Tipi di motori nel controllo del movimento

Potremmo non produrre motori a ADVANCED Motion Controls, ma lavoriamo con loro ogni giorno e costruiamo servoazionamenti per farli funzionare, quindi si potrebbe dire che ne sappiamo qualcosa. Siamo molto orgogliosi di essere in grado di servire qualsiasi applicazione, e questo significa che abbiamo un azionamento per quasi tutti i tipi di motore che si possono trovare. Quali tipi di motori esistono e dove vengono utilizzati?

Servomotori

In generale, tutti i servomotori rientrano nella categoria dei motori a magneti permanenti, che hanno magneti permanenti sia nello statore (la parte che rimane ferma) sia nel rotore (la parte che gira al centro dello statore).

Nel corso del tempo, tuttavia, i confini di Che cos'è un servomotore e ciò che non lo è è diventato un po' confuso. Questa ambiguità è in parte dovuta all'ampliamento degli impieghi dei servoazionamenti al di là del servocontrollo.

Decenni fa, i servoazionamenti non facevano altro che amplificare un segnale di comando, da cui il nome alternativo di servoamplificatori. Come tecnologia di controllo del movimento Con l'evoluzione, gli ingegneri hanno scoperto che i servoamplificatori potevano essere modificati e configurati per controllare altri tipi di motore nello stesso modo in cui controllavano i servomotori. I servoazionamenti di oggi sono molto più versatili e possono essere facilmente configurati per un'ampia varietà di tipi di motore, pur mantenendo il termine "servo" nella loro denominazione.

I servomotori sono utilizzati in milioni di applicazioni, dai veicoli azionati a distanza alle fresatrici CNC ai robot chirurgici. I servomotori sono popolari per una serie di ragioni, tra cui l'efficienza energetica e le dimensioni ridotte.

Ma soprattutto, possono offrire un controllo molto preciso quando dispongono di un dispositivo di retroazione e di un servoazionamento.  ADVANCED Gli azionamenti di Motion Controls sono in grado di controllare quasi tutti i servomotori che si possono trovare.

DC spazzolato (monofase)

I motori DC spazzolati sono forse il tipo di motore più semplice in circolazione. Si hanno magneti permanenti fissati nello statore e bobine di filo ad anello nel rotore. Quando la corrente elettrica passa attraverso le bobine, il campo magnetico crea una forza che fa muovere il rotore. La domanda è: come si fa a portare costantemente la corrente continua a un oggetto che gira senza che i fili si aggroviglino? La risposta è: spazzole conduttive e un commutatore.

Il commutatore è un pezzo rotondo con punti di contatto metallici collegati a ciascuno degli anelli della bobina del rotore. Le spazzole conduttive non sono come le spazzole per capelli; sono tipicamente pezzi di una miscela di grafite che sono caricati a molla per fare contatto elettrico con il commutatore del motore mentre gira per fornire la corrente elettrica. Offrono grandi prestazioni a un prezzo economico. Tuttavia, uno svantaggio è il contatto fisico tra le spazzole e il commutatore che crea attrito, che consuma le spazzole e crea molte particelle di polvere nel tempo. A causa di questo, i motori spazzolati sono più suscettibili di costi di manutenzione per un lungo periodo di tempo rispetto alle loro controparti senza spazzole, nonostante i minori costi iniziali. Per applicazioni a basso costo, applicazioni di breve durata, o applicazioni in cui il motore è facilmente accessibile per essere riparato o sostituito, allora un motore spazzolato DC può fare il trucco.

Il controllo dei servomotori è il nostro gioco, ed è per questo che ogni singolo ADVANCED Il servoazionamento Motion Controls può far funzionare un motore spazzolato DC, a condizione che sia nella gamma di potenza appropriata, naturalmente.

Brushless DC (trifase)

I motori senza spazzole adottano l'approccio opposto a quello dei motori spazzolati. Mettono i magneti permanenti nel rotore e fanno passare l'elettricità attraverso lo statore. Non c'è più un commutatore meccanico. Invece, le tre fasi del motore dello statore sono alimentate da corrente continua e le loro bobine interagiscono con il campo magnetico dei magneti del rotore. Alternando in modo controllato quali delle due fasi del motore sono attive contemporaneamente, i campi magnetici fanno girare il rotore.

I motori DC Brushless in genere costano di più per l'acquisto rispetto alle loro controparti spazzolate. Tuttavia, il ridotto contatto meccanico (AKA, la mancanza di spazzole) nei motori DC brushless significa un'eccellente dissipazione del calore, una minore necessità di manutenzione e una maggiore efficienza elettrica, tutti fattori che possono ridurre i costi a lungo termine.

Per le applicazioni in cui il motore non è facilmente accessibile per la manutenzione o si desidera un'efficienza superiore a quella di un motore spazzolato, allora un motore DC senza spazzole trifase può essere la strada da percorrere.

Il controllo dei servomotori brushless è facile con i nostri prodotti. Con poche eccezioni, tutti i nostri servoazionamenti attivamente commercializzati possono gestire motori brushless DC.

AC senza spazzole

Conosciuti anche come motori sincroni a magnete permanente o PMAC, i servomotori brushless AC sono incredibilmente efficienti. Come i motori DC senza spazzole, la corrente elettrica passa attraverso lo statore e i magneti permanenti sono nel rotore.

In questi giorni, la distinzione è meno sui motori stessi quando si confrontano i motori AC Brushless con i motori DC Brushless, ma piuttosto come sono guidati dal servoazionamento. Con il Brushless AC, la corrente è costantemente in esecuzione attraverso le tre fasi, ma alternata avanti e indietro in modo sinusoidale come si vedrebbe nell'alimentazione AC fuori dal muro. Questo fenomeno crea un campo magnetico rotante netto, che ruota molto più dolcemente del campo magnetico ottenuto accendendo e spegnendo le fasi del motore in un motore brushless DC.

Come i motori brushless DC, richiedono raramente la manutenzione a causa della mancanza di spazzole meccaniche. Lo svantaggio dei motori brushless AC rispetto ai motori brushless DC (e ai motori a induzione AC che saranno discussi più avanti) è il loro costo iniziale ancora maggiore. Tuttavia, la loro efficienza prestazionale e il costo minimo di manutenzione possono compensare a lungo termine.

I servoazionamenti AMC DigiFlex Performance e FlexPro possono essere configurati per far funzionare i motori CA senza spazzole, purché ci sia un dispositivo di feedback.

Altri motori rotativi

Stepper

I motori passo-passo sono simili ai motori brushless, ma il movimento è definito in "passi" incrementali. Come si realizza questo? Il rotore e lo statore sono formati da "denti", ma a differenza degli ingranaggi, i denti non si ingranano - sono usati per l'allineamento magnetico. Ci sono meno denti nello statore che nel rotore, quindi non tutti i denti possono essere allineati contemporaneamente. Magnetizzando diverse fasi dello statore come nord o sud, il rotore si sposterà leggermente per allinearsi o contro-allinearsi con le fasi attive.

Anche con solo due o tre fasi del motore, i motori passo-passo possono muoversi in incrementi molto controllati ad ogni passo, che può essere meno di un grado di movimento. Con il semi-stepping (alternando l'uso di 1 e 2 fasi allineate contemporaneamente) e il microstepping (attivando e disattivando le fasi più gradualmente), la risoluzione può essere raddoppiata a spese della coppia. Questo rende i motori passo-passo ottimi per le applicazioni di alta precisione.

Si vede il controllo dei motori passo-passo nelle stampanti (2D e 3D), nelle ottiche, nelle macchine CNC di fascia bassa, nei componenti dei computer, negli obiettivi delle telecamere e in altri dispositivi che hanno bisogno di un controllo preciso della posizione. ADVANCED I servoazionamenti FlexPro e DigiFlexPerformance di Motion Controls possono azionare motori passo-passo ad anello chiuso. Questo significa che i motori hanno bisogno di un feedback dell'encoder in modo che i servoazionamenti possano farli funzionare come servomotori.

Induzione AC

Inventati da Nikola Tesla, i motori a induzione sono probabilmente il tipo di motore più comune nel mondo. A differenza degli altri motori rotativi che abbiamo discusso, i motori a induzione AC non usano magneti permanenti né nello statore né nel rotore.

Come i servomotori AC Brushless, si basano sulla struttura trifase AC ad anello, che produce un campo magnetico rotante netto. Tuttavia, invece di usare il campo per muovere i magneti permanenti nel rotore, il flusso magnetico induce una corrente nel rotore, che è costruito con un design a gabbia di scoiattolo. Questa corrente produce poi un campo magnetico che interagisce con il campo magnetico dello statore e fa girare il rotore. In un certo senso, il rotore cerca costantemente di raggiungere il campo magnetico rotante dello statore. La differenza di velocità è nota come slittamento.

La velocità di un motore a induzione AC può essere regolata semplicemente regolando la frequenza AC. Inoltre, l'uso della corrente alternata in contrapposizione alla corrente continua può rendere questi motori molto attraenti per applicazioni ad alta potenza. Di conseguenza. I motori a induzione AC sono comunemente per dispositivi di grandi dimensioni come gru, ascensori, auto elettriche e altri macchinari pesanti. Tutti i ADVANCED I servoazionamenti digitali di Motion Controls possono azionare motori vettoriali ad anello chiuso, essenzialmente motori a induzione AC con feedback da encoder.

Motori non rotativi

Non tutte le applicazioni di controllo del movimento comportano la rotazione di qualcosa o l'articolazione dei giunti.

Motori lineari

I motori lineari possono essere pensati come un motore brushless dc "srotolato" dove lo statore e il rotore sono scambiati. C'è una lunga pista di magneti permanenti che si alternano in polarità e un carrello mobile con tre fasi di bobine. La direzione della corrente attraverso queste bobine magnetizza le fasi nord o sud, che tirano o spingono rispettivamente lungo la pista del motore.

Questi motori sono utilizzati per applicazioni in cui è necessario un movimento lineare preciso e ad alta velocità, come le stampanti 3D industriali o i demo di lancio della palla di AMC. Possono essere orientati orizzontalmente, verticalmente o ad angolo. Queste caratteristiche hanno letteralmente un prezzo però; i motori lineari sono molto più costosi di altri tipi di motori.

Tutti ADVANCED I servoazionamenti digitali Motion Controls DigiFlex Performance e FlexPro possono azionare i motori lineari.

Attuatore lineare

Gli attuatori lineari sono un'alternativa ai motori lineari. Tecnicamente, non sono veramente un tipo diverso di motore. Sono un motore rotativo, come un motore servo, a induzione o passo-passo, accoppiato con un meccanismo a sfera e vite per creare un movimento lineare. Poiché questo design è molto suscettibile al gioco, il feedback a doppio anello è spesso utilizzato quando è necessaria la precisione. I loop utilizzano un dispositivo di feedback sul motore rotativo e un dispositivo sul componente in movimento lineare.

Gli attuatori lineari si trovano in molti dispositivi, come grandi macchine da negozio, stampanti 3D desktop e grandi sistemi a portale. Di solito sono un'alternativa meno costosa ai motori lineari DC, il compromesso è una velocità massima più lenta e più spazio richiesto per l'integrazione (a causa del motore rotativo). Tuttavia, un sistema di controllo del movimento con un attuatore lineare può essere incredibilmente efficiente e produrre forze maggiori di quelli che utilizzano un motore lineare.

Bobine di voce

Le bobine vocali sono motori lineari monofase con una corsa limitata a meno di un ciclo elettrico. Sono utili per la loro velocità di risposta, precisione e accuratezza.

Le bobine vocali si trovano più comunemente negli altoparlanti audio. Il movimento avanti e indietro accoppiato con la breve gamma di movimento e la precisione permettono alle bobine vocali di creare le vibrazioni che rendono il rumore udibile dai segnali elettrici. Nelle applicazioni di controllo del movimento, i motori a bobina mobile sono utilizzati per il movimento lineare su una breve distanza, come le macchine per i test di vita accelerata, dove i materiali possono essere sottoposti a molti cicli di deformazione in modo controllato, i dispositivi di smorzamento attivo dove un peso può essere rapidamente spostato avanti e indietro per contrastare le vibrazioni indesiderate, o qualsiasi applicazione di posizionamento a corsa breve dove sono necessarie alta velocità e precisione.

L'uso di un servoazionamento per controllare una bobina vocale è analogo al controllo di un servomotore DC spazzolato, con la differenza principale che il movimento è lineare invece che rotatorio. Nel caso del controllo di un servomotore, la corrente è proporzionale alla coppia, mentre nel controllo di una bobina mobile, la corrente è proporzionale alla forza. E poiché tutti i nostri servoazionamenti possono controllare i motori spazzolati, possono anche controllare le bobine vocali.

Pensieri finali

Speriamo che questo blog vi dia un'idea dei diversi tipi di motore in circolazione e di come possono essere utilizzati. Se non siete sicuri di quale tipo di motore avete bisogno per la vostra applicazione di controllo del movimento, contattateci. Di nuovo, non produciamo motori, ma conosciamo tutti gli aspetti del controllo del movimento e siamo più che felici di fare raccomandazioni. Lavoreremo con voi per mettere insieme una soluzione di controllo del movimento che soddisfi tutte le esigenze della vostra applicazione.

da Jackson McKay, ingegnere di marketing