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MOTORI ELETTRICI LINEARIMOTORI ELETTRICI LINEARI
Il panorama dei motori lineari Il panorama dei motori lineari disponibili in commercio,disponibili in commercio,criteri di scelta,criteri di scelta,studi ed esempi di applicazionestudi ed esempi di applicazione
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Introduzione
I motori lineari sono motori elettrici che producono il moto direttamente in forma lineare.
“srotolando su un piano i tradizionali motori rotativi”
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Introduzione
Alcuni parametri da tenere in considerazione con i motori lineari:
• La corsa
• Porre attenzione agli ingombri
impegnati dal motore durante
il moto
corsa
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Introduzione
I principi di funzionamento dei motori lineari
Motori passo
Motori asincroni
Motori sincroni
Riluttanza variabile
Riluttanza fissa
I principi di fisici alla base del funzionamento sono gli stessi dei motori rotativi.
Principi di funzionamento
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Motori passo (LSTM)
Principi di funzionamento
Struttura dentata ferromagnetica
o magneti permanenti (MP)
t = passo della dentatura
m = numero di fasi (3 o 4)
p = passo = t / 2m
Come nei motori passo rotativi, all’eccitazione di ogni fase, il sistema si dispone per offrire alle linee di flusso del campo magnetico la riluttanza minore.
Si ottiene così un moto incrementale ed ogni incremento si definisce passo
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Motori passo (LSTM)
Eccitando le fasi “1”
Principi di funzionamento
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Motori passo (LSTM)
Eccitando le fasi “2”
Principi di funzionamento
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Motori passo (LSTM)
Eccitando le fasi “2”
Principi di funzionamento
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Motori passo (LSTM)La struttura elettromagnetica
Motore IBRIDO in cui nell’armatura è presente un magnete permanente
• vantaggio - presenza di un campo magnetico permanente conservare la posizione anche con motore spento
• svantaggi - aumento dei costi e della forza d’attrazione
Principi di funzionamento
IBRIDO
NORMALE
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• A meno di non richiedere prestazioni molto spinte si ha controllo in catena aperta (semplicità e insensibilità ai disturbi)
• Prestazioni statiche e dinamiche superiori possono essere ottenute sai inserendo un sensore di posizione per realizzare un anello di retroazione (catena chiusa) sia con tecniche di microstepping
Motori passo (LSTM)
Principi di funzionamentoPrincipi di funzionamento
Generatore impulsi di comando
Convertitore di alimentazione
Motore stepper
Energia
MovimentoLogica di comando
Sensore di posizione
+
_
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• Moto incrementale Vibrazioni e Rumorosità• Instabilità ad alcune frequenze degli impulsi di alimentazione per
possibili fenomeni di risonanza meccanica col carico• Il rapporto tra traferro e passo deve essere ridotto
per avere alta risoluzionetraferro di decimi di mm,difficoltà nella realizzazione meccanica di lunghe corse
• Prestazioni non elevate né velocità né spinta• Forza normale d’attrazione circa 7-10 volte la spinta massima
Motori passo (LSTM)
Principi di funzionamento
SvantaggiSvantaggi
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Motori passo (LSTM)
• Orologeria,• macchine a controllo numerico,• macchine per l’industria tessile,• fotocopiatrici,• plotter, • stampanti, • sistemi di controllo ottico, • strumenti elettromedicali
Principi di funzionamento
Esistono anche motori passo capaci di muoversi all’interno di un piano
(motori X-Y)
Applicazione tipica: plotter
ApplicazioniApplicazioni
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Indotto
Armatura
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
Motori ad induzione o asincroni
Primario con avvolgimenti trifase o bifase
Secondario di materiale conduttore
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Indotto
Armatura
Le fasi del PRIMARIO vengono opportunamente eccitate da correnti sinusoidali
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
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Indotto
Armatura
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
Si produce così un campo magnetico traslante con velocità vs= 2 f t
f = Frequenza di alimentazione [Hz]
t = semipasso polare [m]
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Indotto
Armatura
Correnti indotte
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
il moto relativo tra l’INDOTTO ed il campo magnetico traslante provoca nell’indotto una f.e.m che genera le “correnti indotte”
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Indotto
Armatura
Campo magnetico indotto
Le correnti indotte generano a loro volta un altro campo magnetico che interagisce con quello generato dal primario inseguendolo
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
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• il motore non può funzionare in condizione di sincronismo cioè se c’è coincidenza tra la velocità del campo traslante e quella dell’indotto (Asincrono)
• la parte indotta non deve essere alimentata per cui il secondario può essere costituito dall’oggetto stesso che si vuole muovere
[Costruzione aperta]
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
Particolarità del motore lineare asincrono
Primario
Secondario
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Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
• Prestazioni dei LIM per uso industriale
Spinte > 2000 N [con bassi valori del Duty Cycle ]Accelerazioni di 1 gVelocità elevate fino a 50 m/sec
• Assenza di MP costi ridotti nella realizzazione di lunghe corse
• Ottimi per sistemi di trasporto civile ed industriale
La spinta è indipendente dal contatto ruota rotaia
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• Il controllo risulta complessoPer realizzare il controllo in posizione è necessario il controllodi tipo vettoriale delle correnti nelle fasi del primario
• Durante il funzionamento può esserci un’elevata forza normalerepulsive o attrattive
• Il rendimento è peggiore rispetto ai motori sincroni
• ed a parità di spinta anche l’ingombro è maggiore
Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
SvantaggiSvantaggi
DSLIM
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Motori ad induzione (LIM)
Principi di funzionamento
Motore asincrono prodotto da Normag - Baldor
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Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
Principi di funzionamento
S N S N S N S N
21 3
Pista con magneti permanenti
Avvolgimento trifase
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Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
Principi di funzionamento
S N S N S N S N
21 3
Flusso magnetico concatenato con
la prima spira
Derivata del flusso magnetico concatenato con
la prima spira
dld c1ϕ
1cϕ
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Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
Principi di funzionamento
∑=
=3
1q
qcq dld
IFϕ
dld c1ϕ
1cϕ
Correnteall’interno
della fase q
Derivatadel flusso concatenato con la fase q
La spinta che si esercita sull’avvolgimento è esprimibile secondo l’espressione:
60° 120° 180° 240° 300° 360° [ gradi elettrici ]
dld c2ϕ
dld c3ϕ
2cϕ
3cϕ
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Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
Principi di funzionamento
∑=
=3
1q
qcq dld
IFϕ
dld c1ϕ
1cϕ Alternando le fasi ed i segni delle correnti all’interno delle tre bobine si può ottenere una spinta costante
60° 120° 180° 240° 300° 360° [ gradi elettrici ]
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• Per comandare la commutazione è necessario conoscere la posizione del movente rispetto al campo magnetico ed è quindi necessario un sensore di posizione
• ad effetto Hall
• sfruttando l’Encoder usato come sensore di posizione per il controllo in retroazione
• Le correnti nell’avvolgimento possono essere sia trapezoidali che sinusoidali (migliore in termini di inerzia potenza e peso)
Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
Principi di funzionamento
Particolarità del motore lineare sincrono [ Brushless ]
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Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
• Costo elevato dei magneti permanenti
• In alcune forme costruttive è presente un’elevata forza d’attrazione(circa 10-15 volte la spinta massima)
• Necessità di proteggere con gusci e soffietti i magneti da polveri etrucioli ferromagnetici (macchine utensili).
Principi di funzionamento
SvantaggiSvantaggi
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Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
Per una serie di aspetti positivi i motori sincroni sono di gran lunga i più diffusi ciò è testimoniato anche della massiccia presenza di prodotti disponibili in commercio• Elevate prestazioni dinamiche
velocità fino a 5 - 7 m/secaccelerazioni anche superiori a 20 gspinte massime anche di 15 kN
• Dolcezza del moto• Qualità nel posizionamento [risoluzione, accuratezza, ripetibilità]• Il sistema di controllo e alimentazione simile ed integrabile con
quello dei brushless rotativi che ormai è da considerarsi unostandard industriale
Principi di funzionamento
VantaggiVantaggi
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I valori di corsa e spinta dei motori sincroni rispondono pienamente alle esigenze delle macchine automatiche
Principi di funzionamento
Motori sincroni Motori sincroni (LSM)
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
Spinta in N
1
100
10000
1000
10
0.01Corsa in m
LSMLSTM
LIM
Sistemi di movimentazione industriale
Asservimenti di posizione
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Morfologie costruttive dei motori lineariMorfologie costruttive dei motori lineari
• Motori BILATERI
• Motori TUBOLARI
• Motori MONOLATERI
Un’altra fondamentale classificazione dei motori lineari può essere effettuata analizzando le diverse forme costruttive:
Ogni struttura ha delle caratteristiche peculiari, generalmente si puòdistinguere tra:
Forme costruttive dei motori sincroni
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Motori monolateri (Motori monolateri (IRONCOREIRONCORE))
Forme costruttive dei motori sincroni
Per concentrare le linee di flusso del campo magnetico concatenato con le spire del movente si aggiunge un “nucleo ferromagnetico”
La struttura monolatera essendo aperta provoca una dispersione del campo magnetico
.onccϕ ⇒ FMassa mov
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Motori monolateri (Motori monolateri (IRONCOREIRONCORE))• Si realizzano così i più elevati valori di spinta
(15 kN con raffreddamento forzato)• Buona possibilità di dissipare il calore prodotto
perché la grande superficie di scambio termicoper ventilazione forzata data dal moto generalmente rapido
• Modularità della corsa
• Forza d’attrazione• Maggiore inerzia del movente
VantaggiVantaggi
SvantaggiSvantaggi • Nucleo ferromagnetico
Forme costruttive dei motori sincroni
ApplicazioniApplicazioni • dove sono necessarie alte spinte e precisionemacchine utensili [Siemens, Kollmorgen ]
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Motori bilateri (Motori bilateri (IRONLESSIRONLESS))
Forme costruttive dei motori sincroni
L’avvolgimento e disposto tra due piste affacciate di magneti permanenti • Il flusso si concatena quasi
totalmente con le spire• Non si può inserire un nucleo
ferromagnetico
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Motori bilateri (Motori bilateri (IRONLESSIRONLESS))
• Simmetria del campo magnetico • Ottimo sfruttamento del flusso magnetico • Assenza di forze d’attrazione• Massa ridotta del movente (resine epossidiche)
• Struttura chiusa Difficoltà di smaltimento termicoSpinte non superiori a 2 kN
Forme costruttive dei motori sincroni
VantaggiVantaggi
SvantaggiSvantaggi
ApplicazioniApplicazioni• Dove non sono necessarie alti valori della spinta ma
movimenti rapidi e precisi• Pick and Place e robot cartesiani
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Motori cilindrici (Motori cilindrici (TUBULARTUBULAR))
Forme costruttive dei motori sincroni
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Motori cilindrici (Motori cilindrici (TUBULARTUBULAR))
Forme costruttive dei motori sincroni
I motori della ThrustTube
I motori della Sulzer LinMot P
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Motori cilindrici (Motori cilindrici (TUBULARTUBULAR))
• Ottimo sfruttamento del flusso magnetico• Eccellente comportamento termico
facilità di raffreddamentoventilazione forzata durante il moto
• Bassi costi di costruzione dell’avvolgimento
• Lunghezza della corsa limitata• Effetti di bordo La spinta può calare con la
fuoriuscita dello stelo
Forme costruttive dei motori sincroni
VantaggiVantaggi
SvantaggiSvantaggi
ApplicazioniApplicazioni • Applicazione molto veloci su corse medio brevi• Pick and Place, spingitori, tastatori
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Forme costruttive dei motori sincroni
Morfologie costruttive dei motori lineariMorfologie costruttive dei motori lineari
Confronto tra le prestazioni in termini di spinta delle varie morfologie costruttive di motori sincroni.
Da un’indagine in cui sono stati considerati più di 200 motori di 10 tra le maggiori ditte produttrici
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Metodi di selezione e dimensionamento
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Dimensionamento elettrico del motoreDimensionamento elettrico del motoreLe prestazioni di ogni macchina elettrica sono limitate dalla capacità di espellere il calore prodotto per effetto Joule (perdite nel rame)
Infatti se la temperatura del motore supera un certo limite ( ~150°C ) si danneggia il materiale isolante dell’avvolgimento e si smagnetizzano i MP.
Condizioni fondamentali per il dimensionamento
elettrico
fKIF ⋅=
2IRPJoule ⋅=
nomJoule PP <RMSCont FF >
MAXPeak FF >
Da catalogo Caratteristiche dell’applicazione
2
2
f
RMSJoule K
FRP ⋅=
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AzionamentoI costruttori oltre al motore forniscono anche il sistema di alimentazione in tal caso sono disponibili da catalogo e vanno verificate le curve caratteristiche(Velocità vs Forza)
E. elettr..
Regolazione En.elettr.
En. el. En. mec.
Rete elettrica
Sistema di alimentazione
Motore
Flusso di energia
Dimensionamento elettrico del motoreDimensionamento elettrico del motore
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Modello di dimensionamento meccanicoModello di dimensionamento meccanico
Equazioni di equilibrio
Riduzione delle masse
Ottimizzazione delle leggi di moto (aMax e aRMS)
Canoni fondamentali per il dimensionamento
meccanico
Spinta richiesta al motore
inerziastatbilattritopesoesternemotore FFFtFtFF +++⋅+⋅= ..ˆˆ
aMF totinerzia ⋅=
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Modello di dimensionamento meccanicoModello di dimensionamento meccanico
Scegliendo un motore di taglia maggiore aumentano la Fcont e la F Peak ma aumenta anche la massa del movente ed, a parità di accelerazione, crescono la Frms e Fmax
Definire la legge di moto Motore di primo tentativo
Equazioni di equilibrio
Calcolo di FRMS e FMAX
Verifica:FRMS < FcontFMAX < FPeak
Scelta di altro motoreo della taglia superioreo di un altro costruttore
o di un'altra tipologia
Ok
No
Ottimizzazione della legge di moto- rispetto dei vincoli di posizionamento- minimizazare aRMS e aMAX
M totale = M pagante + M movente
Il procedimento di calcolo è
INEVITABILMENTEiterativo !!
aMF totinerzia ⋅= aMF totinerzia ⋅= aMF totinerzia ⋅=
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Organi ausiliari alla movimentazione lineareOrgani ausiliari alla movimentazione lineare
• Telaio e della slitta traslante (massima cura nel disegno)
• Sistema guide lineari
• Sensore di posizione per il sistema controllo
• Sistema di governo e guida dei cavi
• Eventuale sistema di raffreddamento
• Eventuale sistema di bilanciamento statico
La movimentazione lineare necessita di un gran numero di apparati accessori
Questi svolgono un ruolo fondamentale in fase di dimensionamento, tanto è vero, non si può in alcun modo trascurare la loro influenza sulle equazioni di equilibrio.
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Le tolleranze imposte sul traferro e dal sensore di retroazione impongono strette tolleranze dimensionali e rigidezza strutturale questo impone particolare cura nella progettazione
• della Struttura del telaio e della slitta
• del Sistema guide lineari
Guide di precisione
Guide profilate
Manicotti a sfere
Guide a circolazione di sfere o di rulli:
Possono costituire un limite al valore massimo dell’acc.
Va svolto un intervento di ingrassaggio ogni in media ogni 100 Km di esercizio
Fattr Massa guide
Guide lineariGuide lineari
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Ci sono differenti tipologie di encoder nel campo dei motori lineari:
• Encoder ottici predominanti nelle applicazioni industrialipermettono un’altissima risoluzione [20 µm – 0.1 µm]accuratezza maggiore rispetto alle altre tipologie
Sensori di posizioneSensori di posizione
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• Encoder magnetici (magneto-resistenze o ad effetto di Hall)semplicitàridotta sensibilità allo sporco e alle vibrazionicosto ridotto
Sensori di posizioneSensori di posizione
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Quasi la totalità dei motori lineari presente in commercio prevede che la parte in moto sia alimentata.
L’affidabilità dei cavi di alimentazione e di retroazione è fondamentale
Potenza ↑ Voltaggio ↑ Sezioni dei conduttori ↑ Stress flessione ↑
Sono necessari cavi speciali high flex long life
Possono costituire una seria limitazione alle accelerazioni massime
Cavi e sistemi Cavi e sistemi guidacaviguidacavi
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L’evacuazione del calore prodotto negli avvolgimenti è cruciale.
Esistono tre tipologie dei sistemi di raffreddamento:
Sistemi di raffreddamentoSistemi di raffreddamento
• Scambiatore alettatoGeneralmente in alluminio,Al di sopra di un certo valore della velocità del movente loscambio termico avviene per convezione forzata
• Raffreddamento forzato ad aria Un flusso d’aria compressa transita nell’avvolgimento e sidisperde nell’ambiente
• Raffreddamento a fluido (acqua, olio)E’ la più efficace ma molto rara
esempio Siemens per macchine utensili tre circuiti diraffreddamento (avvolgimento, magneti, precisione)
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Per loro natura i motori lineari non sono in grado di contrastare il moto retrogrado in condizione di power failure.
Sistemi per il bilanciamento staticoSistemi per il bilanciamento statico
Nel caso il movimento non sia orizzontale e’ necessario prevedere un sistema di bilanciamento statico o di frenatura spontanea
• Bilanciamento a contro-massa usato solo negli ascensori
• Bilanciamento a molla molto vantaggioso per l’elevato rapporto tra forza e massa
• Bilanciamento pneumatico attuatore pneumatico a semplice effetto + valvola regolatricedella pressione
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Due configurazioni commercialiDue configurazioni commerciali
I motori lineari sono presenti sul mercato in due configurazioni
• Configurazione minima (solo statore e movente) consente la massima libertà in fase di progettazione perl’ottimizzazione delle prestazioni
configurazione minima
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I motori lineari sono presenti sul mercato in due configurazioni
• configurazione integrata (completa di tutti gli organi ausiliari) semplifica e rende la progettazione più affidabile ed economica
Magnetipermanenti
Movente
Fine corsa
Rotaia della guida profilata
Catena portacavi
Sensore di posizione
configurazione integrata
Due configurazioni commercialiDue configurazioni commerciali
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Alcuni parametri chiave nella progettazione
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In questa sezione verrà fornita l’identificazione e la rappresentazione grafica di alcuni parametri caratteristici dei motori lineari
Ciò costituisce:
• un passo fondamentale nel crearsi una sensibilità sui parametri che intervengono in modo più deciso nel dimensionamento e nella scelta di un motore lineare
• uno strumento di valutazione e di confronto sia per orientarsi nella scelta tra le differenti soluzioni costruttivesia nella selezione di singolo prodotto specifico
Alcuni parametri chiaveAlcuni parametri chiave
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I parametri più importanti sono:
Alcuni parametri chiaveAlcuni parametri chiave
moventeMassaFAcc maxmax =
• l’accelerazione continua
• il rapporto tra forza continua
e forza d’attrazione
Inoltre, verrà definita la Sensibilità alla variazione del carico pagante
movente
contcont Massa
FAcc =
• l’accelerazione massima
Cont
AttrAttr F
FK =.
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Accelerazione continua Monolateri e Bilateri
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Massa movente (kg)
Forz
a co
ntin
ua in
N
Mon. Not cooledMon. Water cooledBilateri
L’accelerazione continuaL’accelerazione continua
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I dati riportati nei diagrammi precedenti sono il risultato di un’indagine nella quale sono stati esaminati circa 230 motori monolateri e bilateri di 8 case costruttrici.
Forma costruttivaAccelerazione
continua [ m/sec2 ]
Accelerazione continua
[ g ]
Motori bilateri 187 19
Motori monolateri raffreddati ad acqua 161 16.5
Motori monolateri non raffreddati 91 9.3
L’accelerazione continuaL’accelerazione continua
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L’accelerazione continuaL’accelerazione continua
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Comportamento con carichi utiliComportamento con carichi utili
Accelerazioni continue di motori di tipologie differenti con valore della spinta continua simile,in funzione della massa trasportata in un moto orizzontale.
Casa costruttrice Tipologia Massa del movente [Kg]Forza
continua [N]
KollmorgenIL 24 -100 Bilatera 1.42 450
AnoradLCD-T-3-P
Monolatera water cooled 3.6 425
AnoradLFA-S-3-P
Monolatera non raffreddato 9.1 475
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Comportamento con carichi utiliComportamento con carichi utili
I motori monolateri sono meno sensibili alla variazione del carico utile rispetto a quelli bilateri.
Sensibilità all'aumentare della massa del carico
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Massa del carico (kg)
Acc
eler
azio
ne (m
/sec
^2)
Motore bilateroMotore monolatero water cooledMotore monolatero non raffreddato
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Comportamento con carichi utiliComportamento con carichi utiliVa tenuto in conto anche quanto il motore sia più o meno sensibile al variare dell’entità della massa da movimentare
Sensibilità all'aumentare della massa del carico
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Massa del carico (kg)
Acce
lera
zion
e (m
/sec
^2) 1.38 Kg, 75 N, 54m/sec 2̂
2.10 Kg, 97 N, 46m/sec 2̂
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Vantaggi e limitazioninell’utilizzo di motori lineari
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I vantaggi nell’utilizzo di motori lineari I vantaggi nell’utilizzo di motori lineari Elevate prestazioni intrinseche
Consente la filosofia progettuale “DIRECT DRIVE”
elevate velocità ( > 10 m/sec ) elevate accelerazione ( > 20 g) elevata precisione ed accuratezza di posizionamento
Riduzione e semplificazione della catena cinematica
• Consente una maggiore flessibilità operativa(non ho rigidi meccanismi ma dispositivi programmabili)
• Eliminazione delle inerzie, dei giochi, dell’elasticità edegli effetti d’usura degli organi della catena cinematica
Miglioramento delle prestazioni del sistema
• Aumento dell’affidabilità
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Le difficoltà legate all’utilizzo di motori lineari Le difficoltà legate all’utilizzo di motori lineari
Limitazioni tecniche• Le spinte esercitate dai motori lineari sono inferiori ai dispositivi tradizionali [ potenza e forza specifica ]
• Non essendo presente un riduttore di velocità il motore sente direttamente tutto il carico
Limitazioni economiche
• Costo dei materiali (MP)
• Il mercato è ancora molto ristretto
non si possono applicare economie di scala
Costi elevati
Limitata diffusione
• La scarsa conoscenza delle reali potenzialità dei motori lineari
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Il primo motore lineareè stato costruito da Wheatstone
nel 1845
Le applicazioni
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Le applicazioni
I motivi del recente sviluppo dei motori elettrici
Sviluppo di materiali sempre più performanti:
Sviluppo dell’elettronica di potenzaRapida evoluzione nella componentistica elettronicaApplicazione di strategie di controllo innovativeMetodologie di progettazione più raffinate (F.E.M.)Affermazione di nuove aree di applicazione (industria elettronica)Richiesta di motori direct drive ad alta velocità e ad alta coppia/spinta
magneti permanenti
processi di sinterizzazione delle polveri
isolanti adatti a sopportare alte temperature
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Applicazioni industriali dei motori lineariApplicazioni industriali dei motori lineari
Capacità movimentare con estrema velocità e precisione oggetti di massa ridotta
Sviluppati nella Silicon Vallley per componenti elettronici, chip schede telefoniche, …
Per la loro flessibilità operativa e precisione sono molto usati nelle macchine utensili
tavole porta-pezzo taglio e saldatura laser, fresatrici, macchine per la lavorazione del legno, …
Per la loro flessibilità operativa e semplificazione dell’architettura delle macchine Packaging
GD pacchetti di sigarette, imballaggio pannolini, glassatura delle dolciumi, test, alimentatori, …
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Esame di tre casi applicativi scelti per la loro:
• forte rappresentatività per il mondo delle macchine automatiche
• e poiché consentono di illustrare due contesti progettuali radicalmentediversi:
Altadinamica
Progettazionead hoc
Motore inconfigurazione
minima
Moderata dinamica
Progettazioneordinaria Sistema integrato
Flessibilità
Economicità
Applicazioni industriali dei motori lineariApplicazioni industriali dei motori lineari
1°
2°- 3°
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Applicazione ad alta dinamicaApplicazione ad alta dinamica
Tipologia: Dispositivo sollevatore
Soluzione attuale:
• manovellismo di spinta con motoriduttore brushless
• corsa di 227 mm
• ritmo operativo pari a 160 battute/minuto
Evoluzione oggetto dello studio
• piattello direttamente azionato da un motore lineare;
• incrementare il ritmo operativo a 250 battute/minuto
1°1°
71
Legge di moto:
Ottimizzazione con obiettivo: aRMS minimo
Periodo: 240 msecCorsa: 277 mmVelocità massima: 6 m/secValore massimo accelerazione: 24.2 gValore efficace accelerazione: 12.32 g
1°1° Applicazione ad alta dinamicaApplicazione ad alta dinamica
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Applicazione ad alta dinamicaApplicazione ad alta dinamica
Sistema di guide lineari: Guida profilata
(carrello fisso e rotaia opportunamente alleggerita)
Sistema di bilanciamento statico: Pneumatico
Massa traslante (ridotta al minimo): 1,5 Kg (escluso movente)
Tipo di motore scelto: LSM brushless
Morfologia costruttiva: Bilatero ( IRONLESS )
Casa costruttrice: KOLLMORGEN
Modello: IL 24-100-A4
Massa del movente: 1.42 kg
Forza Continua: 450 N [ Frms = 400 N; 89% di F cont ]
Forza Peak: 1600 N [ Fmax = 585 N; 37% di F peak ]
1°1°
73
Applicazione con dinamica moderataApplicazione con dinamica moderataTipologia:Movimentazione delle pistole per deposizione colla a caldo
2°2°
Cordone trasversale
Cordone longitudinale
Soluzione attuale:• manovellismo di spinta
con brushless rotativo• corsa 127 mm • tratto a velocità costante
(0.65 m/sec) • ritmo operativo pari a 120 bpm
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2°2°
Evoluzione oggetto dello studio: • semplificare l’architettura della macchina • aumentare la flessibilità operativa
In questo caso non è possibile una preliminare ottimizzazione della massamovente poichè il maggiore carico inerziale è costituito dalle pistole perla collaLa legge di moto è stata ottimizzatausando il metodo Monte Carlomodificato con obiettivo di ARMS
Posizione [mm vs sec] Velocità [m/sec vs msec]
Acceleraz. [mm/sec^2 vs msec]
Applicazione con dinamica moderataApplicazione con dinamica moderata
75Stage Trilogy T3E
2°2°
Tipo di motore scelto: Sistema integrato con motore LSM Morfologia costruttiva: Bilatero ( IRONLESS )
[ Fmax = 243 N; 44,6% di F peak ][ Frms = 90 N; 70% di F cont ]
Casa costruttrice: TRILOGYModello: Stage T3E - 3poliMassa del movente: 2.8 kgForza Continua: 130 NForza Peak: 540 N
Applicazione con dinamica moderataApplicazione con dinamica moderata
Costo stimato: 5.000 $
76
3°3° Applicazione con dinamica moderataApplicazione con dinamica moderata
Tipologia:Spingitore per una astucciatrice a trasferimento sincrono intermittente
Nastro adduzione scatole
Nastro adduzione prodotti
Camma solidaleall'albero Master
Asta spingitore Prodotti
77
3°3° Applicazione con dinamica moderataApplicazione con dinamica moderata
Soluzione attuale:Questa stazione operativa costituisce attualmente il collo di bottiglia per l’innalzamento del ritmo produttivo della macchina
• Vibrazioni• Difficoltà nel controllare la legge di moto per migliorare la dinamica dell’urto con il prodotto
Evoluzione oggetto dello studio• spingitore direttamente azionato
da un motore lineare;• incrementare il ritmo operativo;Ritmo produttivo: 80 btm escursione: 400 mmmassa prodotto: 1Kg 0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
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3°3° Applicazione con dinamica moderataApplicazione con dinamica moderata
Tipo di motore scelto:Sistema integrato con motore LSM Morfologia costruttiva:Tubolare ad albero fisso
Casa costruttrice: ThustTube Modello: Linear Drive TB 3804Massa movente: 2,9 KgForza Cont: 104 NF rms: 84,4 N [81% Fcont]Forza Peak: 1584 NForza Max: 195 N [12% Fpeak]
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Valutazioni conclusiveValutazioni conclusive
Confrontando le necessità specifiche delle macchine automatiche per il packaging e l’assemblaggio con le potenzialità dei motori lineari emerge:
I motori lineari devono ancora evolvere per soddisfare le esigenze delle macchine automatiche
• Molti motori sono sovrabbondanti per accuratezza di posizionamento e rigidezza ma ancora troppo ingombranti e pesanti.
• Mercato ancora giovane non c’è stata ancora né una selezione néuna specializzazione, manca una standardizzazione dei datasheet
• Molti attuatori sono ottimizzati per esigenze di macchine di altre famiglie di impiego (macchine utensili), mentre una progettazione piùorientata porterebbe una riduzione di ingombri, costi e migliori prestazioni dinamiche
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Valutazioni conclusiveValutazioni conclusive
Alcuni auspicabili miglioramenti dell’offerta commerciale:
• Per alti ritmi operativi e corse limitate sviluppare motori “moving magnet”Infatti, non alimentando la parte in moto, si elimina il problema del trasporto e dell’usura dei cavi.
• Evolvere i motori lineari di tipo asincrono oggi scarsamente presenti sul mercato ma che sono sicuramente i più economici
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Valutazioni conclusiveValutazioni conclusive
Aspetti e raccomandazioni riguardanti la progettazione:
L’applicazione di un motore lineare non si può limitare alla semplice sostituzione di una parte di una macchina ma spesso e necessaria una completa riprogettazione del mezzo operativo
• sia per sfruttare a pieno i benefici di tale tecnologia nell’organizzazione funzionale della macchina
• sia per motivazioni di ordine tecnico
• riduzione delle masse [FEM, materiali innovativi]• curare l’ottimizzazione delle leggi di moto• irrigidimento della struttura [sistema di retroazione, forze di inerzia]
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BibliografiaBibliografia
• E.R. Laithwaite: “Induction machines for special porpouses”, Ed. Newnes Lim, London (UK),1966
• S.A.Nasar, I. Boldea: “ Linear motion electric machines”, Wiles & Sons, New York (USA), 1976
• M.Jufer: “Trasducteurs Électromécaniques”, Ed Giorgi, St-Saphorin (CH), 1979
• M. Poloujadoff: “The theory of linear induction machinery”, Clarendon Press, Oxford (UK), 1980
• S.A.Nasar, I. Boldea: “ Linear motion electromagnetic systems”, Wiles & Sons, New York (USA), 1985
• J.F.Gieras “Linear induction drives”, Clarendon Press, Oxford (UK), 1993
• A. Basak:”Permanent – magnet DC linear motors”, Clarendon Press, Oxford (UK), 1996
Testi
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• I. Boldea, S.A.Nasar: “ Linear electric actuators and generators”, Cambridge University Press (UK), 1997
• J.F. Gieras, Z.J. Piech: “Linear synchronous motor”, CRC Press (USA), 2000
Testi
Articoli• M. Andriollo, A.Di Geraldo, (Componenti industriali Publitec): “Realizzare movimenti rettilinei con guide elettromagnetiche” N. 46 - 47 – 48 1999-2000
• F. Lotti, G. Vassura, A. Zucchelli, M. Salmon: “ Selection of linear motors for high-speed packaging machines”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM'01) - 2001 • F.Lotti: “I motori lineari e le macchine automatiche”: www.opifici.it, Giu 2001• F.Lotti: “Dimensionamento e selezione dei motori lineari per macchine di confezionamento ad alte velocità”: www.opifici.it Set 2001
• F.Lotti: “Valutazione dell’applicabilità dei motori lineari nella movimentazione di uno spingitore di una macchina automatica per il confezionamento”:www.opifici.it, Ott. 2001
BibliografiaBibliografia
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Siti Internet
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Disclaim - I dati riportati hanno scopo puramente esemplificativo pertantopossono discostare dai reali dati tecnici dei prodotti commerciali illustrati.