DC ha una magnetizzazione del rotore tale che, una volta posto in rotazione, produce
sugli avvolgimenti statorici una f.e.m indotta. E' possivile dimostrare che la coppia è legata alla
corrente I e alla f.e.m. Indotta, dalla seguente relazione:
C = I 
d m 1

dt 
d m
è la derivata, rispetto al tempo, della matrice esprimente flusso dovuto ai magneti
dt
rotorici. Mentre I è la matrice delle correnti statoriche. Se ne deduce che:
Dove
17
1) la coppia cresce linearmente con l'aumento della l'intensità di corrente statorica I
2) la coppia cresce linearmente con la variazione nel tempo del flusso rotorico: impiegando
allora magneti permanenti più intensi, la variazione di flusso e dunque la coppia sarà
maggiore
Si definisce inoltre la “coppia d'attrito” C o , come la somma di tutte quelle perdite di coppia che
non dipendono dalla velocità, causata dall'attrito volvente dei cuscinetti a sfere e dall'isteresi
magnetica dello statore.
Dalla coppia d'attrito possiamo definire la “coppia di stallo” come la coppia che il rotore è in grado
di contrastare alla tensione nominale e velocità nulla:
Un
− Co
R
k c  costante di coppia
R  Resistenza elettrica avvolgimento
U n  tensione nominale
Cs = k c
Il rotore tende a posizionarsi di volta in volta seguendo i percorsi magnetici di minima riluttanza.
Come conseguenza, se si prova a girare il rotore manualmente, si percepirà una coppia resistente
variabile tra un massimo e un minimo, che darà l'impressione di un avanzamento “a scatti”. Questo
fenomeno viene chiamato “ripple di coppia”, ed è causa di discontinuità nella coppia in uscita, la
cui ampiezza può arrivare anche al 30% del valore di coppia.
2.4.Pregi e Difetti
Pregi
– Dinamica molto buona: grazie ad attrito ed inerzia bassi, le velocità e le accelerazioni
ottenibili con questi motori sono molto alte. Inoltre il moto del rotore per mezzo della
commutazione degli avvolgimenti permette un controllo più diretto
– Elevata sovraccaricabilità : è possibile sostenere per periodi brevi dei carichi molto più alti
dei valori nominali per il funzionamento continuativo
– Non richiede manutenzione: Data la mancanza di contatti scriscianti, la durata è
largamente superiore a quella dei motori DC
Difetti
– Sistema di sensori e logica di controllo costosa: il sistema di commutazione degli
avvolgimenti incide notevolmente sul costo del motore
– Qualità di sincronismo spesso limitate: Il sistema di comando e controllo deve realizzare la
perfetta sincronia tra sensori ad effetto Hall, misuratori di velocità, interruttori ect. Deve
raggiungere un numero di commutazioni al secondo molto elevato. Spesso è questo fatto a
rappresentare il limite della velocità di rotazione a vuoto del motore.
– Elettronica di pilotaggio : l'elettronica di pilotaggio ( detto anche driver ) ha un suo ingombro
ed un suo peso.
2.5.Tipici range
Si riportano di seguito i tipici range per un motore brushless tradizionale
Potenza
50 ~ 2500 W
Velocità di rotazione ( a vuoto )
200 ~ 20000 giri / min
Coppia nominale
0,05 ~ 500 Nm
18
Intensità di corrente nominale
0,2 ~ 8 A
Coppia massima
0,1 ~ 2000 Nm
Massa
0,1 ~ 200 kg
Inerzia rotore
15 10-7 ~ 63 10-3 kg m2
Costante di Coppia
5,0 ~ 70,0 mNm/A
Volume
100 ~ 90000 cm3
Efficienza
30 ~ 75 %
2.5.1.Motori DC brushless presenti sul mercato
Per l'esame dei tipici campi di funzionamento per i motori brushless sono stati presi in
considerazione il motore brushless di più piccole dimensioni d'ingombro, proposti da tre aziende
differenti.
Azienda: Smart Motor Devices ( www.stepmotor.biz )
Sviluppa e vende controllori e driver per motori elettrici industriali di uso generale.
Il motore DC brushless trifase tradizionale più piccolo proposto è il modello “SM42L”, di cui si
riportano i valori ritenuti più significativi per la trattazione:
Tensione di alimentazione [V]
24 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
4000 giri/min
Potenza nominale [W]
52 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
n.p.
Coppia nominale [mNm]
120 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
370 mNm
Massa [g]
450 g
2
-7
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
48 10 kg m
Costante di coppia [ mNm / A ]
35,5 mNm / A
3
Volume [cm ]
84,5 cm3
Efficienza [%]
68,00%
Azienda: Fusit S.r.l. ( www.fusit.it )
Quest'azienda produce componenti elettrici passivi e dispositivi elettromeccanici di vario genere.
Per questa azienda consideriamo un motore DC brushless a rotore interno, modello “DR 6638”
di cui si riportano i valori ritenuti più significativi per la trattazione e la curva coppia – giri:
19
Tensione di alimentazione [V]
24 ~ 48 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
6500 giri/min
Potenza nominale [W]
23 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
1,2 A
Coppia nominale [mNm]
40 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
45 mNm
Massa [g]
200 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
80 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
n.p.
Volume [cm3]
140,8 cm3
Efficienza [%]
53,00%
Azienda: Ever elettronica ( www.everelettronica.it )
Ever Elettronica realizza macchine per l'automazione industriale e fornitrice componenti e soluzioni
per il controllo del movimento tramite servomotori sincroni passo-passo e brushless.Il motore DC
brushless trifase tradizionale più piccolo proposto è il modello “MT11FB10 ”. Si riportano i dati più
significativi per la trattazione:
Tensione di alimentazione [V]
15 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
8000 giri/min
Potenza nominale [W]
0,84 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
0,26 A
Coppia nominale [mNm]
7 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
8,4 mNm
Massa [g]
60 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
1,2 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
13,7 mNm / A
3
Volume [cm ]
12,8 cm3
Efficienza [%]
54,20%
20
2.6.Motori brushless miniaturizzati
2.6.1.Come
La miniaturizzazione dei motori DC brushless è realizzata pressapoco nello stesso modo che per i
minimotori con collettore, tuttavia presenta delle importanti differenze che sono quelle che
permettono la rotazione del rotore senza collettore; il principio utilizzato è lo stesso dei motori
brushless tradizionali esposti in precedenza.
Lo statore è costituito da tre avvolgimenti avvolti in un unico cilindro autoportante, realizzato con le
stesse metodologie dei mini DC, sfasati tra loro di 120° elettrici. Essi verranno alimentati di volta in
volta a due a due in base alla posizione angolare del rotore. La commutazione avviene per mezzo
di una scheda dove è stampata l'elettronica di pilotaggio.
Il rotore è un magnete permanente ( costituito da una lega di terre rare ) a due poli, solidale
all'albero motore e ad una camicia cilindrica d'acciaio che copre esternamente l'avvolgimento
statorico: in questo modo si ha un minore traferro, e le perdite nel ferro vengono diminuite
notevolmente, a vantaggio del rendimento.
Coperchio posteriore
Cavetti di collegamento
Involucro
Elettronica di
alimentazione
Avvolgimento statorico
Rotore a magneti permanenti
Camicia di acciaio
Albero
Coperchio
Struttura tipica di un micromotore brushless senza sensori
Esiste un'altra configurazione più tradizionale in cui non è presente la camicia di rivestimento degli
avvolgimenti statorici, e per la commutazione si utilizzano sensori di Hall e relativa elettronica di
commutazione. Quest'ultima necessita però di magneti permanenti con induzione più intensa che
nella configurazione precedente, perchè le perdite nel traferro sono più alte.
21
1) Guarnizione
2) Elettronica di comando
3) Sensori di Hall
4) Supporto per cuscinetto a sfere
5) Cuscinetto a sfere
6) Albero
7) Magnete
8) Elettronica di comando
9) Avvolgimento autoportante statorico
10) Guarnizione a molla
11) Distanziatore
12) Lamine statoriche ( dissipazione calore )
13) Alloggiamento
14) Cavi di collegamento
10
11
Struttura tipica di un micromotore brushless con sensori di Hall
2.6.2.Perchè?
I motivi dell'impiego di questi motori sono pressapoco i medesimi dei minimotori DC: in molti campi
cresce sempre più la richiesta di attuatori compatti, con alto rapporto potenza/peso.
2.6.3.Caratteristiche:
Coppia
La coppia dipende dai medeisimi parametri dei BDLC tradizionali:
- Intensità di corrente: essendo ridotte le dimensioni e la struttura più compatta, è molto più difficile
disperdere il calore accumulato. Questo fatto incide pesantemente sulla coppia continuativa che il
motore può fornire.
- Variazione nel tempo del flusso di induzione: l'utilizzo di magneti ad alta intensità permette di
raggiungere alti valori di questo parametro.
22
Di seguito si riportano di valori tipici dei motori brushless dc miniaturizzati
Potenza
0,06 ~ 6 W
Velocità di rotazione ( a vuoto )
5000 ~ 100000 giri/min
Coppia nominale
0,3 ~ 50 mNm
Coppia massima
0,5 ~ 10 mNm
Massa
0,091 ~ 750 g
Inerzia rotore
0,01 10-7 ~ 1 10-4 kg m2
Volume
0,016 ~ 10 cm3
Efficienza
35 ~ 90 %
2.6.4.Motori brushless miniaturizzati presenti sul mercato
Prendiamo ora in considerazione tre minimotori DC brushless delle più piccole dimensioni
d'ingombro presenti sul mercato
Azienda: Maxon Motor
Società italiana unipersonale che produce una vasta gamma di microazionamenti. Dai minimotori
DC, DC brushless ai relativi riduttori, sensori, servoamplificatori e sistemi di azionamento su
richiesta. Consideriamo il motore brushless DC miniaturizzato “455019 ” - EC 6 , di cui si riportano
i dati ritenuti più significativi per la trattazione e la curva coppia – giri:
23
Tensione di alimentazione [V]
6V
Numero di giri a vuoto [rpm]
44600 giri/min
Potenza nominale [W]
0,90 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
0,31 A
Coppia nominale [mNm]
0,34 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
0,81 mNm
Massa [g]
3g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
0,007 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
1,21 mNm / A
Volume [cm3]
0,56 cm3
Efficienza [%]
59,00%
Azienda: Micromo ( www.micromo.com )
Membro del gruppo Faulhaber, si occupa della realizzazione di azionamenti di piccole dimensioni
di vario genere, dai lineari ai rotativi ai passo-passo.
Consideriamo il motore BLDC miniaturizzato “620K006B”, di cui si riportano i dati ritenuti più
significativi per la trattazione e la curva coppia – giri:
Tensione di alimentazione [V]
6V
Numero di giri a vuoto [rpm]
46500 giri/min
Potenza nominale [W]
1,47 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
0,38 A
Coppia nominale [mNm]
0,36 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
0,73 mNm
Massa [g]
2,5 g
2
Momento d'inerzia rotorico [kg m ]
0,01 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
1,13 mNm / A
3
Volume [cm ]
0,57 cm3
Efficienza [%]
52,00%
24
Azienda: Moog inc. ( www.moog.com )
Grosso gruppo multinazionale, tratta dalla produzione di servosistemi per l'industria manifatturiera
a componenti per il settore areospaziale, areonautico e navale. Un distaccamento è presente in
molti paesi del mondo tra cui in Italia, a Genova.
Prendiamo in considerazione il motore BLDC miniaturizzato “DBH 0472”, di cui si riportano
i dati ritenuti più significativi per la trattazione e la curva coppia – giri:
Tensione di alimentazione [V]
12 V
Numero di giri a vuoto [rpm]
11090 giri/min
Potenza nominale [W]
2,38 W
Intensità di corrente nominale [ A ]
n.p.
Coppia nominale [mNm]
3,50 mNm
Coppia di Stallo [mNm]
9,88 mNm
Massa [g]
2,5 g
Momento d'inerzia rotorico [kg m2 ]
0,012 10-7 kg m2
Costante di coppia [ mNm / A ]
1,4 mNm / A
3
Volume [cm ]
2,83 cm3
Efficienza [%]
90,00%
25
2.6.5.Pregi e difetti
Pro
–
–
–
Durata : Come per il BLDC tradizionali, essendo privi di contatti striscianti ( se non
cuscinetti o bronzine di collegamento dell'albero motore ), sono motori che mantengono le
caratteristiche meccaniche ed elettriche per lungo tempo. Ciò li rende ideali per applicazioni
dove è necessario che la macchina lavori continuamente ( es. pompe per cicli di
refrigerazione, ventilatori, ect. )
Dimensioni ridotte: come per il mini motori DC, i minimotori BLDC possono avere
dimensioni d'ingombro dell'ordine dei millimetri mantenendo buone caratteristiche.
Massa ridotta: come accennato, sia i mini DC che i mini BLDC sono macchine elettriche
con alto rapporto potenza/peso, il che li rende una soluzione apetibile per applicazioni dove
il peso complessivo del sistema deve essere ridotto.
Contro
–
–
Alto costo: l'impiego di magneti a leghe di terre rare come neodimio-boro o samariocobalto, elettroniche di commutazione, e le strette tolleranze per la realizzazione dei
componenti rappresentano il più grande ostacolo per la scelta di questi motori.
Driver di comando: come i motori stepper, questo tipo di motore necessita di essere
accociato ad un driver di comando che, oltre ad incidere sul consumo complessivo
dell'azionamento, incide anche sul costo.
3.Motori passo – passo
3.1.Principio di funzionamento
Questa tipologia di motori a corrente continua risulta utile quando sono richieste, al posto di alte
coppie o velocità, rotazioni di angoli finiti con buona precisione.
A differenza dei due casi precedenti, il motore passo – passo ha lo scopo di mantenere fermo il
rotore in una definita posizione di equilibrio. E' possibile ottenerne la rotazione solo indirettamente,
inviando al motore una sequenza precisa di impulsi in modo da ruotare l'albero da una posizione di
equilibrio alla successiva.
Nei motori passo – passo possiamo distinguere due principi di funzionamento
1) Funzionamento per minima riluttanza
2) Funzionamento per forze magnetiche
Nel funzionamento per minima riluttanza, il rotore è realizzato in materiale ferromagnetico, con
sezione trasversale non circolare, con due o più prolungamenti verso lo statore. Alimentando una
coppia di avvolgimenti statorici, di genererà un campo di induzione magnetica tra i due; tra loro è
posto il rotore, il quale si posisionerà in modo da portare al minimo la riluttanza magnetica del
circuito magnetico venuto a crearsi.
Nel funzionamento per forze magnetiche, il rotore è realizzato in magnete permanente con una
coppia di poli. Alimentando una coppia di avvolgimenti, il rotore andrà a posizionarsi in modo da
allinerare le sue polarità con quelle assunte dagli avvolgimenti alimentati, spinto dalle forze
magnetiche.
In base a questi due principi sono realizzate le tre più importanti tipologie di motori passo – passo,
illustrate nel seguente paragrafo.
26
3.2.Configurazione
In un motore passo – passo, lo statore è costituito da avvolgimenti che vengono alimentati
singolarmente durante il funzionamento mentre il rotore è realizzato in ferro dolce o con magneti
permanenti, o una combinazione dei due. Alimentando il singolo avvolgimento ( detto fase ) è
possibile variare la direzione del rotore ottenendo la rotazione desiderata. Il più piccolo
spostamento ottenibile del rotore prende il nome di passo. Il numero di passi ottenibili può variare
da 200 a 400 per motori bifase e tra 500 e 1000 per i motori a cinque fasi; è possibile arrivare fino
a 10000 passi con accorgimenti sull'elettronica ( microstepping ). E' possibile utilizzare questi
motori anche per fornire in uscita un certo numero di giri.
Possiamo definire tre tipi di motore passo – passo ( o stepper ):
1) Motore stepper a riluzzanza variabile
2) Motore stepper a magneti permanenti
3) Motore stepper ibrido
Tutte e tre le tipologie elencate hanno comunque nella maggior parte dei casi la medesima
configurazione, ossia uno statore ( esterno ) su cui vengono realizzati gli alloggiamenti ( denti ) per
gli avvolgimenti ed un rotore ( interno ) realizzato in determinati materiali ferromagnetici. I denti
dello statore sono sempre realizzati diametralmente opposti l'uno all'altro in modo da poter
realizzare delle coppie avvolgimenti contrapposti, che una volta alimentate definiscano una
direzione di chiusura del circuito magnetico definito dallo statore. Chiamiamo fasi il numero di
direzioni definite dalle coppie di avvolgimenti contrapposti. In tutti e tre i casi elencati inoltre viene
associata un'elettronica di controllo in modo da alimentare di volta in volta, anche in rapida
sequenza, gli avvolgimenti relativi.
Motore stepper a riluttanza variabile
Il motore passo passo a riluttanza variabile ha un rotore in ferro dolce che tende a posizionarsi di
volta in volta secondo l'angolo di minor riluttanza. A causa delle scarse prestazioni in termini di
coppia e di rendimento, il motore passo a riluttanza variabile e impiegato raramente; inoltre
l'assenza di magneti permanenti fa si che il motore non sia dotato di coppia di mantenimento
percio, in caso di mancanza di tensione, il rotore non e in grado di mantenere in posizione
Funzionamento di un psso – passo a riluttanza varialbile ( www.sapiens.itgo.com )
l'eventuale carico. Si può notare dall'immagine che è possibile, con determinati accorgimenti,
ottenere anche posizioni intermedie tra i denti ( si parla in questo caso di funzionamento a mezzo
passo ). Si osservi inoltre che lo statore ed il rotore sono realizzati in modo che quando il rotore
27
raggiunge il perfetto allineamento con uno degli avvolgimenti non sarà allineato con gli altri:
tipicamente lo statore possiede una coppia di denti in più rispetto al rotore.
Motore stepper a magnete permanente
Nei motori a magnete permanente, il rotore è cilindrico, costituito da un magnete permanente
costituito da due o più coppie polari. Avento il rotore polarità ben definite e sapendo che
l'allineamento si ottiene solo quando i poli rotorici hanno polarità inversa rispetto i poli statorici, è
necessario che il verso di percorrenza della corrente negli avvolgimenti possa essere invertito.
Questa particolarità differenzia il dispositivo di commutazione, che dovrà appunto permettere il
cambio di verso di percorrenza.
Particolarità rispetto al precedente è la magnetizzazione residua dei denti, che conferiscono un
certo momento resistente ( detto anche coppia redidua, o detent torque ) anche quando il motore
non è alimentato. Questo motore non è particolarmente preciso ed è prodotto per realizzare
suddivisioni limitate di passi; è utilizzato quando non sono richieste particolari prestazioni di coppia
Struttura di un motore passo – passo a magnete permanente ( www.scritub.com )
e numero di giri, come le testine per le stampanti ad aghi ed i floppy disk.
Motori ibridi
I motori ibridi sono un mix delle tue tipologie precedenti: il rotore è il classico rotore in ferro dolce,
ma alle sue estremità sono posti dei magneti permanenti. Questa è la tipologia di motore stepper
più utilizzata perchè quella a più alte prestazioni.
Nella configurazione più classica, il rotore presenta un magnete permanente magnetizzato in
senso assiale, cioe parallelamente all'asse di rotazione. Alle estremita del magnete sono calzati
due cappelli dentati uguali, uno con polarizzazione nord e l'altro con polarizzazione sud. I due
cappelli presentano dentature sfasate reciprocamente di mezzo passo angolare della dentatura
stessa. Anche sui denti dello statore viene ricavata una dentatura.
Configurazione di un motore
passo – passo ibrido
( http://www.electroyou.it )
28
Motore passo – passo ibrido ( www.larapedia.com )
3.2.1.Modalità di funzionamento
Esistono tre modalità di funzionamento. Il discorso è analogo indifferentemente dal numero di fasi;
a titolo d'esempio, in un motore passo – passo a due fasi A, B :
1) Funzionamento a passo intero: in ogni passo rotore e avvolgimento alimentato sono
perfettamente allineati. Vi saranno allora 4 posizioni: A+ , B+, A-, B-. In tutti e quattro i casi
l'intensità di corrente è la stessa.
2) Funzionamento a mezzo passo: oltre alle quattro posizioni di passo intero si realizzano
altre 4 posizioni intermedie alimentando due avvolgimenti in contemporanea. Si distinguono
allora 8 posizioni: A+, A+B+,B+, A-B+, A-, A-B-, B-, A+B-. Da notare che nelle posizioni
intermedie,dato il non effettivo allineamento con il campo di induzione, l'intensità di corrente
deve essere maggiore per poter ottenere la stessa coppia di tenuta delle posizioni base.
3) Funzionamento a microstep, o microstepping: Sfruttando la differenza di intensità di
corrente tra le posizioni di mezzo passo e quelle di passo intero, è possibile legare le
intensità di alimentazione degli avvolgimenti alla posizione del rotore con due leggi
sinusoidali:
M A = k I o cos 
M B = k I o sin  
dove:
•
•
 : posizione angolare del rotore
M A , M B : Coppie di tenuta dei singoli avvolgimenti. La loro somma vettoriale
fornirà la coppia di tenuta, la quale è costante per ogni angolo  del rotore.
k : Costante di coppia del motore
I o : Intensità di corrente nominale
•
•
Con questo metodo è possibile ottenere un numero teoricamente infinito di posizioni intermedie tra
un passo ed il successivo. I limiti sono dati dall'elettronica di comando: alcuni driver ( di alto
costo ) possono arrivare anche ad un passo nell'ordine del μrad, oltre, l'accuratezza non è
garantita e la coppia di tenuta non è stabile.
3.3.Coppia
Per questa tipologia di motore, assume particolare importanza l'analisi del comportamento statico.
Dato un motore stepper in una determinata posizione di equilibrio, in assenza di coppia esterna
( Coppia resistente Cr =0) la coppia motrice Cm sarà nulla. Applicando in maniera quasi statica
valori via via crescenti di coppia resistente noteremo il corrispettivo aumento ci coppia motrice. Ad
un determinato valore di coppia resistente, chiamato holding torque, o coppia di mantenimento o di
tenuta ( CH ), la coppia motrice non sarà più in grado di controbilanciare, e perderà il passo. Fatte
queste considerazioni, la coppia motrice dovrà ripettare la seguente equazione:
29

0 − m]
2 p
C m=Coppia Motrice
C H =Coppia di Mantenimento
 p =angolo di passo
0=angoloa coppia resistente nulla C r=0
m=angoloa 0C rC H
C m = C H sin[
Notiamo allora che la coppia motrice è legata all'angolo αm da una legge sinusoidale:
Per quanto riguarda il funzionamento a regime, pilotando un sistema azionamento a frequenza di
commutazione delle fasi costante f, si ottiene un funzionamento del motore a regime ad una
velocita corrispondente alla frequenza f di pilotaggio. Assume importanza la massima coppia
resistente che può sostenere il motore, avente in questo ambito il nome di coppia di pull-out. Tale
coppia è legata alla frequenza degli impulsi che alimentano gli avvolgimenti statorici, e diminuisce
man mano che la frequenza ( e dunque la velocità di rotazione ) aumenta. Inoltre, per
problematiche relative alla risonanza, la curva presenta dei cali drastici in prossimità di particolari
valori di frequenza.
30
3.4.Pregi e difetti
Pregi
– Controllo a circuito aperto: Semplice controllo della posizione e rotazione ottenibile in un
ampio numero di giri. Il circuito di regolazione aperto evita la dispendiosa rilevazione del
valore reale della posizione e della velocità.
– Coppia di tenuta a motore fermo : Il motore passo passo ibrido e a magneti permanenti
possiede posizioni di arresto che fissano il rotore nella posizione nominale con un momento
di tenuta ( coppia Cm )
– Lunga durata:Elevata durata grazie ad una struttura meccanica semplice; usura ridotta al
minimo tramite commutazione senza spazzole
– Doppio senso di rotazione: Il senso di rotazione può essere invertito semplicemente
rovesciando la sequenza degli impulsi di alimentazione degli avvolgimenti
– Accuratezza buona:L'accuratezza è riferita alla singola posizione angolare: l'errore non è
cumulativo
Difetti
– Pericolo sovraccarichi Perdita di passi sotto l'azione di sovraccarichi ( coppia CH )
– Cali di coppia in funzione della risonanza: Sistema di comando soggetto a vibrazioni che
potrebbero essere causa di instabilità ( coppia di pull-out ). I driver recenti per motori
stepper prevedono un sistema di anti-risonanza per ridurre questo problema.
– Necessità di elettronica dedicata:Per realizzare le sequenze di impulsi di comando, tra
l'alimentazione in continua ed il motore è interposto un dispositivo di commutazione, in
genere comandato da un controllore a logica programmabile ( PLC )
3.5.Tipici range
La potenza per i motori passo passo tradizionali copre un range che può andare all'incirca da 3~4
W a 1,6 ~ 1,7 kW, in funzione dell'intensità di corrente di alimentazione degli avvolgimenti, la quale
cresce in proporzione al voltaggio. Intensità maggiore richiede dimensioni maggiori per evitare
eccessiva dissipazione di potenza ( e aumento di calore ) per effetto joule.
Potenza
3 ~ 2000 W
Velocità di rotazione ( a vuoto )
Fino a 2700 giri / min
Coppia di tenuta
0,1 ~ 25 Nm
Risoluzione ( passo intero )
0,9 ~ 1,8 °/passo
Accuratezza
+/- 5%
Massa
0,2 ~ 10 kg
Inerzia rotore
2 10-6 ~ 25 10-4 kg m2
Range di temperatura
- 20 ~ + 50 °C
Volume
150 ~ 3000 cm3
3.5.1.Motori stepper presenti sul mercato
Per l'esame dei tipici campi di funzionamento per i motori passo passo sono stati presi in
considerazione il motore passo passo ibridi di più piccole dimensioni d'ingombro, proposti da tre
aziende differenti.
Azienda : RTA S.r.l. ( www.rta.it )
Il gruppo RTA si basa su tre società operative: la capogruppo R.T.A. s.r.l. (ITALIA), fondata nel
1976, R.T.A. Deutschland (GERMANIA), fondata nel 2001 e R.T.A. IBERICA (SPAGNA), fondata
nel 2008.
Produttrice di elementi per il motion control e azionamenti per motori passo-passo.
Il motore passo passo di più piccole dimensioni è il modello “SH2285-5271”, di cui si riportano i
31
dati ritenuti più significativi per la trattazione e la curva caratteristica
Coppia di tenuta CH [ mNm ]
115 mNm
Passo angolare αp [ °]
1,8 +/- 0,09 °
Massa [g]
200 g
2
Momento d'inerzia del rotore [kg m ]
Volume [ cm3 ]
22 10-7 kg m2
40,8 cm3
Azienda: Trinamic ( www.trinamic.com )
Azienda tedesca che produce vari modelli di motori brushless e stepper e relativi azionamenti,
dispositivi di commutazione, driver, interfaccie
Il motore passo passo di più piccole dimensioni è il modello “QMot QSH2818 ”, di cui si riportano i
dati ritenuti più significativi per la trattazione e la curva caratteristica
Coppia di tenuta CH [ mNm ]
Passo angolare αp [ °]
Massa [g]
Momento d'inerzia del rotore [kg m2 ]
Volume [ cm3 ]
60 mNm
1,8 +/- 0,09 °
110 g
9 10-7 kg m2
25,1 cm3
32
Azienda: Pamoco ( www.pamoco.it )
Azienda di Milano che si occupa della distribuzione di componenti e sistemi per l'automazione
industriale, in particolare per il controllo di velocità e posizione di motori elettrici rotativi e lineari. Il
motore passo-passo ibrido di più piccolo ingombro proposto è il modello “P20 2H 1 A 60 4 ”, di cui
si riportano i dati ritenuti più significativi per la trattazione e la curva caratteristica
Coppia di tenuta CH [ mNm ]
Passo angolare αp [ °]
Massa [g]
Momento d'inerzia del rotore [kg m2 ]
Volume [ cm3 ]
88 mNm
1,8 +/- 0,09 °
60 g
2 10-7 kg m2
12,2 cm3
3.6.Motori stepper miniaturizzati
3.6.1.Come
Il motore passo passo miniaturizzato presenta il medesimo principio di funzionamento del motore
passo-passo ibrido, tuttavia presenta una configurazione differente. Possiamo trovare due tipi di
realizzazione di questo attuatore: a due fasi, o a due fasi con disco magnetico.
A due fasi
Il rotore è realizzato come un cilindro cavo di plastica fusa che funge da supporto per due file da 5
coppie di magneti permanenti a terre rare, sfasate tra loro di un passo.
Lo statore è realizzato in due parti, ciascuna delle quali è composta da un'armatura che avvolge il
rotore con cinque piastrine poste simmetricamente secondo la sezione trasversale. Tale armatura
è alimentata da un avvolgimento costituito da un nastro di rame. Le due parti siffatte sono
realizzate in modo da compenetrarsi. A chiudere il circuito ferromagnetico, uno statore interno a
cinque piastrine, della stessa posizione angolare di uno dei due statori esterni.
Alimentato uno dei due avvolgimenti, le piastre d'armatura alimentata costituiranno con il rotore dei
circuiti ferromagnetici, che andranno a chiudersi seguendo la via che presenta meno riluttanza: il
rotore si allineerà con l'armatura secondo la fila di magneti rotorici più vicina. Chiudendo
l'alimentazione del primo ed alimentando l'altro, accadrà il medesimo fenomeno, ma per trovare la
via con meno riluttanza saranno i magneti della seconda fila ad allinearsi. Il rotore ha compiuto un
passo.
33
1) Anello di contenimento
2) Guarnizione
3) Commutatore
4) Cuscinetto a sfere
5) Armatura 1
6) Avvolgimento fase A
7) Statore interno
8) Rotore
9) Magnete
10) Albero
11)Alloggiamento
12)Avvolgimento fase B
13) Armatura 2
Assemblato di un micromotore stepper a due fasi
( http://www.micromo.com/ecatalog/index.html#/244 )
Con disco magnetico
In questa realizzazione, il rotore è un disco magnetico magnetizzato in modo da ottenere dieci
polarità. Il disco, essendo piatto e simmetrico assialmente, gode di un basso momento d'inerzia, e
dnque questa realizzazione permette di raggiungere accelerazioni elevate.
Lo statore è costituito da due coppie di avvolgimenti in rame, che vengono alimentate in sequenza.
Ad ogni cambio coppia, corrisponde l'avanzamento di un passo.
1) Anello di contenimento
2) Commutatore
3) Statore
4) Avvolgimento
5) Alloggiamento
6) Guaina metallica
7) Disco magnetico
8) Albero
9) Coperchio
10) Boccola sinterizzata
34
Assemblato di un micromotore stepper a disco magnetico
( http://www.micromo.com/ecatalog/index.html#/244 )
3.6.2.Perchè
A differenza dei motori passo-passo convenzionali, questi motori possono hanno dimensioni molto
più ridotte, fino a 6 mm di diametro con 10mm di lunghezza della cassa, ma accuratezza minore
sugli spostamenti angolari, pari al 10% invece del 5%. Inoltre le ridotte dimensioni, legate alla
piccola massa ed inerzia rotorica permettono accelerazioni e velocità angolari molto superiori
rispetto ai motori passo – passo visti in precedenza. In numerose applicazioni come la robotica o
l'automazione, spesso è richiesto, oltre che minor peso e ingombro, piccolo tempo di risposta.
3.6.3.Pregi e difetti
Pro
–
–
–
–
Dimensioni ridotte: Sono molto più piccoli e leggeri dei motori passo – passo tradizionali
Maggiore velocità: La velocità massima di rotazione è più bassa che nei mini DC o DC
brushless, però è comunque più alta della massima velocità ottenibile nei passo – passo
Tempi di risposta rapidi: Legata alle piccole dimensioni e piccola massa, la bassa inerzia
rotorica, che permette di ottenere tempi di risposta e accelerazioni elevate
Errore non cumulativo: L'accuratezza è riferita alla singola posizione angolare.
Contro
– Alto costo: come per gli altri modelli miniaturizzati visti, per realizzare questi motori si
richiedono magneti in terre rare oltre che strette tolleranze di lavorazione.
– Accuratezza: è più bassa rispetto a quella ottenibile con i motori passo – passo, per via
della configuarazione più compatta
– Precisione più bassa rispetto i motori passo – passo . In necessità di aumentare la
precisione, è comunque possibile in linea di massima impiegare un'elettronica di
microstepping.
3.6.4.Caratterisctiche
Le caratteristiche tipiche dei motori stepper miniaturizzati sono le seguenti:
Potenza
0,05 ~ 5 W
Velocità di rotazione ( a vuoto )
Fino a 20000 giri/min
Coppia di tenuta
0,1 ~ 25 mNm
Risoluzione ( passo intero )
15 ~ 18 °/passo
Accuratezza spostamento angolare
+/- 5 ~ 10 %
Massa
1 ~ 60 g
Inerzia rotore
0,007 10-7 ~ 2,53 10-7 kg m2
Volume
0,25 ~ 12 cm3
3.6.5.Motori stepper miniaturizzati presenti sul mercato
Prendiamo in considerazione tre azionamenti di minime dimensioni di tipo microstepper presenti
sul mercato
35
Azienda: Micromo
Membro del gruppo Faulhaber, si occupa della realizzazione di azionamenti di piccole dimensioni
di vario genere, dai lineari ai rotativi ai passo-passo.
Di questa azienda si considereranno un modello a due fasi e uno a due fasi con disco magnetico.
Il primo motore mini stepper che andiamo a considerare è il motore a due fasi “Am1020-A-0,25-8”,
di cui si riportano i dati ritenuti più significativi e la curva caratteristica
Coppia di tenuta CH [ mNm ]
1,6 mNm
Passo angolare αp [ °]
1,8 +/- 1,8 °
Massa [g]
5,5 g
Momento d'inerzia del rotore [kg m2 ]
9 10-9 kg m2
Volume [ cm3 ]
1,24 cm3
Il secondo motore mini stepper che andiamo a considerare è il modello a due fasi con disco
magnetico “ ADM0620-2R-V2 ” di cui si riportano i dati ritenuti più significativi e la curva
caratteristica
Coppia di tenuta CH [ mNm ]
0,2 mNm
36
Passo angolare αp [ °]
18 +/- 0,09 °
Massa [g]
1,4 g
Momento d'inerzia del rotore [kg m2 ]
0,7 10-9 kg m2
Volume [ cm3 ]
0,27 cm3
Azienda: Nidec Sankyo ( http://www.nidec-sankyo.co.jp/english/index.html )
La Nidec Sankyo fa parte della CMI corporation, situata in Giappone. La Sankyo in particolare
produce contatti elettrici, motori miniaturizzati e compoenenti in una lega sinterizzata di tungsteno
chiamata AMBILOYR. Il motore microstepper che consideriamo è il modello “MDSU”, di cui si
riportano i dati ritenuti più significativi e la curva caratteristica
Coppia di tenuta CH [ mNm ]
0,06 mNm
Passo angolare αp [ °]
18 +/- 1,8 °
Massa [g]
0,4 g
2
Momento d'inerzia del rotore [kg m ]
3
Volume [ cm ]
n.p.
0,04 cm3
37
CAPITOLO 2
Motori innovativi: piezoelettrici
1.Principio dell'effetto piezoelettrico
Per introdurre le proprietà piezoelettriche, si inizia dicendo che tutti i materiali dielettrici presentano
nella loro struttura un equilibrio di cariche elettriche, costituite da atomi parzialmente ionizzati. Se
sottoponiamo questi materiali ad un campo elettrico, gli atomi al loro interno si disporranno in
modo da contrastare il capo esterno; questo fenomeno prende il nome di “polarizzazione”. Tra i
materiali dielettrici, ce ne sono alcuni che mantengono la polarizzazione una volta cessata l'azione
del campo elettrico; questo fenomeno è detto “isteresi magnetica” ed è tipico dei materiali
ferroelettrici. I materiali piezoelettrici hanno la particolare proprietà di polarizzarsi sotto l'effetto di
una deformazione e viceversa di deformarsi sotto l'effetto di un campo elettrico: questa proprietà è
definita come “effetto piezoelettrico”, ed è dovuto alla particolare struttura cristallina, la quale lega
tra loro le proprietà elettriche e la deformazione. A livello formale possiamo distinguere due tipi di
effetto piezoelettrico:
Effetto piezoelettrico diretto: il materiale ( o cristallo ) subisce una deformazione da parte di forze
esterne e questo si carica elettricamente.
Effetto piezoelettrico inverso: il cristallo viene caricato elettricamente per mezzo di un campo
elettrico esterno e questo si deforma .
Esempio di ottenimento di un cristallo piezoelettrico
Consideriamo ad esempio lo zirconatotitanato di piombo ( PZT )
Sopra la temperatura di Curie, il reticolo cristallino è costituito da una cella elementare cubica a
facce centrate ( CFC ) con atomi metallici ai vertici; al centro delle faccie vi sono atomi di ossigeno
ed un atomo centrale di maggiore massa atomica. Sopra e sotto rispetto all'atomo centrale vi sono
degli interstizi ottaedrici caratterizzati da valore energetico minore della posizione centrale.
Applicando un intenso campo elettrico e abbassando la temperatura, ne risulta un reticolo
“sbilanciato”, dove l'atomo centrale si è spostato in uno dei due interstizi, creando uno squilibrio di
carica nel reticolo:
1) Reticolo sopra la temperatura di Curie
2) Reticolo sotto la temperatura di Curie
( www.physikinstrumente.com )
Tuttavia non si osservano ancora effetti macroscopici in quanto l’orientamento globale non è
uniforme, ma spezzettato in tanti piccoli gruppi di celle, i cosiddetti Domini di Weiss. Applicando
però uno forte campo elettrico è possibile ottenere un unico allineamento per tutti i domini di
Weiss, che rimarrà permanente data la natura ferroelettrica del materiale; questo processo prende
38
il nome di “poling”. Il materiale così ottenuto gode di proprietà piezoelettriche. Tra l'altro, se
ottenuto artificialmente gli effetti piezoelettrici sono molto più intensi rispetto ai cristalli che si
trovano in natura, poiché per questi ultimi l'orientamento globale dei domini è molto meno
uniforme.
1) Domini prima della polarizzazione 2) Domini durante 3) Domini dopo la polarizzazione
( www.physikinstrumente.com )
L'effetto piezoelettrico dipende oltre che dagli elementi costituenti il reticolo, anche dalla
sollecitazione esterna e dalla temperatura. E' importante tenere presente la temperatura di cambio
reticolo, o temperatura di Curie. Si verifica sperimentalmente infatti che la polarizzazione del
materiale diminuisce quadraticamente con la temperatura fino ad un valore limite (temperatura di
Curie) oltre il quale la polarizzazione si annulla. Riducendosi la polarizzazione si riduce anche
l’effetto piezoelettrico, fino ad annullarsi per temperature superiori alla temperatura di Curie. Inoltre
con una sollecitazione di compressione eccessiva, l'orientazione dei domini di Weiss risulta
compromessa, e l'effetto piezoelettrico diminuisce drasricamente.
Alcuni cristalli presenti in natura come quarzo, topazio, tormalina presentano già una struttura a
comportamento piezoelettrico. Tuttavia negli utilizzi attuali i cristalli piezoelettrici vengono
soprattutto prodotti artificialmente, alcuni esempi sono il solfato di litio e i piezoceramici come il
titanato di bario, il titanato di piombo, ma soprattutto lo zirconatotitanato di piombo, o PZT .
Questi materiali hanno trovato negli anni gli utilizzi più svariati; in particolare per la realizzazione di
azionamenti per l'automazione, data la semplicità di realizzazione e alla elevata efficienza per
versioni miniaturizzate, dato che l’effetto piezoelettrico non è influenzato da fattori di scala.
2.Utilizzo di tale principio per la realizzazione di motori
Mentre la forza generata può arrivare anche a diverse centinaia di Newton, i campi di tensione e
deformazione per un cristallo piezoelettrico sono molto ristretti: si parla di circa +/- 40 V come
tensione corrispettiva delle massime deformazioni, che in genere non superano lo 0,1%: si parla di
deformazioni nell'ordine dei micron, non utilizzabili direttamente in campo applicativo. Le tecniche
principali per amplificare le deformazioni sono 3
1) Struttura unimorfa, composta da un elemento piezoceramico incollato su un supporto
passivo di maggiori dimensioni. La deformazione dell’elemento piezoelettrico causa una
deformazione dell’intera struttura, amplificando il moto prodotto.
( www.ece.scsu.edu )
39
2) Struttura bimorfa. viene ottenuta saldando due elementi piezoelettrici in modo che diano
luogo ad opposte deformazioni quando sottoposti alla stessa tensione, in modo da causare
un incurvamento dell’intera struttura. Lo spostamento prodotto da una struttura bimorfa `e
molto più elevato rispetto a quello di una struttura unimorfa
( www.ece.scsu.edu )
3) Struttura stack, composta da centinaia di elementi piezoelettrici connessi meccanicamente
in serie ed elettricamente in parallelo, in modo da generare spostamenti fino a qualche
centinaio di micron, con tensioni relativamente contenute.
( www.piezo.ws )
2.1.Motori piezoelettrici lineari
Esistono varie tipologie di realizzazione di questi motori. In questo ambito si citano le tre più
diffuse:
PiezoWave
Quando stimolati elettricamente, gli elementi piezoelettrici oscillano a frequenze ultrasoniche,
causando il moto ellittico dei cuscinetti di guida, usati per trasferire il moto dagli elementi
piezoelettrici al binario; quest’ultimo sarà in contatto coi cuscinetti solo per metà del ciclo e dunque
si muoverà di un passo avanti o indietro ad ogni ciclo elettrico. La molla è utilizzata per creare la
forza di attrito tra binario e cuscinetti.
( www.medicaldesign.com )
40
Caratteristiche
– Struttura molto semplice e pochi elementi costruttivi: ciò permette di ottenere una struttura
robusta che mantiene alte le prestazioni sotto diverse condizioni ambientali, vibrazioni, urti.
– Interfaccia elettronica richiede semplicemente due onde di tensione di forma arbitraria e
controllo minimo delle frequenze
– Bassa potenza assorbita
Inchworm
Due pinze ed un elemento di collegamento tra le due sono realizzate in materiale piezoelettrico.
Usando le pinze per bloccare o liberare e l'elemento estensibile per muovere l'elemento mobile, è
possibile ottenere un movimento passo-passo di un asta. Invertendo la sequenza di alimentazine
si inverte anche il senso del moto
( www.en.wikipedia.org )
Caratteristiche
– Forza di spinta da 20 a 50 N
– Velocità fino a 20 mm/s
– Potenza bassa, fino a 12 W massimi
– Fornisce spostamenti dell'ordine dei micron con alta accuratezza
Piezo Legs
Il moto è realizzato per mezzo di quattro o più coppie di “gambe” piezoelettriche in serie lunghe
uguali su cui è posto l'elemento motore. Le gambe vengono mosse a coppie in modo
sincronizzato. La singola gamba del sistema è un attuatore piezoelettrico bimorfo, di cui viene
alimentata solo una parte per volta. Applicando una tensione ai capi di una faccia, questa si
espande mentre l’altra mantiene la sua forma causando così la flessione della gamba e
producendo il movimento lineare. D’altra parte se è applicata la stessa tensione da entrambe le
41
parti, l’attuatore si espande bloccando così il movimento
( www.machinedesign.com )
Caratteristiche:
– Ha permeabilità molto bassa e trova la sua ideale applicazione in tutti quei campi dove non
sono concesse interazioni con campi magnetici.
– Il motore pu`o essere utilizzato in modalit`a full step, shorter steps o micro-steps fornendo
così una risoluzione nel campo dei nanometri, infatti, Il passo delle gambe del motore può
essere variato tra micrometri e le decine di nanometri.
– Il motore può esercitare forze di spinta fino a 10 N
2.2.Motori piezoelettrici rotativi
Nonostante esista una grande varietà di realizzazioni di un motore rotativo utilizzando questa
tecnologia, possiamo comunque distinguere due categorie: motori ultrasonici, e motori pilotati con
segnali impulsivi
2.2.1.Motore ultrasonico
Come ogni macchina elettrica, lo scopo di un motore piezoelettrico è tradurre l'energia elettrica
fornita in energia di movimento. Un motore di tipo rotativo che sfrutta il principio piezoelettrico è il
motore ultrasonico ad onda dinamica.
Un motore ultrasonico sfrutta l'effetto piezoelettrico inverso per convertire l'energia elettrica in
energia meccanica di vibrazione, e successivamente le vibrazioni dello statore sono convertite
nella rotazione dello statore per mezzo dell'attrito fra i due.
Il punto focale nella trasmissione del moto tra statore e rotore sta nella dinamica del contatto tra i
due. Lo statore è un anello realizzato in acciaio o in altro materiale che abbia ottima capacità di
trasmettere le vibrazioni; questo è montato su un anello piezoelettrico di uguale dimensione che
42
riceverà l'alimentazione. Le vibrazioni vengono generate dalla contemporanea applicazione di due
tensioni sinusoidali in quadratura tra loro.
Il rotore è un anello rigido dello stesso diametro interno ed esterno dello statore, posto sopra di
esso. Il contatto con lo statore durante il movimento non avviene allora su tutta l'area, ma solo
sulle “creste” delle onde dinamiche: in questo modo il rotore è fatto ruotare nel senso opposto
all'andamento delle onde. Per migliorare l'attrito e quindi la coppia trasmessa, sullo statore sono
realizzati dei denti di presa, su cui è posto un materiale di frizione.
Nella figura sottostante si può notare come la dinamica del contatto faccia muovere il rotore in
senso opposto a quello dell'andamento dell'onda
Rotore
Direzione movimento rotore
Statore
Movimento ellittico della
punta del dente
Direzione movimento onda
Esempio di configurazione finale di un motore ultrasonico ( prodotto da Shinsei corp. )
Albero
Coperchio
Connettore
Cuscinetto
Materiale di frizione
Rotore
Statore
Ceramico piezoelettrico
Base
2.2.1.1.Campi e caratteristiche
Si riportano le principali caratteristiche
Potenza
1 ~ 10 W
Coppia
0,01 ~ 0,5 Nm
Coppia Max
0,01 ~ 1 Nm
Velocità Max ( a vuoto )
100 ~ 300 giri/min
Range di temperatura
-10 ~ 50 °C
Massa
6 ~ 500 g
Volume
10 ~ 20 cm3
La struttura compatta e le particolari caratteristiche di questo motore lo rendono adatto per
applicazioni come robotica, telefoni cellulari e fotocamere, applicazioni per il settore aerospaziale,
sistema di posizionamento di precisione, strumenti ottici e medici.
43
2.2.1.2.Motori ultrasonici presenti sul mercato
A titolo d'esempio prendiamo in considerazione un motore ultrasonico prodotto dalla Shinsei corp.
Il modello più piccolo è il “USR30-S1 “, di cui si riportano i valori ritenuti più significativi e la curva
caratteristica:
Coppia nominale [ mNm ]
29 mNm
Coppia massima [mNm ]
29 mNm
Velocità massima a vuoto [ giri / min ]
37 giri / min
Massa [ g ]
50 g
3
Volume [ cm ]
11,8 cm3
Si nota subito che questo attuatore ha coppia massima quando i giri sono minimi. Al contrario che
nei motori visti fino ad ora.
2.2.1.4.Vantaggi e svantaggi
Vantaggi
1) Struttura semplice: la struttura di questo tipo di attuatore è molto più semplice di quella dei
motori miniaturizzati o dei tradizionali, il che li rende ottimi per applicazioni miniaturizzate.
2) Coppia alta a basse velocità: accuratezza di posizionamento e velocità di risposta a basse
velocità sono migliori rispetto i motori elettromagnetici convenzionali, poiché in questi ultimi
a bassi regimi la coppia è bassa perciò soffrono di più i ritardi dovuti all'inerzia rotorica.
3) Rapidità di risposta: il sistema di movimentazione per attrito permette di raggiungere la
velocità di regime in tempi di millisecondi, e bloccarsi con altrettanta velocità
4) Assenza di campi magnetici: questi motori non generano campi magnetici e non ne
vengono influenzati in alcun modo
5) Bassa rumorosità: la frequenza di vibrazione di movimentazione del rotore è superiore ai
20 kHz, oltre la massima frequenza precettibile dall'orecchio umano. Inoltre non si
utilizzano mai riduttori di velocità, i quali per loro natura contribuiscono alla rumorosità.
Svantaggi
44
1) Piccola potenza di uscita, bassa efficienza: i motori ultrasonici hanno due processi di
conversione di energia. Il primo traduce energia elettrica in energia meccanica per effetto
piezoelettrico inverso. Il secondo traduce le microonde di vibrazione sull'anello statorico in
una singola macrorotazione del rotore per mezzo dell'attrito tra i due. Questi due processi
non sono esenti da perdite, in particolare il secondo. Come conseguenza, tut'ora la potenza
di uscita non supera i 50 W , e l'efficienza è intorno al 30%
2) Vita utile ridotta, non adatto a lavoro continuativo: l' attrito tra statore e rotore da problemi di
usura dei materiali. Inoltre le vibrazioni ad alta frequenza possono portare il rotore e i
componenti piezoelettrici a rottura per fatica, in particolare quando la potenza da fornire è
alta e la temperatura è alta. Di conseguenza le caratteristiche calano dopo sforzi
continuativi, e la vita utile è minore dei motori convenzionali
3) Segnale d'ingresso ad alta frequenza: La frequenza di eccitazione è regolata sulla
frequenza di risonanza delle vibrazioni libere dello statore. La velocità di rotazione del
rotore è strettamente legata all'ampiezza e fase della vibrazione dello statore: allora le
tensioni di alimentazione necessitano di precisa regolazione di ampiezza e frequenza, e di
un sistema di controllo e correzzione del segnale in base alla variazione di temperatura. I
driver i di comando dei motori ultrasonici sono quindi molto complessi.
2.2.2.Motore a segnali impulsivi, o “pulse drive”
Si tratta di una variante dei motori di tipo piezo legs lineari, che sfrutta il medesimo principio, ma le
gambe sono poste per imprimere una rotazione. Come del motore a onda dinamica, è l'attrito tra
statore e rotore a trasmettere la coppia. La rotazione del rotore è allora sequenziale: è possibile
inviare una precisa sequenza di impulsi al fine di ottenere una rotazione finita, come nei motori
passo-passo.
Motore Barth
Uno dei motori piezoelettrici rotativi di questo tipo è il motore Barth. Questo motore utilizza degli
elementi allungabili ( sotto azione piezoelettrica ) che vanno a contatto ripetutamente con il bordo
di un disco, che ruoterà per la coppia formata dalla forza di attrito. Il verso di rotazione può essere
variato installando un attuatore dalla parte opposta.
Rotazione
oraria,
controllata
dall'attuatore
di sinistra
Rotazione
antioraria,
controllata
dall'attuatore
di destra
Utilizzzando questo principio, si realizza il motore Barth, mosso da una coppia di elementi statorici
detti “corna”. Ciascuno di questi sarà azionato da una pila di elementi piezoelettrici, tenuti in
posizione da una membrana precaricata
45
Pila piezoelettrica
Alloggiamento
pretensionato
Membrana
precaricata
Corno
Esempio di configurazione finale per motore Barth
Si realizzano, per aumentare la coppia fornita, configurazioni di due o più coppie di corna che
andranno a contatto con il disco rotorico, realizzati in lega di titanio Ti-6Al-4V.. Alimentando tali
elementi a coppie sarà possibile ottenere la rotazione
Da notare che per dare la possibilità della rotazione nel verso contrario, viene montato un altro
statore sotto al primo, di struttura speculare; il rotore ha spessore sufficiente per essere in contatto
con entrambi.
Statore
Rotore
Statore
speculare
sottostante
Particolarità di questi motori è la struttura piatta e compatta: il motore si sviluppa pricipalmente sul
piano. Inoltre, si presta bene alla miniaturizzazione.
2.2.2.1.Campi e caratteristiche
46
Numero di giri a vuoto
10 ~ 30 giri / min
Coppia nominale
20 ~ 100 mNm
Incertezza
+/-0,05 ~ +/-0,1 mrad
Passo angolare
0,1 ~ 200 mrad
Massa
20 ~ 100 g
Volume
5 ~ 50 cm3
Range di temperatura
- 20 ~ 80 ° C
2.2.2.2.Vantaggi e svantaggi
Vantaggi
1) Struttura semplice: come per i motori ultrasonici, la struttura è molto meno complessa; è
possibile allora realizzare modelli di dimensioni molto più piccole dei motori convenzionali.
2) Risoluzione: l'avanzamento per ogni singolo azionamento è legato all'allungamento della
“pila” piezoelettrica, quindi molto piccolo, dell'ordine dei μrad.
3) Forma piatta: il motore Barth si sviluppa in forma piana, a differenza della convenzionale
forma cilindrica. In alcune applicazioni questa forma permette di sfruttare meglio gli spazi.
Svantaggi
1) Range limitato di temperatura: il motore e soprattutto gli organi statorici sono costituiti da
leghe metalliche, caratterizzate dal fenomeno della dilatazione termica. Tali allungamenti o
restringimenti sono dello stesso ordine di quelli provocati dai piezoelettrici, e possono
creare eccessivi giochi o interferenze tali da compromettere il funzionamento.
2) Necessario driver di controllo: Il segnale di alimentazione è costituito da una tensione
sinusoidale con frequenze da 100 Hz a 300 kHz per ogni coppia di corna. C'è pericolo che
queste tensioni sinusiodali portino a far vibrare il rotore con la sua frequenza di risonanza,
provocando disturbi e discontinuità della coppia fornita. E' allora necessario un driver di
comando che fornisca l'esatta frequenza rihiesta ai segnali d'ingresso e di conseguenza al
rotore; tale driver inciderà sull'ingombro e sul costo.
3) Tempo di lavoro limitato: durante il funzionamento, gli organi statorici ( corna ) sono
sottoposti ad un leggero momento flettente ma tale momento è ciclico, con frequenze
anche di centinaia di kHz, pulsante dallo zero. Questo porta alla formazione di cricche per
fatica con conseguente progazione e cedimento di uno degli organi statorici entro un certo
numero di ore lavorative.
47
2.2.2.3.Motori di tipo “pulse drive” presenti sul mercato
A titolo d'esempio consideriamo il motore pulse drive prodotto dalla “Piezo motor”
Il motore più piccolo proposto è il modello “EN LR17 PMU” di cui si riportan i dati ritenuti
significativi per la trattazione e la curva caratteristica
Forma d'onda a
rombo
Forma d'onda a
delta
Valori minimi
Coppia nominale [ mNm ]
30 mNm
Coppia massima [mNm ]
30 mNm
Velocità massima a vuoto [ giri / min ]
28 giri / min
Passo angolare [ mrad ]
0,7 +/- 0,2 mrad
Massa [ g ]
50 g
3
Volume [ cm ]
11,8 cm3
48
CAPITOLO 3
Confronto
Sono state prese in considerazione diverse soluzioni per la scelta di attuatori di piccole dimensioni,
valutando in particolar modo le alternative che il mercato propone all'impiego di un motore elettrico
tradizionale a spazzole, senza spazzole o passo-passo.
1.Confronto valori
1.1.Motori DC piccoli / motori DC miniaturizzati
Segue ora il confronto dei valori ritenuti significativi per la trattazione, raccolti dai datasheet dei vari
motori:
TRADIZIONALI
Crouzet Siboni
s.r.l.
MINIATURIZZATI
Poultry Portescap Micromo
Tecno
Maxon
Motor
Tensione di alimentazione [ V ]
12
24
12
2
1,5
1,5
Numero di giri a vuoto [ giri/min ]
4200
2025
2850
7000
19100
18500
Potenza nominale [ W ]
15
23
20
0,5
0,04
0,15
Coppia nominale [ mNm ]
50
110
60
0,64
0,17
0,3
Intensità di corrente nominale [ A ]
2,5
1,0
2,5
0,25
0,29
0,45
Costante di coppia [ mNm / A ]
0,03
0,02
n.p.
2,63
0,69
0,72
Coppia di stallo [ mNm ]
158
120
84
0,42
0,24
0,42
Massa [ g ]
340
2
Momento d'inerzia rotorico [ kg m ]
75 10
Volume [ cm3 ]
Efficienza [ % ]
580
-7
400
-7
32 10
64 10
98,4
100
65
60
3,8
-7
2
-7
2
-7
0,015 10-7
0,03 10
0,01 10
124,7
0,83
0,42
0,55
69
50
52
54
La prima differenza che salta all'occhio nel confronto con i corrispettivi modelli miniaturizzati è il
volume d'ingombro. Per i motori tradizionali l'ingombro più piccolo è quello del modello della
Crouzet con 98,4 cm3, mentre tutti e tre i modelli miniaturizzati presentato volume nettamente
inferiore. Anche massa e inerzia rotorica sono molto più piccole rispetto ai tradizionali; questi tre
aspetti, come il numero di giri a vuoto molto più elevato, è da attribuire senza dubbio alla struttura
compatta e all'assenza dell'armatura nel rotore. Tuttavia notiamo valori di potenza e coppia
nominale molto più bassi, probabilmente da imputare alla compattezza elevata, che rende difficile
lo smaltimento del calore e dunque limita notevolmente la corrente massima nell'avvolgimento,
edal volume limitato. Si nota inoltre che la costante di coppia, ossia il quantitativo di coppia fornita
per unità di intensità di corrente, è più grande nei miniaturizzati.
L'efficienza è più alta nei tradizionali piuttosto che nei miniaturizzati. Questo è molto probabilmente
da imputare sempre all'alta compattezza, che fa crescere notevolmente la potenza dissipata per
effetto Joule.
49
1.2.Motori brushless piccoli / motori brushless miniaturizzati
Si confrontano ora le caratteristiche principali dei motori brushless piccoli e dei brushless
miniaturizzati:
TRADIZIONALI
MINIATURIZZATI
Smart
Motor
Devices
Fusit
s.r.l.
Ever
elettr.
Micromo
Moog inc.
Maxon
Motor
Tensione di alimentazione [ V ]
24
24~48
6
6
12
6
Numero di giri a vuoto [ giri/min ]
4000
6500
3600
46500
11090
44600
Potenza nominale [ W ]
52
23
0,84
1,5
2,4
0,9
Intensità di corrente nominale [ A ]
n.p.
1,20
0,26
0,31
0,38
n.p.
Coppia nominale [ mNm ]
120
40
2,2
0,36
3,5
0,34
Coppia di stallo [ mNm ]
370
45
2,8
0,73
9,9
0,81
Massa [ g ]
450
200
15
24,0
11,3
3,0
Momento d'inerzia rotorico [ kg m2 ]
48 10-7 80 10-7 0,8 10-7
0,01 10-7 0,106 10-7 0,007 10-7
Costante di coppia [ mNm / A ]
35,5
n.p.
13,7
1,21
1,13
1,4
Volume [ cm3 ]
84,5
140,8
24,9
2,5
2,83
0,56
Efficienza [ % ]
68
53
54,2
52
90
59
Notiamo subito la differenza di ingombro: siamo fino a due ordini di grandezza di differenza.
La coppia nominale e di stallo sono più alte per i BLDC tradizionali, probabilmente le maggiori
dimensioni permettono intensità di corrente più elevate, e quindi forze elettriche più intense.
Le masse e le inerzie rotoriche sono più basse per i mini brushless, da cui deriveranno accelerazioni
più elevate.
Si riscontra una differenza di un ordine di grandezza riguardo alla costante di coppia.
Notare la forte differenza nel numero di giri massimo, probabilemente dovuto alla bassa inerzia e
massa e dimensioni ridotte del rotore.
Si può notare come a parità di tensione di alimentazione e con massa, corrente paragonabili ai
miniaturizzati, il brushless della Ever elettronica presenti giri a vuoto circa dieci volte minori e
coppia circa dieci volte maggiore.
L'efficienza è più alta per i motori brushless tradizionali: elemento da tener presente se è richiesto
un basso consumo. Voce fuori dal coro è il motore miniaturizzato della moog, che dichiara
un'efficienza massima del 90%.
50
1.3.Motori stepper piccoli / motori stepper miniaturizzati
Si confrontano ora i motori passo – passo tradizionali sopra citati con i microstepper.
TRADIZIONALI
MINIATURIZZATI
RTA
s.r.l.
Trinamic
Ever
elettr.
Micromo
Nydec
Sankyo
Micromo
con dis.
Coppia di tenuta [ mNm ]
115
60
88
1,6
0,06
0,2
Passo angolare [ ° / passo ]
1,8
1,8
1,8
18
18
18
+/- 1,8
+/- 1,8
+/- 0,09
5,5
0,4
1,4
Accuratezza [ ° / passo ]
+/- 0,09 +/- 0,09 +/- 0,09
Massa [ g ]
200
2
110
-7
Momento d'inerzia rotorico [ kg m ] 22 10
Volume [ cm3 ]
40,8
-7
60
-7
-9
9 10
2 10
9 10
n.p.
0,7 10-9
25,1
12,2
1,24
0,04
0,27
La coppia di tenuta è molto più alta nei tradizionali. Tra l'altro anche i microstepper di maggiori
dimensioni hanno tutti coppie di tenuta nell'ordine dei mNm.
I motori passo – passo tradizionali vantano un passo angolare e relativa accuratezza dieci volte più
piccolo che i microstepper: i microstepper non sono dunque indicati per applicazioni dove è
richiesta un'alta risoluzione. Esiste tuttavia un metodo applicato sull'elettronica di comando che
permette di aumentare considerevolmente la risoluzione, chiamato microstepping: questo
accorgimento può risolvere il problema della bassa risoluzione, ma richiederà per l'appunto
un'ulteriore elettronica dedicata, con un suo costo ed un suo ingombro.
I motori stepper miniaturizzati vantano a differenza dei tradizionali massa e volume da 10 a 100
volte minore, elemento che può arrivare ad escludere i tradizionali se l'azionamento ha limiti molto
stretti in peso e dimensione.
Ultima forte differenza: il momento d'inerzia rotorico è due ordini di grandezza più piccolo. Da ciò si
deduce che i ministepper hanno valori di accelerazione molto più elevati, elemento importante
quando al sistema è richiesto tempo di risposta più basso possibile.
51
2. Confronto rapporti di coppia
Gli azionamenti presentati in questo lavoro hanno struttura e funzionamento differenti, oltre ad
avere differenti punti di forza e debolezza: valutare i singoli parametri non ci può dare una visione
sufficentemente chiara per il confronto. E' necessario allora definire dei parametri che si ritengono
imporanti per gli attuatori rotativi di piccole dimensioni. In un'eventuale ottica di dimensionamento
puntando alle più alte prestazioni, è utile valutare, oltre all'efficienza, i seguenti rapporti di coppia,
distinguendo inoltre i motori a spostamento angolare finito dai motori prettamente rotativi.
Definito da
Densità di coppia [
mNm
]
kg
Caratteristiche
Alto: il motore è leggero, il suo
peso influisce poco sul sistema
coppia
massa
Basso: servirà un motore più
pesante per fornire la medesima
coppia
700
600
mNm / kg
500
400
Tradizionale
300
Miniaturizzato
Piezoelettrico
200
100
0
DC
BLDC
Ultrasonico
1000
900
800
mNm / kg
700
600
Tradizionale
500
Miniaturizzato
400
Piezoelettrico
300
200
100
0
Stepper
Pulse drive
Sia per i motori rotativi che per quelli a rotazione finita, sono i tradizionali ad avere la più alta
densità di coppia. Il motore ultrasonico ha densità di coppia notevolmente più alta, ed il pulse drive
ha densità simile a quella degli stepper tradizionali. Ricordiamo che il pulse drive ha massa dieci
volte inferiore.
52
Definito da
Coppia specifica [
mNm
]
cm3
Caratteristiche
Alto: A parità di coppia
l'ingombro è piccolo
coppia
volume
Basso: servirà un motore più
grande per fornire la medesima
coppia
3
2,5
mNm / cm^3
2
Tradizionale
1,5
Miniaturizzato
Piezoelettrico
1
0,5
0
DC
BLDC
Ultrasonico
4,5
4
3,5
mNm / cm^3
3
2,5
Tradizionale
2
Miniaturizzato
Piezoelettrico
1,5
1
0,5
0
Stepper
Pulse Drive
Valutate le coppie specifiche, notiamo che la situazione è la medesima che con la densità di
coppia.
53
Definito da
Coppia per unità d'inerzia [
mNm
]
kg m2
coppia
inerzia rotorica
Caratteristiche
Alto: il motore può raggiungere
elevati valori di velocità
angolare in tempi brevi
Basso: il motore ha un tempo di
risposta elevao
70
60
mNm / kg m^2
50
40
Tradizionale
30
Miniaturizzato
20
10
0
DC
BLDC
0,26
0,25
mNm / kg m^2
0,25
0,24
0,24
Tradizionale
Miniaturizzato
0,23
Piezoelettrico
0,23
0,22
0,22
Stepper
Per quanto riguarda la coppia per unità d'inerzia, nei rotativi la situazione si inverte: ne deduciamo
che i miniaturizzati godono di accelerazione molto maggiore dei motori tradizionali di piccole
dimensioni.
Per i motori stepper, sono ancora i tradizionali a godere dell'accelerazione più alta
54
2.1.Il rapporto tra coppia e radice del momento d'inerzia
Tale rapporto merita un approfondimento, poiché rappresenta un parametro utile per una prima
valutazione del motore e riduttore in base al carico da sostenere nel ciclo. Per motori di tipo
brushless e a corrente continua, noto il ciclo di lavoro da ottenere comprese leggi di moto e
andamento del carico, note l'inerzia rotorica, la massima velocità di rotazione e coppia nominale e
di stallo, è possibile determinare la minima coppia quadratica media che il motore dovrà fornire in
base al carico e al riduttore inserito.
Cr(t) ωc(t)
ωm(t) Cm(t)
Riduttore
(η,τ)
Motore
( Jm )
Utilizzatore
( Jc )
J m : Momento d'inerzia rotorico
m : Velocità di rotazione in uscita dal motore
C m : Coppia motrice uscente dal motore
 : Rendimento riduttore ( moto diretto )
 : Rapporto di trasmissione
C r : Coppia resistente relativa all'utilizzatore
 c : Velocità di rotazione in uscita dal riduttore
J c : Momento d'inerzia relativo all'utilizzatore
Considerando per il riduttore un utilizzo diretto, applicando un bilancio di potenza all'asse del
riduttore è possibile scrivere la coppia motrice, considerando tutti i parametri sopra indicati:
C m t  =
Da notare che
Jm

̇c t 
 J c ̇c t  C r t 

t
̇ c =  c : Accelerazione da imprimere al carico
Per definizione, la coppia quadratica media richiesta al motore vale:
C
2
mrms
T
1
=
T
∫ C m t 2 dt
0
Sviluppando l'integrale, derivando rispetto a  e uguagliando a zero, è possibile ottenere il
rapporto di trasmisione che porta al minimo la coppia quadratica media richiesta al motore:
2
4
Cmin

2
J m   crms
˙ 
=
2
J ̇  C r
 c c


rms
Trovato questo rapporto, sostituendolo nello sviluppo dell'integrale è possibile ricavare la minima
coppia quadratica media richiesta al motore:
55
C mrms min =
2

Jm
crms
˙ 
Cr
̇ C
   c r
rms

media
Cr = J c  c  C r
Dove
Se si traccia un piano  J m , C m  , dove ciascun punto identifica un motore con inerzia rotorica
pari a J m e coppia continuativa ( o nominale ) pari a C m , la funzione soprastante rappresenta
una parabola , dove tutti punti al di sotto di essa rappresenteranno motori non idonei a sostenere il
carico.
Cm
[N m]
Motore idoneo
Motore non idoneo
Jm [kg m2]
Da notare che un valore di ≠Cmin calcolato porta al restringimento dell'area di motori idonei,
con una curva
C asintotica tangente sulla parabola:
m
[N m]
Motore non idoneo
Motore idoneo
Motore non idoneo
Jm
[kg m2]
Il rapporto tra coppia e radice del momento d'inerzia rappresenta per un motore in continua un
criterio di accettabilità, che rappresenta la capacità di accelerare ( oltre al motore stesso ) un
carico, considerandone l'inerzia, la coppia resistente ed il riduttore associato al motore stesso:
Cm
Jm
Coppia su radice del momento
d'inerzia
[
mNm
]
 kg m


 2  crms
˙ 
Cr
̇ C
   c r
 rms

media
Definito da
Caratteristiche
Coppia
inerzia rotorica
Alto: Il motore è in grado di
dare buona accelerazione,
considerato anche il riduttore
associato e la coppia resistente
Basso: Il motore è in grado di
sostenere carico e riduttore, ma
l'accelerazione rimane bassa.
56
12
mNm / sqrt(kg) m 10^3,5
10
8
Tradizionale
6
Miniaturizzato
Piezoelettrico
4
2
0
DC
BLDC
40
mNm / sqrt(kg) m 10^3,5
35
30
25
Tradizionale
20
Miniaturizzato
15
Piezoelettrico
10
5
0
Stepper
Notiamo che sia per i rotativi, sia per i motori passo – passo, questo parametro è nettamente a
favore dei tradizionali. Ne possiamo dedurre che i motori miniaturizzati sono molto meno adatti a
sostenere carichi continuativi rispetto ai tradizionali.
2.2.Altri parametri importanti
Al fine di una maggior completezza, si confrontano due ulteriori parametri, che sono spesso
considerati nella scelta di un motore:
Definito da
Potenza specifica [
W
]
kg
Potenza
Massa
Caratteristiche
Alto: Il motore sarà più leggero
a parità di potenza
Basso: Il motore sarà più
pesante a parità di potenza
57
250
200
W/kg
150
Tradizionale
Miniaturizzato
100
Piezoelettrico
50
0
DC
BLDC
Il rapporto potenza/massa è decisamente a favore dei miniaturizzati. Questo fatto rende i mini
motori molto apetibili in applicazioni dove è indispensabile ridurre al minimo la massa, come nei
settori areonautico e areospaziale.
Definito da
Caratteristiche
Alto: l'energia elettrica fornita è
trasferita in buona parte in
lavoro meccanico
Potenza meccanica in uscita
Basso: una buona percentuale
Potenza elettrica in ingresso dell'energia fornita non è
convertita in lavoro, ma in altre
forme, per la maggior parte in
calore ( effetto Joule ), il che
provoca innalzamento della
temperatura interna.
Efficienza [ % ]
0,7
0,6
Efficienza
0,5
0,4
Tradizionale
0,3
Miniaturizzato
Piezoelettrico
0,2
0,1
0
DC
BLDC
Si nota che, nonostante massa e ingombro siano fino a due ordini di grandezza inferiori, i motori
miniaturizzati mantengono valori di efficienza maggiori del 50%
58
Conclusioni
Dopo aver considerato i principali motori per piccoli azionamenti in corrente continua,
incentrandosi sui motori rotativi DC , DC brushless e passo - passo di piccole dimensioni, ed averli
confrontati con i corrispettivi motori miniaturizzati e con i recenti motori innovativi di tipo
piezoelettrico, si possono detrarre le seguenti conclusioni.
I miniaturizzati, nonostante abbiano volume e massa da dieci fino a cento volte inferiori,
mantengono valori di efficienza al di sopra del 50%. Rimangono dunque competitivi a livello di
consumo. Per quanto riguarda i valori di coppia, i tradizionali presentano valori più alti, tuttavia si
ricorda che c'è una forte differenza di massa e ingombro. Inoltre, sono molto più idonei a situazioni
dove il carico è molto basso e l'inerzia del carico è trascurabile o comunque molto minore di quella
del rotore ( Jc / Jm piccolo ). Al contrario, se il carico resistente deve essere considerato e/o il
rapporto Jc / Jm è grande, sono preferibili i motori tradizionali.
I motori piezoelettrici presentano caratteristiche molto interessanti, tra cui gli elevati rapporti coppia
/ massa e coppia / volume e l'elevata accuratezza negli spostamenti angolari, tuttavia presentano
bassi valori di efficienza e numero di giri.
59
Bibliografia
Libri:
Chunsheng Zhao “Ultrasonic Motors: Technologies and Applications” Beijing
G. Legnani, M.Tiboni, R. Adamini, D. Tosi “Meccanica degli azionamenti vol. 1 – Azionamenti
elettrici”, Bologna
Massimo Guarnieri, Andrea Stella, 1999 " Principi ed applicazioni di elettrotecnica , volume
Secondo”, Padova
Mauro Bollani, Maria Stefania Carmeli, Francesco Castelli Dezza, Marco Mauri"Minimotori in
continua e brushless: lo stato dell'arte ", articolo su Automazione e Strumentazione, Novembre
2004
Datasheet dei motori citati:
Crouzet ( www.crouzet.com ) - 89810 ( dc )
Siboni S.r.l. ( www.Siboni.it ) - 17PL068 ( dc )
Poultry Tecno (www.pultrytecno.net ) - EC020.120 ( dc )
Portescap ( www.portescap.com ) - 08GS61 – 107 – 3 ( dc )
Micromo ( www.micromo.com ) - 0615 N 1,5 S ( mini dc ) – 620K006B ( mini bldc ) – Am1020-A0,25-8 ( ministepper)
Maxon Motor ( www.maxonmotor.it ) - RE 6 ( mini dc ) – 455019 EC 6 ( mini bldc )
Smart Motor Devices ( www.stepmotor.biz ) - motore bldc
Fusit S.r.l. ( www.fusit.it ) - DR 6638 ( bldc )
Ever elettronica ( www.everelettronica.it ) - MT11FB10 ( bldc )
Moog inc. ( www.moog.com ) - DBH 0472 ( mini bldc )
RTA S.r.l. ( www.rta.it ) - SH2285-5271 ( passo passo )
Trinamic ( www.trinamic.com ) - QMot QSH2818 ( passo – passo )
Pamoco ( www.pamoco.it ) - P20 2H 1 A 60 4 ( passo passo )
Nidec Sankyo ( http://www.nidec-sankyo.co.jp/english/index.html ) - MDSU ( ministepper )
Fukoku (http://www.mmech.com/ultrasonic-motors/fukoku-shinsei-motors )-USR30-S1 (ultrasonico)
Piezomotor ( http://www.piezomotor.com ) - EN LR17 PMU ( pulse drive )
Riferimenti per immagini e configurazione dei micromotori
Stewart Sherrit, “Miniaturization of Planar Horn Motors”, California Inst. of Technology, Pasadena
Catalogo Portescap: www.portescap.com
Catalogo Micromo: www.micromo.com
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