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Motore Elettrico

en-lang Electric motor

I motori elettrici, i servomotori e gli azionamenti costituiscono la parte operativa di un sistema di motion control. I motori, in particolare, sono macchine elettriche che trasformano energia elettrica in energia meccanica.

Il Motion Control è l’insieme delle tecnologie e dei dispositivi che permettono di governare gli organi meccanici in movimento di un sistema automatico. Il concetto di Motion Control si può riferire a un semplice controllo on/off, a una sequenza di eventi, al controllo della velocità di un motore o allo spostamento di oggetti da un punto a un altro, o ancora al controllo incrementale della velocità, dell’accelerazione e della posizione. Oltre al sistema di controllo le tecniche di Motion Control possono essere legate alle apparecchiature di posizionamento e all’attuatore.

Il Motion Control si applica in prevalenza nelle linee di lavorazione automatizzate ad eventi cadenzati e programmati (macchine utensili a controllo numerico, macchine automatiche di confezionamento e imballaggio, robot e sistemi robotizzati, ecc.), laddove il prodotto viene lavorato in diversi modi dalla macchina manifatturiera, ad esempio può venire trasportato, lavorato, tagliato, impacchettato, ordinato ecc. Tutte queste operazioni richiedono la manipolazione del prodotto attraverso organi meccanici in movimento. La pianificazione e il controllo del moto risultano perciò elementi fondamentali nel processo di progettazione e costruzione della macchina automatica. La movimentazione controllata costituisce uno dei settori innovativi in cui risulta conveniente applicare l’approccio meccatronico per elevare la qualità delle prestazioni e migliorare la convenienza economica.

Oltre a servoazionamenti, servomotori e attuatori, le attuali applicazioni di Motion Control includono la gestione dell’I/O, il supporto di reti di comunicazione dedicate, specifici profili di protocollo e tecnologie safety.

Le metodologie progettuali e la componentistica sono peraltro comuni a scenari applicativi diversificati e non solo strettamente industriali (sistemi di puntamento, periferiche di computer, veicoli elettrici, sistemi di guida drive-by-wire o fly-by-wire, elettrodomestici).

 

Struttura e funzionalità di un sistema di Motion Control

 

Un sistema di movimentazione complesso è costituito da diverse movimentazioni singole. Ognuna di queste, opportunamente attivata e coordinata, concorre ad imprimere al sistema di lavorazione le funzionalità, le prestazioni e l’efficienza desiderate. L’elemento centrale di un sistema di movimentazione è costituito dall’insieme dei cinematismi destinati ad imprimere la movimentazione al carico tramite gli attuatori. Per automatizzare il ciclo di lavorazione è necessario inserire un’opportuna strumentazione di misura e rendere operativa la modalità di controllo secondo cui attivare e temporizzare le variabili di comando ai singoli attuatori. I dispositivi di misura e il sistema di elaborazione dedicato consentono di inviare agli attuatori i segnali di comando necessari per ottenere le finalità e le prestazioni desiderate. Inoltre fra dispositivi di misura, sistema di elaborazione ed attuatori deve essere attivato un flusso di dati.

L’energia necessaria per rendere operativa la movimentazione viene assorbita dalla rete di alimentazione primaria. In parte è utilizzata per ottenere la movimentazione dei cinematismi e in parte viene ceduta al carico. Per carico si intendono le parti meccaniche coinvolte in ciascuna movimentazione. Le singole movimentazioni possono essere del tutto indipendenti fra di loro oppure interagire attraverso il carico o la struttura meccanica di supporto. Di tali interazioni occorre tenere conto nella progettazione delle modalità di controllo. Se il loro effetto è quello di degradare le prestazioni, conviene prendere in considerazione l’opportunità di apportare modifiche alla modalità di controllo oppure di rivedere la realizzazione della struttura di supporto o la scelta degli attuatori e della strumentazione di misura.

La realizzazione di un sistema di Motion Control è in genere completata da un software di gestione e da un’interfaccia uomo-macchina.

I motori elettrici sono apparati di conversione energetica concepiti per ottimizzare i circuiti di controllo e di misura, garantire accuratezza nel posizionamento, modulare il valore della coppia in funzione della velocità. Una prima suddivisione generale dei motori elettrici è relativa alla natura della corrente elettrica che circola negli avvolgimenti: a corrente alternata o a corrente continua. I motori elettrici hanno caratteristiche peculiari che li rendono macchine estremamente versatili. In primo luogo possono essere installati in qualunque posizione e nelle condizioni ambientali più disparate. In secondo luogo sono disponibili con un vastissimo range di potenze utilizzabili, da poche frazioni di watt e a decine di migliaia di kilowatt. Possono infine presentare una certa varietà di funzionamento e un ampio campo di regolazione di velocità.

 

Principio di funzionamento e classificazione

 

Una classificazione di base dei motori elettrici può essere compiuta prendendo in esame la natura della corrente elettrica che circola negli avvolgimenti, il modo di funzionamento, la struttura dello statore e del rotore. È noto dall’elettromagnetismo che in una spira percorsa da una corrente elettrica, immersa in un campo magnetico, si generano delle forze. Inoltre, si sa che due zone di uguale polarità si respingono, mentre due zone di opposta polarità si attraggono. Sulla base di questi principi, se si pone una ipotetica spira all’interno di un campo magnetico e la si fa percorrere da una corrente elettrica, si verifica una interazione tra i due campi magnetici. L’interazione magnete-spira dà luogo quindi a una coppia, cioè si sviluppano due forze di uguale entità ma di segno opposto, producendo la rotazione della spira lungo la perpendicolare rispetto al piano della coppia stessa. Si può quindi affermare che il principio di funzionamento di un motore elettrico è basato su un campo magnetico rotante.

Funzionamento Struttura Descrizione
Motori in corrente alternata
Sincroni Monofase a riluttanza I motori sincroni monofase sono caratterizzati da una velocità di rotazione costante, indipendente dal carico. Inoltre, possono assorbire una corrente in anticipo rispetto alla tensione di alimentazione.
Monofase a isteresi
Monofase a magneti permanenti
Monofase lineari
Trifase I motori sincroni trifase sono formati da uno statore, con un normale avvolgimento trifase, il quale diventa la sede del campo magnetico. Il rotore invece ha la forma di una ruota polare, alimentata in corrente continua.
Asincroni A gabbia di scoiattolo Il motore asincrono trifase è una macchina rotante costituita da uno statore fisso e da un rotore. Nello statore sono posizionati tre avvolgimenti uguali, i cui assi geometrici risultano radiali e reciprocamente spostati di 120° elettrici.
A rotore avvolto
A doppia polarità
Motori in corrente continua
A magneti permanenti A spazzole Motore in corrente continua con una parte che gira detta appunto rotore o anche armatura e una parte che genera un campo magnetico fisso detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o collettore a spazzole inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica.
Brushless I motori brushless rappresentano la soluzione dei motori in corrente continua senza spazzole. È da ricordare che il maggiore limite dei motori con nucleo di ferro è il riscaldamento che si genera all’interno.
Con statore a filo avvolto A eccitazione indipendente Nei motori tradizionali in CC, la coppia motrice è proporzionale al prodotto tra la corrente di indotto e il flusso induttore. La velocità a sua volta è proporzionale al rapporto tra la forza controelettromotrice e il flusso induttore
A eccitazione in parallelo
A eccitazione in serie
Passo-Passo A magnete permanente Il motore passo-passo (Stepping Motor) è un motore a corrente continua senza spazzole, il cui rotore ruota di un determinato angolo, quando lo statore è governato con una opportuna programmazione.
A riluttanza variabile
Ibridi

Classificazione principali tipologie motori elettrici

 


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