Un servomotore o un azionamento si surriscalda quando la generazione di calore supera la dissipazione del calore. Ogni componente sensibile alla temperatura presente nel sistema — isolamento degli avvolgimenti, lubrificante dei cuscinetti, magneti permanenti, encoder ed elettronica di potenza dell’azionamento — si degrada a una velocità che accelera in modo esponenziale con l’aumentare della temperatura. Ecco perché i guasti termici sono silenziosi, cumulativi e costosi: quando compare il codice di errore, la vita utile è già esaurita.
Questo articolo tratta le cause meccaniche ed elettriche del surriscaldamento in un sistema servoassistito, i rapporti tra dimensionamento e ciclo di lavoro che determinano se un azionamento funzionerà entro i propri limiti termici, la procedura diagnostica per un guasto da sovratemperatura e le protezioni hardware specifiche integrate negli azionamenti AMC.
I vantaggi economici derivanti da un approccio serio alla gestione termica dei servomotori sono ampiamente documentati. Siemens’ Il vero costo dei tempi di inattività 2024 Secondo il rapporto, il costo annuale dei tempi di inattività non pianificati ammonta a 1,4 trilioni di dollari tra i 500 maggiori produttori mondiali, pari a circa l'11% del loro fatturato totale [1]. Il calore eccessivo è una delle principali cause di guasto dell’isolamento nei motori elettrici e ogni 10 °C di sovratemperatura prolungata riduce all’incirca della metà la durata termica dell’isolamento degli avvolgimenti [2].
1. Da dove proviene il calore: motore, trasmissione e resistenza di frenatura
Il surriscaldamento del motore e quello della trasmissione sono eventi distinti con meccanismi distinti.
Confondere le due cose porta a una diagnosi errata, poiché le misure di mitigazione sono diverse per ciascuna di esse.
Un terzo percorso — la resistenza di frenata (rigenerativa) — si comporta in modo ancora diverso e viene spesso trascurato. Ogni fase diagnostica successiva dipende dall’identificazione di quale dei tre stia generando calore, quindi vale la pena chiarire questa distinzione prima di qualsiasi altra cosa.
| Fonte di calore | Da dove proviene | Meccanismo primario |
|---|---|---|
| Motore | Avvolgimenti, cuscinetti, zona magnetica | Perdite I²R (rame), attrito, perdite nel ferro/perdite per correnti parassite, isteresi magnetica |
| Guida | Stadio di potenza: IGBT o MOSFET, dissipatore di calore, condensatori di bus | Perdite di commutazione e di conduzione nei semiconduttori; riscaldamento dovuto all’ESR nei condensatori di barriera |
| Resistenza di frenatura | Resistenza di rigenerazione (shunt interno o banco esterno) | Energia cinetica del carico dissipata sotto forma di calore durante la decelerazione |
I codici di errore del produttore rafforzano questa distinzione. Ad esempio, gli azionamenti AMC distinguono gli errori di sovratemperatura sul dissipatore dell’azionamento da quelli di sovratemperatura del motore segnalati tramite l’ingresso del sensore termico del motore, e li riportano entrambi come condizioni di stato distinte.
Perché il resistore di frenatura costituisce un caso a sé stante
Ogni decelerazione controllata reimmette l’energia cinetica del carico attraverso l’inverter. Se il bus CC non è in grado di assorbire tale energia (cosa che solitamente non avviene, se non per brevi periodi), l’inverter la dissipa in un resistore di derivazione o di frenatura. Nelle applicazioni ad alta inerzia o ad alto numero di cicli, la resistenza diventa il componente termicamente limitante dell’intero sistema — ben prima che il motore o il dissipatore del convertitore siano sottoposti a sollecitazioni. La mitigazione dipende dal ciclo di lavoro specifico: ridurre la frequenza di decelerazione, ridurre l’inerzia riflessa o specificare una resistenza esterna dimensionata in base all’effettiva energia rigenerativa per ciclo.
2. Quali sono le effettive conseguenze di una temperatura eccessiva sui componenti
Il calore accelera il degrado dei materiali in modo parallelo su tutti i componenti sensibili alla temperatura. Si verificano contemporaneamente quattro percorsi di guasto; un singolo episodio di sovratemperatura prolungata riduce la durata di vita di tutti questi componenti.
2.1 Degrado dell’isolamento degli avvolgimenti (Arrhenius / Montsinger)
L'invecchiamento dell'isolamento segue una relazione di Arrhenius. La regola ingegneristica comunemente citata — la regola di Montsinger — afferma che per ogni 10 °C di sovratemperatura prolungata al di sopra del limite nominale del punto caldo, la durata termica dell'isolamento si dimezza approssimativamente:
L(T) ≈ Lnom. × 2 ^ [(Tnom. − T) / 10]
Dove L è la vita utile in ore e T è la temperatura del punto più caldo dell’avvolgimento in °C. Conseguenze in condizioni operative estreme: un motore che funziona a una temperatura superiore di 40 °C rispetto alla sua temperatura nominale del punto più caldo conserva circa 1/16 della sua vita utile prevista. La norma IEC 60085 definisce le classi di isolamento standard: Classe F: punto caldo massimo a 155 °C; Classe H: punto caldo massimo a 180 °C. Quando la resistenza di isolamento scende al di sotto di queste soglie, si verificano cortocircuiti tra spire.
2.2 Degradazione del lubrificante per cuscinetti
La viscosità del grasso e dell’olio diminuisce all’aumentare della temperatura. Al di sopra dell’intervallo di funzionamento nominale del lubrificante, il crollo della viscosità assottiglia il film elastoidrodinamico che separa gli elementi rotanti dalle piste di rotolamento, e il contatto metallo su metallo accelera l’usura. La temperatura del cuscinetto aumenta, l’attrito aumenta e il ciclo si aggrava. Anche l’ossidazione del lubrificante accelera di circa il doppio ogni 10 °C, riducendo gli intervalli di rilubrificazione.
2.3 Smagnetizzazione dei magneti permanenti
I magneti al neodimio-ferro-boro (NdFeB) utilizzati nella maggior parte dei servomotori brushless presentano soglie di smagnetizzazione irreversibile specifiche per ciascun grado. I magneti standard di grado N possono iniziare a perdere flusso al di sopra di circa 80 °C; il grado SH estende tale soglia fino a circa 150 °C; i gradi UH ed EH arrivano a temperature ancora più elevate. Una volta perso il flusso magnetico, la costante di coppia (Kₜ) diminuisce, il sistema di azionamento richiede una maggiore corrente per raggiungere lo stesso valore di coppia desiderato e le perdite I²R aumentano, alimentando il fenomeno del runaway termico.
2.4 Deriva dell'encoder e degrado del segnale
Gli encoder ottici e magnetici subiscono una deriva termica dovuta a due meccanismi: la dilatazione termica del disco codificato e del gruppo di montaggio (meccanica) e le variazioni delle caratteristiche dei LED/fotorilevatori o dei sensori Hall (elettrica). Una sovratemperatura prolungata accelera inoltre la corrosione dei connettori e dei giunti saldati dei circuiti stampati, compromettendo l’integrità del segnale. L’errore di posizione è spesso il primo sintomo a manifestarsi sotto forma di rumore o deriva prima che si verifichi un guasto grave.
3. Cause del surriscaldamento dei servomotori
Sette cause principali sono all’origine della maggior parte dei casi di surriscaldamento dei servomotori. Sono elencate approssimativamente in ordine di frequenza nelle applicazioni industriali e di automazione.
| # | Causa | Meccanismo | Azioni correttive |
|---|---|---|---|
| 1 | Disallineamento del ciclo di lavoro | Il motore, progettato per un funzionamento intermittente (S3, S6), funziona in modo continuo; il calore generato da ciascun ciclo non si dissipa completamente prima di quello successivo | Adeguare la potenza nominale del motore al ciclo di funzionamento effettivo; ricalcolare la coppia RMS (Sezione 5) |
| 2 | Sovraccarico del motore / sottodimensionamento | Il carico continuo o di picco supera la capacità termica; l’azionamento richiede una corrente superiore a quella prevista dal progetto | Verificare la coppia RMS e quella di picco; mantenere il rapporto tra carico e inerzia del motore ≤ 10:1 |
| 3 | Ventilazione ostruita | La presenza di detriti nelle prese d'aria o uno spazio libero insufficiente durante l'installazione causano il ristagno di calore nell'alloggiamento | Pulire le bocchette di ventilazione; rispettare le distanze di sicurezza indicate dal produttore; verificare la direzione del flusso d'aria |
| 4 | Contaminazione sulle superfici di raffreddamento | La polvere e lo sporco presenti sul dissipatore e sulla ventola compromettono il trasferimento termico; il malfunzionamento della ventola impedisce la convezione forzata | Pulizia programmata; verificare il funzionamento della ventola; specificare alloggiamenti con grado di protezione IP per ambienti contaminati |
| 5 | Anomalie di tensione | Cadute di tensione, picchi o alimentazione sbilanciata distorcono la forma d'onda della corrente e aumentano la corrente efficace (RMS) a parità di potenza in uscita dall'albero | Verificare che l'alimentazione rientri nei limiti specificati per l'azionamento; ispezionare i cavi di alimentazione, di controllo e di retroazione per individuare eventuali cortocircuiti, interruzioni e cali di tensione |
| 6 | Condizioni ambientali avverse | Una temperatura ambiente superiore al valore di riferimento riduce il margine termico; un’altitudine superiore a circa 1000 m riduce la densità dell’aria e il raffreddamento per convezione | Armadio climatizzato; specificare un motore per temperature ambiente elevate se inevitabile; applicare il fattore di riduzione per l’altitudine secondo le curve fornite dal produttore |
| 7 | Guasti meccanici | L'usura dei cuscinetti, l'attrito dei freni, il disallineamento degli alberi e il gioco del giunto aumentano tutti l'assorbimento di corrente a carico costante | Monitoraggio delle vibrazioni; sostituzione programmata dei cuscinetti; verifica dell'assenza di frenata dinamica su un freno di stazionamento |
Nota: Il freno di un servomotore è progettato per il mantenimento della posizione, non per l'arresto dinamico. L'arresto ripetuto del carico tramite il freno di mantenimento genera calore da attrito diretto nel pacco frenante e lo trasferisce rapidamente al rotore. Per l'arresto dinamico, utilizzare la frenata rigenerativa tramite l'azionamento, resistenze di frenatura meccaniche o un freno dedicato all'arresto dinamico.
4. Cause del surriscaldamento dei servoazionamenti
Il calore generato dall'azionamento ha origine nella sezione di potenza. In un tipico servoazionamento PWM, prevalgono due componenti di perdita: le perdite per conduzione nei semiconduttori (la caduta di tensione sull’IGBT o sul MOSFET durante la conduzione della corrente del motore) e le perdite di commutazione (l’energia dissipata durante ogni transizione di commutazione, che varia in modo approssimativamente lineare con la frequenza di commutazione).
La dissipazione totale dello stadio di potenza è approssimativamente pari a:
Pperdita ≈ VCE(sat) × Imedia + Esw × fsw
Dove V_CE(sat) è la tensione di saturazione collettore-emettitore, I_avg è la corrente media condotta, E_sw è l'energia di commutazione per transizione e f_sw è la frequenza di commutazione. La resistenza termica giunzione-involucro-dissipatore (R_θ,JC + R_θ,CH + R_θ,HA) determina l’aumento di temperatura derivante da questa potenza dissipata. Quando un qualsiasi elemento di tale catena termica è compromesso — sporcizia sul dissipatore, materiale di interfaccia termica deteriorato, flusso d’aria nell’involucro ostruito — la temperatura di giunzione aumenta a parità di dissipazione di potenza.
Altre fonti di calore sul lato di pilotaggio includono le perdite ESR nei condensatori del bus CC (per i quali esiste una regola ben documentata del dimezzamento a 10 °C: la durata dei condensatori elettrolitici si dimezza ogni 10 °C al di sopra della temperatura nominale) e la corrente che attraversa le alimentazioni del circuito di pilotaggio del gate e del circuito di controllo.
5. Dimensionamento corretto: coppia RMS e ciclo di lavoro
Il dimensionamento termico del motore è determinato dalla coppia RMS del ciclo di lavoro dell'applicazione, non dal valore di picco né da quello medio. La coppia nominale continua di un motore è la coppia RMS che esso è in grado di produrre a tempo indeterminato senza superare la temperatura nominale del punto più caldo.
5.1 Calcolo della coppia RMS
Per un profilo di movimento costituito da segmenti di coppia discreti T₁, T₂, … Tₙ, ciascuno attivo per un tempo t₁, t₂, … tₙ nell’arco di un tempo di ciclo totale t_cycle:
TRMS = √[ ( T₁² · t₁ + T₂² · t₂ + … + Tₙ² · tₙ ) / tciclo ]
Criterio di dimensionamento: T_RMS ≤ T_continuo (coppia nominale continua del motore alla temperatura ambiente effettiva e al ciclo di lavoro nominale). Anche la coppia di picco deve rientrare nei valori nominali di picco del motore e nella corrente nominale di picco dell’azionamento per la durata richiesta.
5.2 Designazioni del ciclo di lavoro secondo la norma IEC 60034-1
La norma IEC 60034-1 definisce le designazioni standard dei cicli di funzionamento che specificano come sono strutturati i periodi di carico e di riposo. La scelta di un motore classificato per una classe di funzionamento errata è una delle cause più comuni — e più facilmente evitabili — di guasti termici.
| Classe | Descrizione |
|---|---|
| S1 | Funzionamento continuo. Il motore raggiunge l'equilibrio termico sotto carico costante. |
| S2 | Funzionamento a intervalli brevi. Periodo di funzionamento prestabilito, seguito da un lungo periodo di riposo per consentire il completo raffreddamento. |
| S3 | Funzionamento periodico intermittente senza influenza dell’avviamento. Ogni ciclo: periodo di carico + periodo di riposo; il motore non raggiunge l’equilibrio termico nell’arco di un singolo ciclo, ma lo raggiunge nell’arco del fattore di servizio ciclico. |
| S6 | Funzionamento continuo con carico intermittente. Periodo di carico + periodo senza carico (motore non arrestato). |
| S7 / S8 | Cicli di funzionamento che comprendono avviamenti, frenate e variazioni di velocità con un impatto termico definito. |
La modalità di guasto: un motore classificato S3 utilizzato con un profilo S1 non dispone di una finestra di riposo in cui dissipare il calore accumulato. La temperatura degli avvolgimenti aumenta di ciclo in ciclo, lentamente ma inesorabilmente, fino a quando non scatta il dispositivo di sicurezza termico o l’isolamento non si consuma.
5.3 Rapporto tra carico e inerzia del motore
Come linea guida operativa, mantenere il rapporto tra carico riflesso e inerzia del motore entro 10:1 per la maggior parte delle applicazioni servo; un rapporto compreso tra 3:1 e 5:1 garantisce una regolazione più costante e una migliore reiezione dei disturbi. È possibile ottenere rapporti più elevati con un'attenta progettazione meccanica e una messa a punto accurata, ma ciò aumenta il rischio di risonanza e richiede un assorbimento di corrente più elevato per raggiungere la stessa accelerazione — il che si traduce in un aumento del calore generato.
6. Segnali di allarme relativi al surriscaldamento del servomotore
La maggior parte dei casi di sovratemperatura segnalati sul campo rientra in sei categorie di sintomi. È raro che un singolo sintomo si manifesti in modo isolato; il valore diagnostico sta nell’associare il sintomo al meccanismo più probabile prima di intervenire sull’unità.
| Sintomo | Probabile causa | Prima azione |
|---|---|---|
| Ronzio o ringhio ad alta velocità | Usura dei cuscinetti (calore da attrito, poi calore da vibrazioni) | Misurazione delle vibrazioni sull’alloggiamento del cuscinetto; verificare l’eventuale perdita di lubrificante |
| Odore di bruciato o fumo | Rottura dell’isolamento degli avvolgimenti, grave sovraccarico o grippaggio dei cuscinetti | Disinserire l'alimentazione. Non riavviare. Effettuare una prova di resistenza di isolamento (con megger) prima di qualsiasi tentativo di riavvio |
| Codice di errore termico / spegnimento | Il sistema di monitoraggio ha rilevato che la temperatura del dissipatore di calore o del motore ha raggiunto la soglia di intervento | Leggere il codice di errore e registrare i tempi; stabilire se si è attivato il sensore del motore o quello dell'azionamento |
| Coppia in uscita ridotta | Smagnetizzazione parziale del magnete, funzione "foldback" della corrente attiva o limitazione per sovratemperatura dell'azionamento | Misurare la corrente al comando di coppia nominale; verificare se il flag di foldback è attivo |
| Il guasto si verifica solo ad alta velocità | Sovratemperatura del resistore di rigenerazione o sovratensione sul bus dovuta a un guasto nel percorso di rigenerazione | Verificare che la resistenza di frenatura sia presente, abbia il valore nominale corretto e sia collegata correttamente; controllare che il fusibile di derivazione non sia bruciato |
| Ronzio o fischio anomalo | Guasto al cablaggio, fasi sbilanciate o rumore udibile dovuto al PWM in condizioni di capacità di corrente ridotta | Verificare il bilanciamento della corrente di fase; controllare l'integrità del cavo e del connettore |
Nota: Non stimare mai la temperatura degli avvolgimenti o del dissipatore al tatto. Anche temperature superficiali del motore ben al di sotto della soglia di pericolo possono causare ustioni cutanee; la misurazione significativa va effettuata nel punto più caldo, che risulta inaccessibile senza l’ausilio di strumenti di misura. Utilizzare la temperatura segnalata dall’inverter, un termometro a infrarossi sul dissipatore o un registratore di dati collegato al termistore integrato nel motore.
7. Quadro di riferimento per la prevenzione
La prevenzione si basa su cinque pratiche, da applicare congiuntamente. Nessuna di esse, se considerata isolatamente, è sufficiente; tralasciarne anche solo una comporta un fallimento prevedibile.
7.1 Determinazione corretta delle dimensioni (la pratica con il maggiore impatto)
- Calcolare la coppia RMS a partire dal profilo di movimento effettivo — non da un’approssimazione o da una stima basata sui valori di picco.
- Scegliere un motore la cui coppia nominale continua sia superiore alla coppia RMS calcolata, alla temperatura ambiente effettiva più sfavorevole.
- Verificare la coppia massima e la corrente massima sia sul motore che sull’azionamento all’accelerazione richiesta.
- Abbinare la classificazione del ciclo di funzionamento del motore (S1, S3, S6, ecc.) al ciclo di funzionamento effettivo dell’applicazione.
- Mantenere l'inerzia del carico riflesso rispetto al motore entro i limiti previsti dalle linee guida di progettazione.
7.2 Ventilazione e gestione termica dell'armadio
- Rispettare le distanze di sicurezza specificate dal produttore su tutti i lati della trasmissione e del motore.
- Non utilizzare un armadio servomotore con lo sportello aperto. Ciò altera il flusso d’aria previsto e provoca la formazione di punti caldi localizzati.
- Controllare periodicamente le ventole, i filtri e gli scambiatori di calore dell’armadio.
- Per gli armadi dotati di raffreddamento a conduzione sigillato (senza ventilazione forzata), verificare che il percorso termico dalla piastra di base dell'azionamento alla parete dell'armadio sia intatto.
7.3 Controllo ambientale
I servomotori standard AMC sono in genere progettati per temperature ambiente comprese tra 0 °C e 50 °C. Al di sopra di tale intervallo, il margine termico si riduce drasticamente ed è necessario un declassamento. Al di sopra di circa 1000 m di altitudine, la minore densità dell’aria riduce l’efficienza del raffreddamento per convezione e si applica un ulteriore declassamento. I motori standard di tipo commerciale sono comunemente dimensionati sulla base di una temperatura ambiente di 40 °C (riferimento industriale NEMA). Per applicazioni al di fuori di questi limiti — temperature ambiente elevate, altitudini elevate, vibrazioni, contaminazione — è necessario specificare componenti dimensionati per l’ambiente effettivo, anziché ricorrere al derating di componenti standard e sperare che funzionino.
7.4 Controllo della contaminazione e ispezione
- Pulizia programmata delle alette del dissipatore di calore, delle ventole di raffreddamento e dei filtri dell'involucro.
- Alloggiamenti sigillati (minimo IP54 per uso industriale, IP65+ per ambienti soggetti a lavaggio o per applicazioni mobili) laddove le condizioni ambientali lo richiedano.
- Verificare che non vi siano infiltrazioni di liquido nei punti di connessione; gli avvolgimenti sigillati e gli involucri con grado di protezione IP costituiscono la prima linea di difesa.
7.5 Monitoraggio termico predittivo
- Registrare nel tempo le temperature del dissipatore di calore e del motore rilevate dal variatore. Un aumento graduale della temperatura nel lungo periodo è un indicatore precoce di contaminazione o di un flusso d'aria in peggioramento, settimane prima che si raggiunga la soglia di intervento.
- I sensori di vibrazione montati sui motori rilevano il deterioramento dei cuscinetti prima che questo diventi una fonte di calore.
- Per gli assi critici, attivare l'allarme in base all'andamento della temperatura, non solo alla soglia di intervento.
8. Risoluzione dei problemi relativi a un errore di sovratemperatura
Avviso di sicurezza: I servazionamenti contengono energia immagazzinata nei condensatori del bus CC, che persiste anche dopo l’interruzione dell’alimentazione in ingresso. Le tensioni del bus sono tipicamente comprese tra 100 e 800 V CC. Prima di aprire qualsiasi involucro, attenersi alle procedure di lockout/tagout; attendere il tempo di scarica specificato dal produttore (in genere 5 minuti per gli azionamenti analogici AMC, più lungo per gli azionamenti ad alta tensione di dimensioni maggiori); e verificare che la tensione del bus sia inferiore a 50 V CC con un multimetro collegato ai terminali del bus prima di entrare in contatto con esso. Attenersi a tutte le procedure di sicurezza elettrica specifiche del sito. Questo intervento è riservato esclusivamente a personale qualificato.
La diagnosi di un guasto dovuto a sovratemperatura è una procedura ordinata. Saltare dei passaggi porta quasi sempre alla sostituzione di un componente che non era la causa principale del problema. Ciascun passaggio riportato di seguito indica cosa controllare e il risultato atteso: se il risultato osservato differisce, fermarsi e approfondire quel passaggio prima di proseguire.
- Leggere il codice di errore e individuare quale sensore si è attivato — Annotare il codice di errore esatto e il timestamp visualizzati sul display del convertitore o rilevati dallo strumento diagnostico. Determinare se l’intervento è stato causato da una sovratemperatura del dissipatore di calore del convertitore, da una sovratemperatura del motore (tramite l’ingresso del termistore del motore) o da un guasto correlato, come una sovracorrente o una sovratensione sul bus. Risultato atteso: un’identificazione definitiva dell’origine del guasto, se da parte del convertitore, del motore o della resistenza di frenatura.
- Verificare la presenza di eventuali danni fisici visibili — Con l'azionamento disalimentato e dopo aver verificato che la tensione del bus sia stata scaricata, verificare la presenza di componenti bruciati, scolorimenti, condensatori gonfi, giunti saldati incrinati o contaminazioni. Risultato atteso: nessun danno visibile. La presenza di componenti bruciati o scoloriti pone fine alla diagnostica in questa fase: l'azionamento deve essere riparato o sostituito prima del riavvio.
- Verificare i collegamenti del motore e dell'azionamento — Controllare i cavi di alimentazione, di retroazione e di controllo del motore per verificare l'assenza di danni all'isolamento, la corretta configurazione dei pin e la saldezza dei collegamenti. Un collegamento allentato di una fase del motore provoca picchi intermittenti di corrente elevata che vengono interpretati come guasti termici. Risultato atteso: tutti i connettori ben inseriti, nessun danno ai cavi e continuità/resistenza di isolamento dei cavi del motore entro i limiti specificati.
- Verificare la tensione di alimentazione in ingresso — Misurare la tensione di linea all'ingresso dell'azionamento sotto carico. Risultato atteso: entro l'intervallo di alimentazione nominale dell'azionamento, senza cali o interruzioni significativi. Un'alimentazione costantemente al limite inferiore dell'intervallo dell'azionamento provoca un aumento della corrente del motore a parità di coppia in uscita e un surriscaldamento cumulativo.
- Verificare il flusso d’aria e lo stato del dissipatore di calore — Verificare che le ventole dell'alloggiamento siano in funzione. Controllare che le alette del dissipatore non presentino polvere, detriti o ostruzioni. Verificare che il materiale di interfaccia termica sia intatto nel punto in cui la piastra di base dell'unità entra in contatto con uno scambiatore di calore esterno. Risultato atteso: flusso d'aria libero da ostruzioni, dissipatore pulito, corretto contatto della piastra di base.
- Verificare la presenza di resistenza meccanica sul carico azionato — Se possibile, con il motore disaccoppiato, verificare che l’albero ruoti liberamente a mano. Controllare che non vi siano irregolarità nei cuscinetti, attrito del freno, disallineamento del giunto o blocchi dell’asse. Risultato atteso: il motore ruota liberamente senza irregolarità udibili o percettibili al tatto.
- Verifica dei parametri e della configurazione di messa a punto — Verificare che il limite di corrente dell’azionamento, i parametri del modello termico del motore, i guadagni e il fattore di scala del comando siano corretti per il motore installato. Un anello di velocità destabilizzato genera una corrente che oscilla attorno al valore richiesto, causando un surriscaldamento senza produrre lavoro utile. Risultato atteso: i parametri corrispondono a quelli riportati nel verbale di messa in servizio; la corrente in regime di mantenimento a vuoto è stabile e di valore ridotto.
- Monitorare per un ciclo completo di applicazione — Riavviare con un carico leggero e monitorare le temperature del motore e del dissipatore segnalate dal driver per almeno un ciclo completo dell’applicazione prima di tornare alla produzione. Risultato atteso: le temperature si stabilizzano al di sotto della soglia di guasto con un margine adeguato per le condizioni operative più sfavorevoli previste.
9. Come vengono progettati i motori AMC per prevenire i guasti termici
La protezione termica su un servoazionamento AMC è implementata a livello hardware, non solo nel firmware. Questo è importante perché un limite imposto dall’hardware continua a proteggere lo stadio di potenza in caso di errore del software, blocco del supervisore o interruzione della comunicazione. Le protezioni rilevanti nelle diverse famiglie di prodotti sono:
9.1 Architettura a corrente continua/di picco e foldback
Ogni convertitore AMC è caratterizzato da un valore nominale di corrente continua e da un valore nominale di corrente di picco, oltre che da una durata definita del picco. Quando la corrente in uscita dal convertitore supera il valore nominale continuo, il convertitore consente il passaggio della corrente di picco per la durata specificata, per poi tornare gradualmente, in un intervallo definito — in genere 10 secondi nei convertitori analogici AxCent — al limite di corrente continua. Il foldback protegge lo stadio di potenza in caso di blocco o sovraccarico del motore senza provocare uno spegnimento brusco. Quando la corrente RMS continua torna al di sotto del valore nominale, la piena capacità di picco è nuovamente disponibile.
9.2 Protezione hardware multistrato
Gli azionamenti AMC sono dotati di protezioni hardware integrate contro sovracorrente, sovratensione, sottotensione, sovratemperatura e cortocircuito sui cavi del motore, di terra e di alimentazione. Queste protezioni sono indipendenti dall'esecuzione del firmware.
9.3 Ingresso del sensore termico del motore
I variatori accettano un segnale proveniente da un termistore montato sul motore (PTC, KTY o equivalente) e si arrestano in caso di sovratemperatura del motore indipendentemente dal sensore del dissipatore di calore del variatore stesso. Ciò garantisce una protezione termica a livello del motore anche quando il variatore stesso funziona entro i propri limiti di temperatura.
9.4 Caratteristiche termiche rilevanti della famiglia di prodotti
| Famiglia | Posizionamento | Caratteristiche termiche rilevanti |
|---|---|---|
| FlexPro | Azionamenti digitali compatti e ad alte prestazioni | Elevata densità di potenza con gestione termica integrata; destinata ad applicazioni in cui la densità di corrente continua rappresenta il fattore limitante |
| DigiFlex® Performance™ | Azionamenti digitali per applicazioni di precisione | Protocolli di rete multipli; protezione termica sul lato azionamento con ingresso termistore motore; protezioni contro il foldback e i guasti hardware |
| AxCent | Azionamenti analogici per la robotica, la lavorazione dei metalli e l'automazione in generale | Protezione hardware contro sovracorrente, sovratensione, sottotensione, sovratemperatura e cortocircuito; limiti di corrente e rapporti tra corrente continua e di picco regolabili tramite DIP switch; foldback di 10 secondi |
| Supporto per veicoli M/V™ | Azionamenti per piattaforme mobili e da esterno | Progettato per funzionare in condizioni di temperatura ambiente elevata e altitudine elevata; opzioni di rivestimento protettivo per la protezione ambientale |
Per le applicazioni in cui le condizioni di temperatura ambiente elevata o di altitudine elevata esauriscono il bilancio termico standard, AMC offre varianti con limiti termici maggiorati su alcune famiglie di azionamenti. Queste estendono il campo operativo grazie a una progettazione termica modificata, senza alterare l’interfaccia elettrica. Il reparto di ingegneria applicativa di AMC fornisce supporto per il dimensionamento specifico per ogni applicazione.
10. Riepilogo
Nella maggior parte dei casi è possibile prevenire i guasti termici dei servomotori. La misura più efficace in assoluto è il corretto dimensionamento: un calcolo della coppia RMS in base al ciclo di funzionamento effettivo, alla temperatura ambiente effettiva e a una classe di servizio adeguata al profilo di carico. La ventilazione, il controllo ambientale, la gestione della contaminazione e il monitoraggio predittivo costituiscono il margine di sicurezza a supporto di tale dimensionamento.
Quando si verifica un surriscaldamento, la diagnosi deve innanzitutto identificare quale delle tre fonti di calore — motore, dissipatore del convertitore o resistenza di frenatura — abbia effettivamente causato l'intervento del dispositivo di protezione. Ciascuna di esse presenta cause alla radice e soluzioni diverse. Tralasciare questa identificazione è il motivo più comune per cui un convertitore riparato si guasta nuovamente nel giro di pochi giorni.
Domande frequenti
Per quale intervallo di temperatura ambiente sono progettati i servomotori e i servoazionamenti?
I servoazionamenti sono generalmente classificati per una temperatura ambiente compresa tra 0 °C e 50 °C, con curve di derating al di sopra del limite massimo. I servomotori sono generalmente classificati in base a una temperatura ambiente di 40 °C (riferimento industriale NEMA), sebbene ciò vari a seconda del produttore e della classe di applicazione. Verificare sempre la scheda tecnica specifica dell’azionamento e del motore in uso: i valori termici nominali sono tra le specifiche che i produttori modificano maggiormente.
Quale rapporto tra carico e inerzia del motore dovrei puntare a raggiungere?
Come linea guida operativa, mantenere il rapporto tra carico riflesso e inerzia del motore pari o inferiore a 10:1 per la maggior parte delle applicazioni servoassistite. Un rapporto compreso tra 3:1 e 5:1 consente una regolazione più semplice e una migliore reiezione dei disturbi, ma a costo di un motore più grande e costoso. Rapporti più elevati (superiori a 10:1) sono ottenibili con un'attenta progettazione meccanica e una regolazione basata su osservatori, ma aumentano il rischio di risonanza meccanica e il carico termico.
Che cos’è il foldback di corrente e perché è importante?
Il foldback è una protezione implementata a livello hardware che riduce gradualmente la corrente di uscita dell’azionamento dal valore di picco verso il limite continuo una volta raggiunta la durata massima del picco. Sugli azionamenti analogici AMC l’intervallo di foldback è in genere di 10 secondi. Previene danni termici allo stadio di potenza e al motore in condizioni di stallo o sovraccarico. Eventi di foldback ripetuti indicano un convertitore sottodimensionato rispetto alla richiesta di picco, un ciclo di lavoro dell’applicazione superiore al valore nominale continuo del convertitore oppure un sovraccarico meccanico: tutte situazioni che dovrebbero essere risolte anziché tollerate.
Puntare un ventilatore verso un disco che si surriscalda può essere una soluzione valida a breve termine?
No. L'aria forzata proveniente dall'esterno abbassa brevemente la temperatura superficiale, mentre la causa alla base del problema continua a persistere, e di solito introduce contaminanti che in seguito ridurranno ulteriormente l'efficacia del raffreddamento. È necessario affrontare la causa alla radice: dimensionamento, ventilazione, contaminazione, sovraccarico meccanico o condizioni ambientali.
È possibile prevenire del tutto il surriscaldamento del servomotore?
Nella maggior parte delle applicazioni industriali, sì. Un corretto dimensionamento in base alla coppia RMS del ciclo di lavoro effettivo, una classe di servizio adeguata al carico e un programma di monitoraggio termico costante consentono di prevenire la maggior parte degli episodi di sovratemperatura. Il rischio residuo deriva da variazioni ambientali impreviste o dall’usura meccanica, ed è proprio a questo che serve il monitoraggio predittivo.

