ARRESTI CONTROLLATI
I freni elettromeccanici per servomotori aiutano a rendere le macchine più sicure,
affidabili e controllabili. Peter Anderson ne spiega l'utilizzo.
Veloci, potenti e molto controllabili, i servomotori sono componenti essenziali nella
progettazione di molti macchinari moderni. Ma cosa succede quando manca
l'alimentazione? Senza energia per controllare la posizione dell'albero motore, esso
tenderà a muoversi in risposta a qualsiasi carico esterno sia applicato in quel
momento. Per bene che vada, ciò significa che un arresto di emergenza o un guasto di
alimentazione inatteso possono provocare la perdita di sincronizzazione dell
macchina. Nelle condizioni peggiori, il movimento non controllato può determinare
gravi rischi per la sicurezza.
Fortunatamente, i progettisti delle macchine dispongono di una soluzione semplice,
compatta ed economica a tale problema. I freni elettromagnetici a molla possono
condurre un motore all'arresto in condizioni di sicurezza, oppure mantenerne la
posizione statica senza necessità di alimentazione esterna. Matrix, che fa parte del
gruppo Altra, specialista nella trasmissione di potenza, progetta e commercializza freni
di questo tipo da oltre 30 anni. I freni per servomotori sono robusti e affidabili.
Tuttavia, la loro integrazione richiede una certa cura, prestando la massima attenzione
alle caratteristiche specifiche di ciascun motore.
Un servomotore è un motore elettrico molto dinamico ad elevata velocità, utilizzato
normalmente con dispositivi demoltiplicatori in diverse applicazioni industriali come
l'automazione e la movimentazione dei materiali. L'obiettivo è costituito solitamente da
cicli di lavoro rapidi con forti accelerazioni e decelerazioni. A tal fine, i servomotori
hanno dimensioni ridotte al minimo; solitamente si preferisce una sezione quadrata
compatta ad una lunghezza totale ridotta, per tenere bassa l'inerzia del motore. Per
alcune applicazioni, si utilizzano servomotori a lunghezza totale ridotta, a "pancake".
Il freno più diffuso e conveniente per la maggioranza di applicazioni con servomotori è
il tipo a molla. Questi freni operano applicando la forza di una molla ad una piastra
d'attrito montata sull'albero motore. Durante il funzionamento, una tensione in CC
applicata ad un avvolgimento apre il freno. Se viene a mancare la tensione, il freno si
attiva. La gamma Matrix 1EB è un esempio di questo tipo di freno. Nelle ultime tre
decadi, l'azienda ha prodotto più di 700 diverse varianti di questo progetto di base.
Considerazioni di progetto
Quando si seleziona il freno appropriato per un'applicazione con servomotore, il
progettista deve valutare attentamente le condizioni di funzionamento e le necessità
dell'applicazione. Il freno selezionato deve avere una coppia statica (di serraggio)
sufficiente a tenere l'albero in posizione in tutte le condizioni di funzionamento. È
necessario stabilire l'orientamento del motore, specialmente se il suo asse non è
orizzontale, poiché ciò può influenzare il carico al quale è sottoposto il freno.
In applicazioni molto dinamiche, il mozzo del freno e la piastra d'attrito devono avere
un'inerzia minima, poiché questa va ad aggiungersi a quella che deve essere
accelerata e decelerata dal motore, aumentandone i requisiti di potenza. Le dimensioni
del freno devono essere mantenute minime per una data coppia statica. I servomotori
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hanno solitamente un diametro totale compatto, ed il diametro del freno deve essere
ancora minore, riducendo inoltre al minimo la lunghezza totale del freno.
Anche le considerazioni di assemblaggio sono importanti. Durante la fase di progetto,
è necessario prendere in considerazione come fissare le parti statiche del freno al
motore, per mantenere l'ortogonalità e la concentricità del freno rispetto all'albero
motore. Come deve essere fissato il mozzo del freno all'albero motore, in relazione
alla trasmissione della coppia ed alla posizione assiale? Normalmente, si utilizza un
alloggiamento per chiavette e il foro per l'albero; altri metodi includono l'accoppiamento
forzato alla pressa, l'inserimento di una spina o l'accoppiamento a D. In spazi ristretti,
la chiavetta per il mozzo può essere ricavata sull'albero del motore?
Oltre ai requisiti meccanici, anche i requisiti elettrici dell'installazione devono essere
presi attentamente in considerazione. La potenza assorbita dall'avvolgimento del freno
deve essere ridotta al minimo, poiché esso è continuamente alimentato quando il
motore è in esercizio, generando calore in uno spazio ridotto con alte temperature
ambiente (fino a 150 C). È necessario specificare come cablare l'avvolgimento nel
motore, nonché la lunghezza e la terminazione di qualsiasi cavo volante. È necessario
scoprire se ci sono normative applicabili a cablaggi di questo tipo e ai connettori da
utilizzare.
L'avvolgimento del freno richiede una tensione in CC, solitamente ottenuta rettificando
la tensione in CA utilizzata per alimentare il motore. Il progettista del motore deve fare
in modo che la tensione e la corrente in CC che mantengono il freno aperto arrivino
sempre all'avvolgimento del freno quando il motore è in funzione. Ciò è fondamentale,
poiché la velocità del servomotore può essere controllata variando la tensione di
alimentazione. Anche la velocità di risposta elettrica nel circuito di controllo del freno
deve essere presa in considerazione, per garantire che il freno sia aperto prima che il
motore inizi a ruotare. Per i motori che controllano carichi in sospensione, come quelli
di ascensori o gru, tale coordinazione dovrà essere presa in considerazione dal
progettista del motore.
Anche la silenziosità è un fattore da considerare, ad esempio nelle applicazioni
mediche o teatrali. Tale rumore può essere causato dall'apertura o chiusura del freno,
oppure dall'acciottolio della chiavetta tra il mozzo del freno e la piastra d'attrito, se ci
sono vibrazioni torsionali o lineari sulla trasmissione. Matrix sa come minimizzare tali
rumori.
Quello che il cliente si aspetta che succeda in caso di arresto di emergenza, ovvero
perdita di potenza col motore in condizione dinamica, deve essere preso in
considerazione, poiché questi freni hanno una capacità limitata di assorbimento di
energia. Anche se il freno è in grado di gestire l'energia di un singolo arresto dinamico,
la frequenza di questi arresti dinamici deve essere determinata, poiché è necessario
tenere conto della durata all'usura del materiale d'attrito.
Gioco
In molte applicazioni dove la sicurezza è critica, è sufficiente che il motore sia in grado
di controllare l'arresto del motore, o di tenerlo all'incirca in posizione in caso di guasto
di alimentazione. Tuttavia, ci sono applicazioni di alta precisione dove molti
servomotori operano in esatta sincronia ed è quindi necessario controllare
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precisamente la posizione dell'albero motore. In tal caso il progettista deve prendere in
considerazione la quantità di gioco intrinseco nella progettazione del freno.
I freni a molla hanno un gioco piccolo ma significativo. In molti casi, come quelli in cui il
motore è accoppiato ad una scatola ingranaggi, di per sé stessa dotata di gioco, il
gioco del freno sarà inferiore rispetto a quello presente in altre parti del sistema e la
progettazione a molla garantirà una precisione adeguata.
In altri casi tuttavia, la necessità di un freno con gioco pari a zero richiede una
progettazione completamente diversa. I freni a magnete permanente (gamma Matrix
4PMB) offrono questa capacità. In questo caso, la forza di frenatura è fornita da un
magnete permanente. Una tensione in CC applicata all'avvolgimento genera una forza
magnetica che si oppone a quella del magnete permanente, e il freno viene aperto da
una molla di rilascio.
Progetti impegnativi
Matrix è fornitore dei più importanti produttori di servomotori in Europa e in America.
Nell'arco di 30 anni, Matrix ha sviluppato soluzioni a tutti i problemi affrontati in
applicazioni specifiche. Il team di progettazione e sviluppo lavora continuamente sulla
gamma di prodotti 1EB, valutando materiali nuovi ed alternativi. Gli ingegneri di
progetto utilizzano un pacchetto di analisi ad elementi finiti per ottimizzare il percorso
magnetico all'interno dei freni, per massimizzare la coppia e minimizzare la potenza
assorbita e i costi.
I sistemi di qualità di Matrix sono certificati ISO 9001, il che garantisce che la
progettazione, lo sviluppo, la produzione e la manutenzione dei prodotti sia conforme
agli standard più elevati. Matrix sta attualmente affrontando la procedura di
certificazione ambientale ISO 14001, per minimizzare la sua impronta carbonica e
diventare un produttore "verde", amico dell'ambiente. Il mercato dei servomotori è
molto sensibile ai costi. Matrix ha raffinato la sua filiera di produzione e fornitura per
massimizzare la convenienza, offrendo nel contempo un prodotto in grado di
soddisfare le necessità applicative dei clienti. Fare parte del gruppo Altra ha aiutato
notevolmente questa evoluzione, affidando all'azienda un ruolo molto più importante
nel mercato mondiale della trasmissione di potenza, con accesso a fornitori e risorse
produttive in tutto il mondo.
Informazioni su Matrix: Parte del Gruppo Altra
Matrix International, fondata nel 1939, è un progettista e produttore leader di frizioni e
freni di tipo elettromagnetico ed idraulico per l’industria. Matrix offre alta tecnologia e
convenienti soluzioni ingegnerizzate che soddisfano globalmente i requisiti specifici più
impegnativi.
L’azienda propone un’ampia gamma di frizioni e freni elettromagnetici e con comando
a pressione, giunti a denti frontali e limitatori di coppia, di serie o personalizzati.
Gli innovativi prodotti di Matrix vengono ampiamente utilizzati in diversi settori, tra i
quali la movimentazione dei materiali, i carrelli elevatori, le macchine off-highway e i
settori forestale, minerario e marino, in applicazioni come servomotori, macchine
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utensili, apparecchiature di imballaggio, convogliatori, dispositivi medicali, bulldozer,
gru, autocarri da miniera, piattaforme elevatrici, argani di coperta e propulsori navali.
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