I servomotori e gli azionamenti sono la soluzione privilegiata in un'ampia gamma di applicazioni industriali, ma cosa è bene prendere in considerazione quando vengono impiegati in ambienti estremi o pericolosi? In molti casi, lo stesso motore è inserito nell'ambiente estremo, mentre le parti elettroniche degli azionamenti sono protette dai pericoli. Questo blog affronta l'aspetto delle sfide correlate alle prestazioni dei servomotori e alle considerazioni di carattere progettuale da non trascurare quando un motore funziona in ambienti estremi.
Tipi di ambienti:
Temperature estreme – Il tipico servomotore è strutturato per un ambiente industriale con una temperatura ambiente di base di 40 °C. Le temperature di esercizio spesso spaziano da una minima di -10 °C e una massima di 50 °C. In applicazioni adiacenti a un forno o che si svolgono in un ambiente di tipo downhole, le temperature possono raggiungere livelli molto più elevati. Nella refrigerazione, nello stoccaggio a freddo, nei sistemi criogenici o al Polo Sud, le temperature possono scendere anche oltre - 40 °C.
Vuoto – I motori standard sono progettati per essere impiegati entro un limitato intervallo di pressione atmosferica. È possibile che determinate applicazioni nel campo delle lavorazioni meccaniche o che gruppi particolarmente critici debbano funzionare in un contesto di depressione per un dato processo, nell'intento di limitare gli effetti causati dalla pressione atmosferica. Anche le applicazioni correlate allo spazio e all'alta quota sono inserite in condizioni legate alla depressione.
Camera bianca – Spesso associate con le applicazioni del vuoto, le camere bianche hanno limiti rigorosi per quanto riguarda i contaminanti introdotti nell'ambiente dal degassamento.
Acqua – I motori elettrici e l'acqua non sono una combinazione riuscita. I motori standard sono studiati per livelli di tenuta a polvere e umidità che nella maggior parte dei progetti raggiungono la classificazione IP54. Gli ambienti umidi necessitano almeno della classificazione IP65. Nel settore della trasformazione dei prodotti alimentari è usuale trovare una serie di condizioni che impongono la protezione contro spruzzi d'acqua e corrosione. Potrebbero essere necessari anche lavaggi completi ad alta pressione o periodi di immersione. Le applicazioni sommerse non solo hanno bisogno di essere protette dalle infiltrazioni dell'acqua, ma devono anche soddisfare requisiti più rigidi in materia di pressione.
Igienici – Sottoinsieme di requisiti relativi alla trasformazione dei prodotti alimentari, gli ambienti igienici non solo richiedono lavaggi completi ad alta pressione e a temperatura elevata, ma anche che venga contrastato lo sviluppo di agenti patogeni sulle superfici dei motori. I motori progettati con alloggiamenti in alluminio o acciaio sono una valida soluzione nella maggior parte degli ambienti industriali, ma non sono l'opzione accettabile se sono da impiegare in contesti igienici a causa dell'ossidazione e delle irregolarità della superficie che potrebbero facilitare lo sviluppo di agenti patogeni.
Esplosivo – Applicazioni in elevatori per grani, mulini, stabilimenti tessili o altre strutture con presenza di gas combustibili, polvere, vapori o fibre necessitano di progetti di motori particolarmente adatti ad affrontare questi specifici rischi.
Radiazione – Applicazioni per motori in prossimità di un reattore nucleare o in determinati ambienti dello spazio esterno con una forte presenza di livelli di radiazione pongono una sfida riguardo alla scelta dei materiali del motore per ridurre al minimo il degrado delle prestazioni nel tempo.
Vibrazioni e urti elevati – I servomotori standard sono progettati per gestire le vibrazioni in eccesso in tipici ambienti industriali; tuttavia, per resistere a vibrazioni reiterate nel tempo o a vibrazioni dall'impatto improvviso, è necessario considerare altri parametri.
Aspetti specifici di cui tener conto in base all'ambiente
Ogni ambiente illustrato in precedenza si discosta in qualche modo dal tipico ambiente industriale che il progettista di motori deve soddisfare. Le combinazioni delle varie condizioni ambientali (come nel caso di un ambiente estremamente freddo e un ambiante estremamente caldo) sono ben più di una semplice sfida da affrontare.
Temperature estreme – Tutti i motori sono strutturati sulla base dell'aumento della temperatura nelle bobine del motore rispetto a una specifica temperatura ambiente. L'aumento della temperatura scalda le bobine che raggiungono la temperatura massima consentita a seconda del sistema di isolamento del motore, cui viene quindi assegnata una specifica classificazione (F, H ecc.). In un ambiente caldo, il motore limita la produzione della coppia grazie alla sua particolare capacità di dissipare le perdite per evitare il surriscaldamento delle bobine del motore. Per adattare il motore a questo tipo di contesto, si può effettuare un derating del motore sulla base della differenza tra temperatura nominale e temperatura ambiente. Un altro aspetto da considerare consiste nel migliorare il sistema di isolamento adottato con uno di classe superiore, che resiste a un maggiore aumento della temperatura. Altri metodi per contrastare l'aumento della temperatura propongono il raffreddamento del motore con lo spostamento dell'aria sopra o attraverso il motore o tramite raffreddamento a liquido che inietta fluido attraverso un alloggiamento del motore personalizzato. Gli ambienti freddi incidono sul motore in altro modo, ad esempio sulle prestazioni del lubrificante dei cuscinetti o sul grado di fragilità raggiunto dal materiale del motore (come nel caso dei cavi). Un'attenta selezione dei materiali del motore e del lubrificante dei cuscinetti può soddisfare le esigenze di un ambiente a basse temperature.
Vuoto – In una situazione di vuoto le capacità di convezione per dissipare il calore del motore sono limitate pertanto, analogamente all'approccio che si adotta nel caso delle temperature elevate, si procede al derating del motore o si introduce un dispositivo per aumentare l'evacuazione del calore dal motore. La scelta del materiale del motore e dei cuscinetti può essere critica anche a causa delle proprietà di degassamento dei materiali impiegati e della lubrificazione dei cuscinetti.
Camera bianca – La selezione del materiale è un aspetto critico nel caso di un motore usato in un ambiente di una camera bianca. A seconda del livello della classe della camera bianca, occorre analizzare le proprietà di degassamento dei materiali impiegati per la costruzione del motore in base alla temperatura e ai livelli di pressione atmosferica presenti nella camera bianca stessa. Elementi come cavi, grasso dei cuscinetti e guarnizioni dell'albero sono molto sensibili all'azione dei particolati molecolari del degassamento che possono contaminare l'ambiente della camera bianca.
Acqua – I metodi di sigillatura impediscono infiltrazioni d'acqua indesiderate che possono entrare a contatto con materiali interni soggetti a corrosione. La semplice aggiunta di guarnizioni potrebbe non fornire un solido progetto resistente all'acqua. Un motore considerato ben sigillato può in realtà avere un problema intrinseco correlato alla pressione interna accoppiata con cicli naturali di riscaldamento e raffreddamento del motore. All'aumentare della temperatura del motore, la pressione interna generata preme contro le guarnizioni. Quando il motore si raffredda, la riduzione della pressione interna tira la guarnizione verso l'interno. A causa di questa flessione continua, la guarnizione si rovinerà. Se il motore ha la possibilità di essere ventilato quando si alza la temperatura, la pressione interna non aumenterà e non si genererà un'azione di usura sulle guarnizioni. I progetti di motori elettrici sommersi incorporano un fluido interno non corrosivo e una camera d'aria che si adatta alle variazioni di pressione quando il motore viene immerso a profondità maggiori.
Igienici – Come per gli ambienti umidi, anche nelle applicazioni igieniche la sigillatura è un aspetto importante. Inoltre, per prevenire la crescita di agenti patogeni in crepe e fessure, tutte le superfici del motore esposte devono essere in acciaio inossidabile. L'alloggiamento del motore deve avere bordi arrotondati, nessun giunto o fissaggi di connessione che possano raccogliere liquidi e tutte le aree piane devon essere inclinate rispetto alla posizione di montaggio. I materiali di sigillatura e i cavi sono specificati in base ai requisiti alimentari da soddisfare nelle applicazioni del settore alimentare. Il classico requisito di protezione è IP69K (alta pressione, temperatura elevata con sostanze chimiche caustiche).
Esplosivo – I problemi posti dagli ambienti esplosivi impongono una mitigazione di gas, vapore, fibre o polvere specifici nell'ambiente dove potrebbero causare un'esplosione. La progettazione del motore è tale per cui, in caso di cortocircuito degli avvolgimenti ed esplosione interna, l'alloggiamento del motore limiterebbe e conterrebbe i potenziali percorsi dell'incendio in ciascun giunto del motore. Le specifiche classificazioni antideflagranti sono disciplinate da UL negli Stati Uniti, ATEX in Europa o CCC in Cina. La classificazione indica la pericolosità e la gravità specifici degli esplosivi.
Radiazione – Gli ambienti con radiazioni sono misurati dalla dose totale integrata, che identifica il livello di radiazione in uno specifico periodo di tempo. La selezione del materiale del motore si basa su questo parametro. I materiali standard del motore si degradano entro un breve arco di tempo se sono esposti a elevati livelli di radiazioni. Tuttavia, un motore resistente alle radiazioni con materiale tollerante ai livelli di dose integrati totali durerà a lungo nel tempo.
Vibrazioni e urti – La direzione dell'urto e la frequenza della vibrazione determinano la scelta delle opzioni più adatte per ridurre i potenziali danni al motore. Una soluzione comune prevede la scelta del sistema di cuscinetti e del dispositivo di retroazione. In un ambiente caratterizzato da urti elevati, l'uso di un robusto dispositivo di retroazione, ad esempio un resolver, anziché un fragile encoder in vetro è una soluzione più valida. I cuscinetti da usare sono di vario tipo e di diverse dimensioni, a seconda dei livelli di urti e vibrazioni.
Sebbene ognuna di queste condizioni ponga sfide al progettista del motore, molti motori hanno funzionato con ottimi risultati in questi tipi di ambienti. I progettisti dovrebbero analizzare le applicazioni di successo in ambienti simili, il che fornirebbe loro elementi per scegliere i materiali adatti per i motori e la costruzione meccanica adeguata al pericolo o all'ambiente estremo.
