L'impatto della coppia, dei carichi radiali e assiali sulla selezione del motore

Valentin Raschke | 07 luglio 2023

Selezionare un motore per un'applicazione specifica può essere un compito impegnativo. È necessario considerare molti fattori, tra cui la tensione richiesta dall'applicazione, la corrente e il diametro massimi, la velocità, l'efficienza e la potenza, tra gli altri. Bilanciare queste considerazioni con altri requisiti applicativi unici aiuterà a garantire la selezione del motore ideale. La collaborazione tra i team della soluzione di movimento e degli ingegneri di progettazione è vitale fin dall'inizio.

Quando ci si rivolge per la prima volta a un fornitore per ricevere assistenza nella scelta dei motori miniaturizzati, è necessario affrontare una domanda fondamentale: qual è il punto di lavoro specifico dell'applicazione o la coppia e la velocità richieste? Comprendere il carico sul motore aiuterà a individuare la potenza motore necessaria e gli accessori richiesti. È anche importante discutere come verrà integrato il motore nell'applicazione. Diversi tipi di carichi avranno un impatto significativo sulla progettazione del motore richiesto, sulla durata e sull'affidabilità del motore.

Coppia, carico radiale e assiale sono diversi tipi di carichi presenti nelle comuni applicazioni di motori in miniatura. Sono cruciali per il processo di selezione del motore.

La coppia è la quantità di forza rotazionale generata da un motore durante il suo funzionamento. (Vedere la Figura 1 sopra.) Lo scopo tipico di un motore è convertire l'energia elettrica (Pelec = tensione x corrente) in energia meccanica (Pmech = coppia x velocità di rotazione), quindi il carico di coppia è presente in quasi tutte le applicazioni per motori rotativi .

La semplice selezione di un motore in base al valore di coppia richiesto “x” non è generalmente sufficiente. La coppia (e la velocità) richiesta in un'applicazione deve essere compresa durante l'intero ciclo di movimento, poiché il motore deve fornire la potenza meccanica necessaria senza surriscaldarsi. Il fornitore del movimento ti chiederà spesso di fornire l'esatto ciclo di movimento a cui si prevede che il motore sia sottoposto; questo permette di analizzare la temperatura massima che il motore può raggiungere prima di surriscaldarsi. Un esempio di ciò è fornito di seguito nella Figura 2.

Figura 2: Ciclo di movimento tipico di un motore utilizzato in un elettroutensile industriale.

Da tenere a mente: la scelta del motore giusto richiede non solo la comprensione del valore di coppia richiesto, ma anche del profilo coppia/velocità durante l'intero ciclo di movimento e il relativo ciclo di lavoro.

Figura 3: Esempio di trasmissione a cinghia.

In alcune applicazioni, il motore o il riduttore non deve solo fornire una determinata coppia per azionare il carico, ma deve anche supportare un carico radiale. Questa è una forza che agisce radialmente sull'albero motore. Un esempio è la trasmissione a cinghia (Figura 3, a sinistra), utilizzata per azionare un asse parallelo al motore. La forza di tensionamento deve essere considerata come un carico radiale agente sull'albero motore, soprattutto se la cinghia è pretensionata.

Un secondo esempio è una pompa a membrana. Un pistone si muove su e giù fino a raggiungere una pressione positiva o negativa nella valvola per facilitare il flusso di un liquido o di un altro materiale. Montato sull'albero del motore, il pistone crea il movimento e applica un carico radiale sul motore.

Il carico radiale è rilevante per la scelta del motore dato il suo impatto sulle opzioni dei cuscinetti. Nell'esempio di un motore DC a spazzole o passo-passo, sono disponibili due opzioni di cuscinetti standard: cuscinetti a manicotto o cuscinetti a sfera. I cuscinetti a manicotto in genere supportano un carico radiale inferiore e garantiscono una durata inferiore, ma questi aspetti negativi sono compensati dal loro costo inferiore. A seconda del costo totale del motore, l'utilizzo di due cuscinetti a manicotto invece dei cuscinetti a sfere può ridurre significativamente le spese. Tuttavia, per le applicazioni in cui è presente un carico radiale, come la trasmissione a cinghia e la pompa a membrana, l'utilizzo di almeno un cuscinetto a sfere per il cuscinetto anteriore del motore aiuta a garantire una durata ragionevole ed è quindi la scelta migliore.

Figura 4: Carico radiale su un motore BLDC che utilizza due cuscinetti a sfera.

Al contrario, i motori CC senza spazzole utilizzano tipicamente due cuscinetti a sfera e possono essere azionati a velocità molto più elevate rispetto ai motori CC o passo-passo. Un produttore di motori consiglierà una forza dinamica radiale massima alla quale è possibile ottenere una durata minima del motore a una velocità specifica. La forza dinamica radiale massima dipenderà dalle dimensioni dei cuscinetti utilizzati, dalla distanza tra i due cuscinetti a sfere nel motore (Figura 4: Distanza “B”) e dalla posizione in cui si applica il carico radiale (Figura 4: Distanza “A” ). Un motore lungo con cuscinetti a sfera sovradimensionati supporta in genere un carico radiale maggiore rispetto a un motore più corto (Figura 4).