Motori coreless vs motori ironcore

LA SFIDA

I motori brushless a magneti permanenti, possono generare moto rotatorio e lineare. Sono noti per l’alta densità di coppia e l’efficienza elevate. Sono anche comunemente detti motori brushless in corrente continua, motori brushless in corrente alternata, motori sincroni a magneti permanenti o servomotori. Queste macchine elettriche generano essenzialmente coppia (rotatoria) o forza (lineare).

Per molte applicazioni nel campo dell’ottica, della scansione, della metrologia, dell’optoelettrica e del traking, la sfida principale è quella di ottenere una coppia/forza costante e prevedibile. I motori brushless a magneti permanenti tradizionali sono soggetti a coppia di cogging, un disturbo derivante dall’interazione tra il magnete permanente e le cave interposte ai denti dello statore. Il cogging è una coppia ciclica con un angolo che crea ripple di coppia (e il corrispondente ripple di velocità), andando ad aggiungere un elemento non lineare nel controllo del motore.

Nel corso degli anni sono stati adottati vari metodi per ridurre al minimo il cogging come, ad esempio, lamelle elicoidali, magneti elicoidali, speciali modifiche meccaniche e compensazione elettrica nel controller del motore. Nella maggior parte delle applicazioni che richiedono un moto costante con carichi ridotti.

LA SOLUZIONE

I motori slotless (senza cave) sono stati concepiti per ottimizzare l’uniformità e ottenere una coppia in uscita prevedibile con effetti non lineari minimi. Comunemente definiti motori slotless se rotanti e ironless se lineari, i motori slotless hanno bobine avvolte in aria. Se disposte correttamente, queste bobine interagiscono con il flusso dei magneti permanenti per creare forza o coppia. La coppia di cogging viene eliminata grazie alla rimozione della discontinuità creata dai denti dello statore. La tecnologia slotless è particolarmente efficace con i sistemi di precisione ad azionamento diretto, perché tutta la coppia è una funzione della corrente di fase e il motore non genera disturbi di coppia indesiderati o non controllati.

TOPOLOGIA DEL MOTORE

I motori brushless a magneti permanenti presentano due componenti interni fondamentali: il gruppo del magnete permanente e quello delle bobine statoriche. Nella versione rotante questi due componenti sono detti gruppo rotore e gruppo statore, mentre in quella lineare prendono il nome di barra magnetica e forcer. Il rotore/barra magnetica è un componente magnetico costituito da magneti permanenti applicati o immersi in una struttura ferromagnetica. Lo statore/forcer è l’assieme delle bobine opportunamente combinate atte a generare un campo magnetico con varie fasi, tre nella realizzazione più comune. La parte restante di questa nota tecnica è dedicata al confronto e alle differenze tra motori rotanti slotless e slotted. Gli stessi principi valgono anche per i motori lineari ironless e ironcore.

STRUTTURA DI ROTORE E STATORE

Gruppo rotore a magneti permanenti

Il gruppo rotore è generalmente un anello o un albero di acciaio su cui sono fissati dei magneti, che possono essere meccanicamente distinti o costituire un anello solido con singoli campi magnetici magnetizzati su di esso.

Il numero di poli è direttamente correlato al numero di magneti permanenti del gruppo rotore. Talvolta, si può scegliere di conteggiare il numero di coppie nord-sud, parleremo in questo caso di coppie di polari. Il numero totale di poli determina il rapporto di trasferimento tra la frequenza elettrica e la velocità meccanica. In genere, i motori con un numero inferiore di poli hanno una velocità meccanica più alta, mentre quelli con più poli sono solitamente più lenti. Detto questo, grazie ai progressi dell’elettronica moderna ad ampia larghezza di banda, è stato possibile aumentare sempre di più la velocità anche dei motori con un numero di poli elevato.

Gruppo statorico

Affinché il motore possa girare, è necessario eccitare propriamente un certo numero di fasi elettromagnetiche che, nei motori brushless a magneti permanenti, sono solitamente tre. Tali fasi elettromagnetiche vengono eccitate mediante uscite in corrente generate da un controller di motore. Il controller del motore utilizza tipicamente la retroazione per monitorare la posizione del rotore e creare il vettore di corrente corretto nelle fasi dello statore per ottenere la coppia. Una volta creata, la coppia può essere controllata insieme a velocità e posizione in modo da gestire qualsiasi applicazione di motion control.

Il gruppo dello statore è tipicamente costituito da lamelle di ferro dolce con denti che sporgono radialmente. Gli spazi tra tali denti sono detti cave e consentono l’inserimento del filo delle bobine elettromagnetiche. Questa tipologia di motore è detta slotted.

Nell’esempio riportato in figura 2, i denti e le cave dello statore sono chiaramente visibili. L’anello grigio al centro del motore è il rotore realizzato in materiale magnetico con 36 poli magneticamente inclinati magnetizzati su di esso. Si noti che i poli sono stati approssimati per ragioni rappresentative. La configurazione inclinata contribuisce a ridurre il fenomeno del cogging, alternando assialmente il campo magnetico e compensando la frequenza fondamentale della coppia di cogging.

STATORE SLOTTED

Le configurazioni tradizionali di uno statore slotted si basano su denti che concentrano il flusso elettromagnetico verso i magneti del rotore e riducono il traferro complessivo del circuito magnetico. In genere ogni fase prevede molteplici denti. I motori slotted sono i più diffusi perché assicurano un buon equilibrio tra coppia in uscita, costante del motore, efficienza e facilità di fabbricazione. Essi garantiscono solitamente la costante di moto più elevata Kt (torque/Amper) per un motore di taglia data, oltre a un’alta efficienza e grande accelerazione con un’inerzia minima.

Come spiegato in precedenza, gli spazi tra i denti dello statore consentono di inserire il filo delle fasi elettromagnetiche. Le cave sono la causa principale della coppia di cogging poiché creano una permeabilità discontinua mentre i magneti passano dall’una all’altra. Per ridurre al minimo la frequenza fondamentale della coppia di cogging, è prassi comune inclinare o sfalsare i denti dello statore o i magneti del rotore.

La coppia di cogging dei motori slotted varia tipicamente dall’1 al 5% della coppia di picco a seconda della configurazione del motore. Nelle applicazioni con carichi utili più elevati, la coppia di cogging minima è ridotta rispetto alla coppia di azionamento e ha un effetto irrilevante sulle prestazioni del sistema. Tuttavia, nelle applicazioni in cui il carico utile è ridotto o quando il moto uniforme è un requisito essenziale, la coppia di cogging generalmente produce un ripple di velocità che può avere effetti negativi sulle prestazioni.

La frequenza della coppia di cogging è una funzione del numero di poli e del numero di cave del motore. La frequenza fondamentale di questo cogging è il minimo comune multiplo tra numero di poli e di cave. Tuttavia, a causa delle variazioni di produzione e degli effetti tridimensionali, al profilo della coppia di cogging con l’angolo contribuiscono anche altri attributi armonici più e meno alti.

Gli statori con cave sono soggetti anche a saturazione magnetica all’aumentare della corrente. Questo fenomeno è detto anche linearità della costante di coppia (Kt). Per ottimizzare la taglia e l’uscita del motore, solitamente il ferro è vicino alla saturazione magnetica in corrispondenza del limite termico continuativo del motore. In alcuni motori il valore di targa continuativo dell’uscita incorpora un errore di linearità di ben il 10% Kt.

STATORE SLOTLESS

Un motore brushless a magneti permanenti ideale produce una coppia sinusoidale senza distorsione armonica. Il motore slotless è quello che più si avvicina a questo obiettivo. Lo statore senza cave non presenta i denti e le rispettive cave. Le bobine di fase sono orientate spazialmente attorno allo statore per formare la relazione tra le fasi elettromagnetiche necessarie per il funzionamento del motore. Quando eccitate, le bobine creano un campo magnetico simile a quello del motore slotted, ma la curva coppia/angolo risultante è sinusoidale. La coppia di cogging è pari a zero per via dell’assenza di denti e cave corrispondenti.

Il rotore al centro è costituito da 8 magneti distinti e ha otto poli. Gli statori slotless hanno una sezione trasversale radiale molto sottile che consente di utilizzare un diametro di rotore più grande.

In un motore slotless, tutta la coppia è funzione della corrente applicata all’avvolgimento, semplificando così il sistema di servocomando e assicurando un funzionamento più uniforme. Inoltre, il motore presenta una linearità di Kt significativamente migliore rispetto alla versione slotted.

Un aspetto che riguarda le configurazioni slotless è il grande traferro magnetico tra rotore e statore derivante dall’eliminazione dei denti dello statore. Ciò comporta una densità inferiore del flusso e, di conseguenza, una coppia in uscita più bassa per un motore di taglia data. La coppia in uscita di una configurazione slotless è solitamente pari al 70-75% di un motore slotted di taglia equivalente, ma con l’ottimizzazione di svariati parametri è possibile arrivare fino all’85%. Se l’uniformità costituisce un requisito critico, la tecnologia slotless è preferibile, mentre i motori slotted sono probabilmente la soluzione migliore quando il fattore essenziale è la densità della coppia.

CURVA COPPIA VS ANGOLO

Un motore rotante genera essenzialmente una coppia, che è una funzione della corrente e della posizione. Il metodo più comune per analizzare questo fenomeno è la curva coppia-angolo. La curva coppia-angolo rappresenta la coppia in uscita di un motore, inclusa la coppia di cogging, ed è la figura di merito più utile per prevedere il funzionamento di un motore in un’applicazione specifica. Il rapporto coppia-angolo può essere misurato energizzando una fase del motore mentre il rotore viene ruotato manualmente misurando la coppia generata mediante un trasduttore di coppia.

Tutti i motori brushless a magneti permanenti hanno un profilo di coppia-angolo che è solitamente sinusoidale e in genere contiene svariate armoniche. La coppia di cogging è uno dei fattori che contribuiscono e che può dare come risultato una distorsione armonica significativa. Questa distorsione provoca un ripple di coppia mentre il motore è in funzione, con effetti sul ripple di velocità.

Le figure 6 e 7 seguenti illustrano come la coppia di cogging rappresenta la differenza principale fra i motori slotted e slotless. La figura 6 mostra chiaramente che quando un motore slotted non opera alla coppia nominale massima, il cogging è una percentuale relativamente bassa dell’uscita e il ripple di coppia è significativamente superiore. Nella Figura 7 si può chiaramente osservare che la coppia di cogging è pari a zero nella curva coppia vs angolo.

RIEPILOGO E CONCLUSIONI

L’offerta Servotecnica include motori slotted e slotless. I motori slotted danno buoni risultati in termini di densità di coppia e accelerazione elevate, mentre i motori slotless sono eccellenti per ottenere un funzionamento uniforme con una buona linearità di Kt quando utilizzati in un sistema servoassistito.

La coppia di cogging varia significativamente a seconda delle diverse configurazioni dei motori e solitamente si adottano misure per ridurne gli effetti, come inclinare i magneti o le lamelle dello statore. Entrambe le tecnologie offrono ampi fori rotore e possono essere adattate ad applicazioni di azionamento diretto con basso profilo.

Le caratteristiche prestazionali principali di ciascun tipo di motore sono riepilogate nella tabella seguente.

Parameter	Slotted	Slotless
Moto più uniforme (ripple di velocità minimo)		✓
Costante di coppia più elevata	✓
Linearità della costante di coppia (Kt)		✓
Foro passante più grande		✓
Accelerazioni più elevate	✓

Fonte: Celera Motion