Guida alla selezione del motore CC: coppia, velocità, tensione e applicazioni

Motore CC Guida alla selezione: da dove iniziare

La scelta del giusto motore DC si riduce a quattro numeri: coppia richiesta, velocità richiesta, tensione di alimentazione disponibile e ciclo di lavoro . Ogni altra decisione - spazzolato o senza spazzole, dimensione del motore, rapporto di trasmissione - deriva dal fatto di ottenere prima questi quattro fattori. Partire dalla potenza nominale di un motore invece che dai requisiti di carico effettivi è il motivo più comune per cui i motori si surriscaldano, si bloccano sotto carico o si usurano precocemente.

Una pratica sequenza di selezione analizza innanzitutto il carico meccanico, quindi lo traduce in requisiti elettrici: definisce la coppia di carico e la velocità sull'albero di uscita, tiene conto di eventuali riduzioni del riduttore, calcola la potenza elettrica e l'assorbimento di corrente richiesti dalla coppia e solo successivamente li confronta con la tensione di alimentazione disponibile e i limiti termici dei motori candidati.

Calcolo dei requisiti di coppia e velocità

I requisiti di coppia iniziano con il carico meccanico: per un carico rotante, la coppia (in Nm) è uguale alla forza applicata ad un raggio moltiplicata per quel raggio; per il movimento lineare tramite una vite di comando o una cinghia, la coppia viene derivata dalla forza richiesta divisa per il vantaggio meccanico del sistema di azionamento. Aggiungere un margine di sicurezza di circa il 20-50% sopra la coppia a regime stazionario calcolata per coprire l'inerzia iniziale, le perdite per attrito e la variazione di carico.

I requisiti di velocità sono generalmente impostati dal tempo del ciclo dell'applicazione o dalla velocità del processo, espressa in giri al minuto sull'albero di uscita. Se un riduttore si trova tra il motore e il carico, la velocità dell'albero del motore deve essere pari alla velocità di uscita moltiplicata per il rapporto di trasmissione e il requisito di coppia del motore diminuisce proporzionalmente (prima delle perdite di efficienza, che in genere riducono la coppia utilizzabile del 5-15% a seconda del tipo di riduttore).

Scelta della giusta tensione di alimentazione

La selezione della tensione è determinata dalla fonte di alimentazione del sistema e dalla corrente che l'elettronica del convertitore è in grado di gestire, non solo dalla velocità del motore. Per una data potenza in uscita, una tensione più elevata significa un assorbimento di corrente inferiore , che consente cablaggi più sottili, connettori più piccoli e perdite resistive inferiori: un fattore importante nei cavi lunghi o nelle unità industriali ad alta potenza.

• Apparecchiature portatili e alimentate a batteria: generalmente limitate a tensioni del bus CC di 12 V, 24 V o 48 V
• Linee di automazione industriale: spesso funzionano con tensione di controllo a 24 V o 48 V o bus CC a tensione più elevata per sistemi servo e brushless di grandi dimensioni
• Evitare di selezionare un motore con una tensione nominale ben superiore alla tensione di alimentazione disponibile: farlo funzionare sotto tensione riduce la coppia disponibile e può causare un controllo irregolare della velocità

Motori DC in applicazioni industriali e di automazione

Le apparecchiature industriali e di automazione preferiscono i motori CC, in particolare i modelli brushless, dove il controllo del movimento preciso e ripetibile conta più della potenza pura. I sistemi di trasporto, le linee di imballaggio, gli azionamenti degli assi CNC e le apparecchiature per la movimentazione dei materiali utilizzano comunemente motori CC senza spazzole o motori CC di tipo servo abbinati a encoder per la posizione a circuito chiuso e il feedback della velocità.

• Azionamenti per nastri trasportatori e rulli: motori DC con o senza spazzole adattati ai requisiti di coppia di carico e velocità del nastro
• Assi pick-and-place e CNC: servomotori DC o DC brushless per un posizionamento accurato e ripetibile
• Pompe e ventilatori nelle apparecchiature di processo: motori PMDC o BLDC selezionati per l'efficienza in servizio continuo
• Veicoli a guida automatizzata (AGV) e robot mobili: motori BLDC compatti scelti per l'elevata densità di coppia e l'efficienza della batteria

Applicazioni a coppia elevata e motori compatti per la robotica

Le applicazioni con motori CC a coppia elevata (gru, argani, attuatori elettrici e motorini di avviamento per carichi pesanti) richiedono in genere design brushless con avvolgimento in serie o con numero elevato di poli in grado di fornire una coppia elevata a bassi regimi, spesso abbinati a un riduttore per moltiplicare ulteriormente la coppia sull'albero di uscita. Queste applicazioni danno priorità alla coppia di avviamento e alla capacità termica rispetto alla velocità massima.

Le applicazioni della robotica si collocano all’estremità opposta dello spettro: Motori CC brushless compatti e ad alta densità di coppia con encoder integrati sono la scelta standard per attuatori articolari e piattaforme mobili, dove ogni grammo di peso e ogni millimetro di diametro dell'alloggiamento influiscono sulle prestazioni complessive del sistema. I design BLDC coreless e frameless sono sempre più utilizzati nei giunti robotici proprio perché riducono la coppia di cogging e migliorano la fluidità del controllo a basse velocità.

Motore CC vs motore CA

La differenza fondamentale è la semplicità del controllo rispetto alla scalabilità pura: I motori CC offrono un controllo semplice della velocità e della coppia attraverso la regolazione della tensione e della corrente, mentre i motori CA eccellono nel funzionamento ad alta potenza e in servizio continuo con una manutenzione ridotta . I motori a induzione CA dominano i grandi azionamenti industriali a velocità fissa – pompe, compressori, grandi ventilatori – dove la loro robustezza e l’assenza di spazzole o magneti si traducono in una maggiore durata a livelli di potenza elevati.