Hai mai considerato un motore frameless?

Quando la maggior parte degli ingegneri pensa a un servomotore CC brushless, è probabile che visualizzi un alloggiamento con una flangia per accogliere i bulloni di montaggio, connettori per accogliere i cavi di alimentazione e dati e un albero del rotore che si accoppia al carico.

All'interno, si immagina uno statore costituito da una pila di laminazioni scanalate riempite da avvolgimenti di rame. All'interno dello statore si trova un rotore con magneti permanenti che interagiscono con il campo elettromagnetico dello statore per produrre il motion rotatorio. Il rotore a magneti permanenti è montato su un albero supportato da cuscinetti alle due estremità che ne consentono la rotazione libera. Nel progetto può essere incorporato anche un dispositivo di feedback.

Questo è il design più comune dei servomotori, ma cosa succederebbe se eliminassi tutto tranne il rotore e lo statore: nessun alloggiamento, nessun albero, nessun connettore, nessun cuscinetto, nessun feedback integrato?

Questo è il design essenziale di un servomotore frameless, un design che offre molti vantaggi e opportunità per alcuni tipi di applicazioni. Vediamo perché scegliere un motore frameless e come integrarlo nella tua macchina.

Perché frameless?

Senza alloggiamento, cuscinetti o altri componenti oltre allo statore e al rotore, un motore frameless offre il motion più compatto e a maggiore densità di coppia possibile. Invece di un proprio alloggiamento, il motore può essere incorporato direttamente nella progettazione meccanica della macchina. Invece dei propri cuscinetti, può utilizzare l'albero e i cuscinetti esistenti della macchina.

Per questi motivi, i servomotori frameless possono essere la scelta ideale per assemblaggi compatti di livello superiore - ad esempio, attuatori rotanti - in cui l'obiettivo di progettazione è ottenere la coppia e la precisione più elevate nel fattore di forma più compatto.

Incorporati direttamente nella macchina, i motori frameless possono essere protetti anche da condizioni ambientali difficili, come quelle che si incontrano nelle applicazioni di washdown ad alta pressione o in immersione. Con i motori frameless le macchine possono essere più leggere, più compatte e più precise e richiedono meno manutenzione.

Come integrare un motore frameless nel tuo progetto

Detto questo, incorporare un motore frameless richiede una maggiore attenzione ai dettagli di progettazione rispetto a imbullonare un motore housed e al suo accoppiamento al carico o a un riduttore. Ecco una panoramica delle considerazioni più importanti per la progettazione.

Innanzitutto, è necessario determinare i componenti necessari per completare il sistema meccanico frameless basato sul motore:

• Ingranaggi. I motori frameless sono spesso utilizzati per azionare direttamente il carico, senza backlash, cedevolezza o perdita di motion. Se è necessario un sistema di ingranaggi per aumentare la coppia, le scelte più appropriate includono riduttori compatti cilindrici, planetari, cicloidali o armonici (a onde di deformazione). Gli ingranaggi armonici sono particolarmente interessanti per le applicazioni che richiedono un elevato rapporto di riduzione nel fattore di forma più compatto e senza backlash.
• Dispositivo di feedback Nella maggior parte dei casi, desideri utilizzare un encoder (incrementale o assoluto, a seconda dell'applicazione). Negli ambienti più difficili, un resolver potrebbe essere la scelta migliore. Questi dispositivi di feedback rilevano la posizione del rotore per consentire il controllo della velocità e della posizione ad anello chiuso. Le tracce Hall su un encoder o un sensore a effetto Hall dedicato integrato nel motore forniscono le informazioni necessarie al servoazionamento per commutare correttamente la potenza erogata al motore.
• Freni. I freni elettromagnetici o meccanici possono essere necessari per fornire una coppia di mantenimento e per assicurare la sicurezza (soprattutto nelle applicazioni verticali) in caso di interruzione dell'alimentazione o di altri guasti del sistema. Un freno può anche essere utilizzato per "parcheggiare" un carico in una posizione stabile quando il motore è spento.
• Cuscinetti. Il rotore frameless è accoppiato direttamente all'albero rotante dell'asse della macchina, supportato dai propri cuscinetti. Non è necessario modificare il progetto complessivo della macchina, ma è necessario comprendere dove si trovano l'albero e i cuscinetti e determinare un punto sull'albero in cui è possibile aggiungere il rotore, quindi costruire l'elemento di alloggiamento per lo statore in base a questa posizione.

Successivamente, si considerano altri elementi di progettazione della macchina:

• Fattore di forma. Il tuo progetto meccanico è vincolato in termini di diametro o lunghezza del motore? I motori frameless sono disponibili sia in versione generatore di coppia (lunghezza assiale ridotta) sia in versione servo (lunghezza assiale maggiore). Se la tua applicazione può ospitare una lunghezza assiale relativamente compatta, nota che il diametro maggiore di un progetto di generatore di coppia consente di sfruttare la regola D²L per ottenere la massima densità di coppia.
• Dissipazione del calore. Poiché lo statore frameless è incorporato direttamente nella macchina, assicurati che il materiale dell'alloggiamento che supporta lo statore fornisca un adeguato isolamento termico. In genere, lo spessore della parete nelle immediate vicinanze dello statore deve essere di almeno 4-6 mm. L'alluminio è il materiale termicamente conduttivo migliore e più comunemente utilizzato a questo scopo. Anche l'acciaio va bene, anche se alcune leghe di acciaio inossidabile possono essere meno efficaci nell'allontanare il calore e il loro utilizzo deve essere condizionato a un'adeguata revisione del progetto.
• Assicurati di comprendere i limiti termici. Considera gli effetti del calore all'interno del sistema meccanico in base all'inserimento del motore nel gruppo. Ad esempio, in che modo un motore con una temperatura massima dell'avvolgimento di 155 °C influisce sui lubrificanti e sui componenti elettronici negli stretti confini di un attuatore rotante? 
  
  Anche con un dissipatore efficace, la temperatura nel raggio di 2,5 o 5 centimetri dall'armatura del motore può essere inferiore di soli 15-20 °C. Assicurati che i componenti sensibili al calore siano posizionati a una distanza sufficiente e/o prendi in considerazione un motore in grado di fornire la coppia e la velocità richieste a una temperatura massima dell'avvolgimento ridotta. I tool di progettazione disponibili sul sito web di Kollmorgen consentono ai progettisti di vedere come si comportano i nostri motori frameless ai limiti termici richiesti per l'applicazione.
• Prendi in considerazione i sensori termici. Questi possono essere utilizzati per determinare se il motore si scalda troppo. Un dispositivo termico PTC (coefficiente positivo di temperatura) aggiunto al servoazionamento può assicurare un arresto sicuro del sistema, se necessario. Durante la fase di prototipazione, puoi utilizzare un sensore a termistore lineare per misurare quanto si scalda il motore quando funziona al punto di carico della coppia/velocità richiesta. Nei sistemi di controllo avanzati, possono essere utilizzati sensori per monitorare quando il motore è troppo sollecitato e aiutare il sistema a decidere quando è necessaria la manutenzione.
• Progettazione per la producibilità. Quando si progetta un sistema di motion, come un attuatore rotante, è necessario iniziare con il risultato finale in mente, compresi tutti i passaggi e i costi che saranno coinvolti nella produzione del dispositivo e nella sua manutenzione nel corso della sua vita utile. Ricorda che la costruzione di un prototipo non equivale alla produzione su vasta scala. Assicurati di avere una fonte affidabile per tutti i componenti e che il processo di assemblaggio sia semplice. 
  
  Tieni presenti anche le elevate forze magnetiche presenti nel rotore a magneti permanenti. Pianifica le attrezzature e i dispositivi speciali di cui avrai bisogno per assemblare i motori in modo sicuro.

Perché utilizzare i servomotori frameless TBM2G?

Kollmorgen offre una gamma completa di servomotori frameless nelle collaudate serie TBM e KBM e nell'innovativa serie TBM2G. Con tensioni di bus da 24 a 680 VCC, dai requisiti delle applicazioni a coppia elevata a quelli delle applicazioni ad alta velocità, dagli ambienti ordinari a quelli difficili ed estremi: c'è una soluzione Kollmorgen praticamente per tutte le applicazioni che traggono vantaggio dalla tecnologia dei servoazionamenti frameless.

La serie TBM2G, la nostra famiglia di motori più recente e innovativa, utilizza un progetto di generatore di coppia (pancake) per fornire la massima densità di coppia in un pacchetto elettromagnetico estremamente compatto. Se il fattore di forma del generatore di coppia è adatto alle tue esigenze applicative, ecco i principali motivi per scegliere TBM2G:

• Efficienza termica. Rispetto alla temperatura massima dell'avvolgimento di 155 °C dei motori della concorrenza, i motori TBM2G sono ottimizzati per ottenere prestazioni eccezionali a una temperatura dell'avvolgimento di soli 85 °C (anche se possono sostenere prestazioni continue ancora più elevate alla temperatura massima dell'avvolgimento di 155 °C). 
  
  Il basso aumento termico del TBM2G lo rende ideale per l'uso in spazi ristretti, dove temperature più elevate potrebbero altrimenti danneggiare i lubrificanti dei cuscinetti e degli ingranaggi, l'elettronica di feedback e altri componenti sensibili al calore.
• Ampia gamma di dimensioni. Ottimizzati per bus di tensione fino a 48 VCC, i motori TBM2G sono disponibili in sette diametri di telaio (50-115 mm), ciascuno con una scelta di tre lunghezze di pila (8, 13, 26 mm) e tre varianti di avvolgimento (A, C, D). Si tratta di un totale di 63 configurazioni standard che si adattano praticamente a qualsiasi applicazione a bassa tensione.
• Scalabilità immediata. Kollmorgen è in grado di consegnare prototipi di motori in tempi brevi, pur mantenendo la massima qualità. Ancora più importante è il fatto che, una volta finalizzato il progetto, siamo in grado di scalare rapidamente fino a quantità di produzione complete, mantenendo una perfetta coerenza, per aiutarti a portare la tua macchina sul mercato più velocemente e con fiducia.

Il tuo futuro è frameless?

I motori frameless semplificano il motion, ma ci sono molte parti mobili quando si tratta di incorporarli in un progetto meccanico ottimizzato. Siamo qui per aiutarti a risolvere il problema. Contatta Kollmorgen e discutiamo insieme delle opportunità frameless per la tua applicazione.