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Motori convenzionali e "slotted": cosa occorre sapere

17 Giu 2021
Esperti di Kollmorgen

I tradizionali motori sia brushless che "slotless" hanno punti di forza e punti deboli a livello di prestazioni, ma quando si deve scegliere tra i due la questione non riguarda quale sia il motore migliore. Si tratta invece del motore migliore per l'applicazione in oggetto.  

Molte applicazioni che richiedono un sistema meccanico fluido e preciso possono trarre vantaggio da motori che erogano una coppia elevata con un ingombro ridotto. Prendiamo ad esempio i sistemi elettro-ottici/a infrarossi. In un sistema EO/IR occorre una piattaforma reattiva con movimento preciso ed accurato per tenere traccia degli oggetti anche in condizioni difficili dovute a urti della carreggiata, turbolenze in aria, vibrazioni e altre forze.  

Tuttavia, gli aspetti meccanici ed ambientali, quali l'oscillazione di coppia o le forze che agiscono sul sistema in applicazioni in movimento, possono interferire con la retroazione dei sensori visivi o a infrarossi e richiedere altri software per stabilizzare e regolare l'immagine. Un sistema meccanico fluido e stabile che compensi gli influssi ambientali nel punto di raccolta dei dati è in grado di ridurre l'elaborazione e il calcolo necessari per stabilizzare le immagini.  

Poiché la coppia di cogging e l'oscillazione di coppia possono essere attenuate attraverso un'adeguata progettazione e un sistema di controllo idoneo per il motore, il livello di coppia per volume di un motore rappresenta un'indicazione migliore delle prestazioni in un sistema EO/IR. I motori convenzionali erogano una maggior quantità di coppia per motore rispetto ai motori "slotless", e per sistemi a bassa velocità (<1.000 giri/min), come un sistema EO/IR, erogano livelli superiori di coppia di picco e continua per ottenere prestazioni più reattive.   

Che ruolo hanno la coppia di cogging e l'oscillazione di coppia? 

Per comprendere le differenze tra motori convenzionali e motori "slotless" , è importante comprendere le forze rappresentate da coppia di cogging e oscillazione di coppia e che ruolo hanno in un sistema EO/IR.  

La coppia di cogging si osserva in un motore convenzionale quando non è sotto tensione e l'attrazione tra i magneti permanenti sul rotore e i denti in acciaio delle lamine dello statore creano un movimento "vibratorio" durante la rotazione.  I motori "slotless" non sono soggetti a questo tipo di vibrazione poiché non sono presenti denti nello statore e i magneti vengono attratti verso la lamina durante la rotazione.  

L'oscillazione di coppia si verifica in un motore sotto tensione, sia di tipo convenzionale che "slotless". Ciò è dovuto a varianze nei campi elettromagnetici durante l'interazione tra rotore e statore. Sebbene in un motore "slotless" sia possibile ridurre la coppia di cogging, l'oscillazione di coppia permane e deve essere attenuata attraverso una retroazione ad alta risoluzione e l'uso di avanzati algoritmi di controllo. (Scopri di più nel nostro blog "Coppia di cogging e oscillazione di coppia: cosa occorre sapere").

Per i sistemi a bassa velocità come EO/IR, la coppia di cogging generalmente non è la caratteristica principale di un servomotore. Anche se l'eliminazione della coppia di cogging potrebbe influire in qualche modo sull'oscillazione di coppia, quello che più importa è il comportamento del motore sotto tensione. E dal momento che tutti i motori sono soggetti ad oscillazione di coppia, inclusi quelli "slotless", concentrandosi su questa peculiarità rispetto ad altre caratteristiche di progettazione si trascurano i vantaggi di un motore convenzionale rispetto ad uno "slotless". La coppia per volume è l'indicatore di prestazioni principale rispetto a coppia di cogging o oscillazione di coppia quando si deve scegliere un motore per un'applicazione EO/IR.

 

Slotted vs Slotless motors illustration

La spinta verso i motori "slotless" 

Diversamente dai modelli convenzionali, i motori "slotless" non presentano denti in acciaio sullo statore (per questo un motore convenzionale è detto talvolta motore "slotted"). Invece dei denti che supportano gli avvolgimenti, la lamina dello statore è costituita da anelli in acciaio sovrapposti insieme a bobine di rame montate su di essi e quindi incapsulate. Ne consegue che le bobine sono posizionate nell'intercapedine presente tra la lamina dello statore e i magneti del rotore.   

Un'ampia intercapedine d'aria tra il rotore e lo statore limita la quantità di coppia che può essere prodotta da un motore. Con un'intercapedine d'aria più piccola, ovvero lo spazio tra il magnete e lo statore, si genera più coppia. Dimezzando questa distanza si quadruplica la coppia. I motori "slotted" cercano di ridurre al massimo questa intercapedine per ricavare quanta più coppia possibile. Tuttavia, anche un'intercapedine troppo piccola può rappresentare il problema. Per chiudere questo spazio la maggior parte dei produttori utilizza magneti più grandi, che però comportano un aumento dei costi. I motori brushless di tipo convenzionale possono erogare più coppia senza dover andare oltre i limiti (e i costi) di produzione.  

Come si può immaginare, il fatto che gli avvolgimenti siano incapsulati nella lamina dello statore crea molti vantaggi in un motore "slotless" . Come detto in precedenza, un motore "slotless" non è soggetto a coppia di cogging. Poiché nella lamina non vi sono denti che interagiscono con il magnete del rotore, il motore presenta un funzionamento fluido. La coppia erogata è prevedibile ed altamente controllabile poiché è correlata direttamente alla corrente alimentata all'avvolgimento. I motori "slotless" presentano basse perdite di nucleo ad alte velocità (generalmente non sperimentate nelle applicazioni EO/IR) e possono essere vantaggiosamente utilizzati in applicazioni con peso ridotto, bassa coppia e condizioni stabili. Sono invece meno efficaci in applicazioni EO/OR altamente dinamiche.  

Sebbene un motore "slotless" non abbia coppia di cogging per la mancanza di denti nella lamina, presenta pur sempre l'oscillazione di coppia. Dato che il motore deve essere sotto tensione per produrre coppia, viene ridotto al minimo il vantaggio di non avere coppia di cogging. Per applicazioni precise e sensibili come i sistemi EO/IR è comunque necessario eliminare l'oscillazione di coppia attraverso controlli di retroazione.

 

Slotless motor illustration

Motori brushless convenzionali 

I motori brushless di tipo convenzionale con lamine dentate, detti anche motori "slotted", presentano lamine in acciaio con cave sovrapposte insieme ad avvolgimenti in rame inseriti in queste cave. La parte dello statore più vicina al rotore è chiamata dente e focalizza il flusso elettromagnetico verso i magneti del rotore, concentrando l'energia meglio rispetto ad una struttura "slotless" .  

Rispetto ad un motore "slotless" , i modelli convenzionali garantiscono un buon equilibrio tra coppia erogata, costante del motore, efficienza e fattibilità produttiva. Date le dimensioni, i motori brushless convenzionali hanno una costante superiore con efficienza e velocità di accelerazione più elevate con un'inerzia più bassa. In questo modo un motore convenzionale presenta meno reazione dell'indotto a corrente elevata, meno oscillazione di coppia e più coppia continua a basse velocità. 

Sussistono alcuni problemi con i motori convenzionali caratterizzati da un elevato numero di poli. Ad esempio, in genere sono meno efficienti e presentano coppia minore ad alte velocità. Ma il problema principale dei motori convenzionali è la presenza della coppia di cogging. Tuttavia, come spiegato in precedenza, quando si è alle prese con applicazioni a basse velocità e con coppia elevata, la coppia di cogging è un problema minore rispetto alla coppia per volume in presenza di tensione.

 

Slotted cogging effects illustration

Come superare la coppia di cogging 

I motori convenzionali, con il livello superiore di coppia per volume, la maggior efficienza e potenza erogata, sono più idonei per sistemi a bassa velocità come applicazioni EO/IR altamente dinamiche. Un altro aspetto per cui si distinguono è la fattibilità produttiva. Grazie a varie possibilità di progettazione condivisa e design standard, siamo stati in grado di ridurre al minimo la coppia di cogging nei motori convenzionali. Ad esempio, scegliendo le giuste combinazioni cava/polo si può ridurre al minimo la coppia di cogging. Altri aspetti di cui tenere conto sono: 

  • Kw o fattore di avvolgimento, che determina l'efficacia dell'interfaccia tra flusso magnetico e avvolgimento.  
  • Inserimento dell'avvolgimento, ad esempio avvolgimento su ago con riempimento cave moderato o avvolgimento a mano con fattore di riempimento cave più elevato. Tuttavia, combinazioni cava/polo più elevate richiedono più tempo per l'avvolgimento e presentano giri finali più lunghi. 
  • Reazione dell'indotto. Combinazioni cava/polo più elevate presentano una maggior reazione dell'indotto. 

Esistono varie altre opzioni di progettazione e misure da adottare per ridurre al minimo l'impatto della coppia di cogging. Si tratta di interventi che potrebbero ridurre l'efficienza del motore, ma in base al design del sistema potrebbero non essere necessari: 

  • Distanza tra i poli (larghezza dei magneti). 
  • Forma dei magneti. 
  • Apertura delle cave e design della punta dei denti. 
  • Deviazione della sovrapposizione per avere fino al 90% di riduzione della coppia di cogging.

 

Stator Teeth Skew illustration

Motori convenzionali: sempre la prima scelta 

Nei sistemi in cui occorrono fluidità di funzionamento, alte velocità di accelerazione ed elevata costante di coppia, i motori brushless di tipo convenzionale rappresentano ancora la prima scelta. Quando il carico è basso, un motore "slotless" può essere una buona alternativa. Tuttavia, questo tipo di motore non vanta la gamma di prestazioni necessarie per applicazioni aggressive con coppia più elevata. I sistemi EO/IR a bassa velocità e coppia elevata richiedono un maggior livello di coppia per volume per creare sistemi fluidi e stabili che compensino i disturbi ambientali e riducano i requisiti di elaborazione. I motori brushless di tipo convenzionale sono in grado di erogare una coppia di picco superiore, mentre i motori "slotless" non mostrano prestazioni altrettanto buone in queste applicazioni con coppia medio-alta.  

Kollmorgen vanta le competenze di progettazione- condivisa necessarie per progettare motori convenzionali che soddisfino le esigenze dei sistemi EO/IR riducendo al minimo la coppia di cogging. Sei pronto a scoprire cosa è in grado di fare la tua applicazione? 

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Questo blog è il risultato della collaborazione di un team di esperti di motion & automation in Kollmorgen, tra cui ingegneri, addetti al servizio clienti ed esperti di progettazione. In qualsiasi fase del vostro progetto vi troviate, noi siamo qui per aiutarvi.

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