Motori lineari ironless serie M

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1 Motori lineari ironless serie M Nitek srl Catalogo 2009

2 Questo catalogo è fornito per familiarizzare con i motori lineari serie M di Nitek. Il catalogo raccoglie le specifiche e i fattori applicativi chiave. Informazioni addizionali sono disponibili su richiesta e/o possono essere consultate sul sito internet I motori lineari consentono prestazioni ad alte velocità, con alte accelerazione e con alti valori di precisione e ripetibilità. I principali fattori che limitano tali prestazioni sono normalmente dipendenti dalle condizioni esterne. Questi fattori includono le prestazioni dei cuscinetti lineari, la banda passante del sistema, la rigidità meccanica, la capacità di smaltimento termico e le caratteristiche del controllo. Questi parametri devono sempre essere presi in considerazione nell integrazione dei motori lineari nelle macchine automatiche. Vi preghiamo di contattarci per qualsiasi questione applicativa, sarà nostra cura selezionare per Voi il motore lineare più adeguato alla vostra applicazione. PAGE 2 OF 31

3 INDICE 1 INTRODUZIONE SOMMARIO CARATTERISTICHE MOTORI LINEARI SERIE M FUNZIONAMENTO SERVO AZIONAMENTI E CONTROLLI COMMUTAZIONE MOTORI LINEARI IRONLESS VS. IRON CORE FORZA DI ATTRAZIONE MAGNETICA IMPUNTAMENTO SFRUTTAMENTO DEL CAMPO MAGNETICO RISCALDAMENTO CONTROLLO DELLA TEMPERATURA COMMUTAZIONE NON SINUSOIDALE MEDIANTE SENSORI A EFFETTO HALL DEVIAZIONI DOVUTE A FENOMENI ESTERNI DOMANDE E RISPOSTE SPECIFICHE DEI MOTORI LINEARI SERIE M SERIE M SERIE M SCHEMI COLLEGAMENTO METODI DI CONNESSIONE DEGLI AVVOLGIMENTI TABELLA DI COMMUTAZIONE DELLE FASI MOTORE CARATTERISTICHE DEL SENSORE DI TEMPERATURA PTC COME INTERPRETARE LE SPECIFICHE DIMENSIONAMENTO DEL MOTORE DISEGNI MECCANICI INFORMAZIONI PER L ORDINE DEL MOTORE ACCETTAZIONE DEGLI ORDINI MONTAGGIO E ATTIVAZIONE DEL MOTORE PAGE 3 OF 31

4 11.1 MONTAGGIO DEL CORPO MOTORE MONTAGGIO DEL MODULO A SENSORI HALL HED MONTAGGIO E ISTALLAZIONE DELLA ROTAIA A MAGNETI PERMANENTI GARANZIA AZIONAMENTI COMPATIBILI ADVANCED MOTION CONTROL AMC DIGIFLEX SERVO DRIVER B&R AUTOMATION SISTEMA DI FEEDBACK DI POSIZIONE AZIONAMENTO SCHNEIDER ELECTRIC - ELAU PACDRIVE MC SISTEMA DI FEEDBACK DI POSIZIONE PAGE 4 OF 31

5 1 Introduzione I vantaggi dell applicazione dei motori lineari nelle macchine automatiche sono legati indiscutibilmente alla semplificazione delle catene cinematiche di trasmissione e di trasformazione del moto. In particolare nella rimozione dei punti di accoppiamento utilizzati per la conversione tra il moto rotativo e quello lineare che consente un aumento dell affidabilità, dell accuratezza di posizionamento e dell aumento della flessibilità operativa. Tutto questo consente di realizzare sistemi che rapidamente si adattano a variazioni del ciclo produttivo e alle caratteristiche dei prodotti in termini di forma e dimensioni offrendo la massima libertà nella realizzazione dei cicli di moto sempre più complessi ed efficienti. Nel contesto della macchine di tipo intermittente appare evidente che la maggior parte dei moti richiesti sono di tipo lineare. Nel settore delle macchine imballaggio, le caratteristiche peculiari richieste ad un motore lineare sono di realizzare corse brevi con alte velocità ( battute per minuto) ed accelerazioni (5-10 g) movimentando carichi di piccola massa rappresentati da piccoli oggetti (centinaia di grammi). La forma costruttiva del motore lineare più adeguata risulta essere quella che garantisce un alta spinta efficace ma che allo stesso tempo non introduca una massa del motore troppo elevata rispetto al carico da movimentare. Progettati per le più avanzate applicazioni, i servo motori brushless lineari bilateri Nitek offrono la migliore tecnologia disponibile per la movimentazione lineare. La struttura degli avvolgimenti brevettata consente eccezionali prestazioni, movimento dolce, alta precisione, una ripetibilità unità-unità unica, alte accelerazioni e rigidità. Utilizzati nelle macchine ad alta precisione questi motori rispondono alle più rigorose richieste applicative nei settori del test, dell imballaggio, dell ispezione e nel settore manifatturiero. I motori lineari serie M ha un passo magnetico in dimensioni metriche e offrono una soluzione standard compatibile con le migliori tecnologie di controllo per il settore alimentare e dell imballaggio. 1.1 Sommario caratteristiche motori lineari serie M Forze continue fino a 350 N Forze di picco fino a 1100 N Elevato rapporto Forza / Massa motore Elevata precisione / Ripetibilità Elevate efficienza termica Velocità > 10 m/s e Accelerazioni > 10 g Nessun precarico magnetico Commutazione sinusoidale o mediante sensori Hall Termistori o termostati opzionali Magneti in terre rare ad alte prestazioni Avvolgimenti a bassa induttanza per risposte dinamiche veloci Montaggio esente da contatti meccanici Rotaia magnetiche in moduli fino a 1200 mm Raffreddamento ad acqua opzionale PAGE 5 OF 31

6 2 Funzionamento I motori lineari serie M di Nitek sono capaci di produrre una forza di spinta in direzione lineare, mantenendo la dolcezza e la ripetibilità nel movimento. Questi motori lineari senza spazzole (brushless) contengono magneti permanenti in terre rare. Il motore non contiene il sistema di guida, il cliente deve provvedere all integrazione del motore aggiungendo un sistema di guida lineare mediante cuscinetti. I motori a spazzole esistono sul mercato da molti anni. Le spazzole agiscono come interruttori di corrente relativamente alle fasi del motore. I motori di questo tipo sono tipicamente a bassa affidabilità a lungo termine e producono molte interferenze di tipo elettromagnetico (EMI). Contrariamente, i motori lineari Ironcore usano ferro negli avvolgimenti per guidare il flusso magnetico (incrementando la permeabilità dei circuiti magnetici). Questa caratteristica incrementa la forza di spinta disponibile ma incrementa anche la presenza di impuntamenti riducendo la dolcezza del movimento lineare. L aggiunta di ferro incrementa anche il valore dell induttanza degli avvolgimenti e la massa delle parti in movimento limitando la banda passante del sistema meccanico e l accelerazione nelle applicazioni lineari. I motori lineari Ironless serie M sono motori sincroni AC. Questi motori consistono in una serie di avvolgimenti trifase connessi che interagiscono con un campo magnetico per produrre una forza di spinta. Il campo magnetico con alte magnetizzazioni (10k Gauss) è realizzato utilizzando magneti permanenti in terre rare. La struttura dei magneti è progettata per mantenere il più alto valore di rigidità meccanica consentendo flessibilità nel montaggio del motore. Flangia motore Rotaia magnetica Avvolgimenti motore Dissipatore integrato La struttura meccanica degli avvolgimenti è modulare ed è divisa in segmenti che possono essere concatenati per realizzare le richieste di forze di spinta in un intervallo ampio. Ogni segmento contiene una serie di avvolgimenti trifase. Ad esempio, il modello M20-4 contiene quattro segmenti. Anche la rotaia magnetica è disponibile in diverse lunghezze per la realizzazione di diverse corse meccaniche. La corsa meccanica effettiva è calcolata considerando la lunghezza del corpo degli avvolgimenti e le lunghezze standard delle rotaie a magneti permanenti. 2.1 Servo Azionamenti e controlli I motori lineari Ironless di Nitek sono normalmente utilizzati come parte di un servo sistema ad anello chiuso. L architettura tipo è composta da: - Servo controller / amplifier - Motore lineare Ironless serie M - Encoder lineare PAGE 6 OF 31

7 I parametri specifici del sistema sono: forze di spinta, dolcezza del movimento, valori di accelerazione, duty cycle e molti altri fattori come la temperature ambiente, la precisione di posizionamento, ecc I motori lineari Ironless di Nitek sono ottimizzati per fornire i più alti valori relativi a questi parametri mantenendo una alta rigidità del sistema meccanico. 2.2 Commutazione Applicando una corrente in modo appropriato alle fasi del motore, il motore lineare produce un campo magnetico che interagendo con il campo generato dai magneti permanenti produce una forza di spinta. Questo forza è proporzionale alla corrente applicata ad ognuna delle fasi del motore. La continua produzione di forza di spinta richiede che le fasi vengano commutate in sequenza durante il passaggio attraverso il campo magnetico generato dai magneti permanenti. Questa situazione prende il nome di commutazione ( o selezione delle fasi). Il punto di commutazione del motore e la relazione delle fasi generate dall azionamento (amplificatore) sono strettamente correlati. Due tipologie di commutazione sono note: la prima e maggiormente preferita e realizza la commutazione del motore conoscendo la posizione dei magneti grazie all encoder lineare (commutazione sinusoidale) mentre la seconda utilizza sensori ad effetto Hall per rilevare la posizione relativa dei magneti permanenti (commutazione mediante sensori Hall) 2.3 Motori lineari Ironless vs. Iron Core I motori lineari Ironless (senza ferro negli avvolgimenti) hanno diversi vantaggi rispetto ai motori Ironcore (con ferro negli avvolgimenti). Gli avvolgimenti Ironcore hanno una massa maggiorata associata alla presenza del ferro e questo richiede maggiore dispendio di potenza da parte del motore. I motori Ironcore hanno induttanza degli avvolgimenti molto elevata e questo causa bassa risposta del motore al cambiamento di dinamica imposto dell azionamento. L accelerazione, la decelerazione e la velocità massima del motore sono limitate dall elevato valore di inerzia meccanica del corpo motore. Il peso elevato del corpo motore si riflette in un basso rapporto massa/forza che significa meno forza di spinta effettiva poiché parte della spinta è utilizzata per muovere il motore stesso. In ultimo, un elevato fattore I 2 R che significa meno velocità a parità di tensione erogata dall azionamento. Tutte queste limitazioni non sono presenti nei motori Ironless serie M di Nitek. 2.4 Forza di attrazione magnetica Nei motori lineari Ironcore è presente un alta forza di attrazione che si riflette in un alto valore di precarico dei cuscinetti. Questa forza di attrazione può partire da valori di N fino a raggiungere valori di N. I cuscinetti lineari e le strutture meccaniche devono essere capaci di gestire tali forze aggiuntive. Queste forze esterne, che non sono presenti nei motori lineari Ironless di Nitek, incrementano le masse richieste nel caso di corse meccaniche elevate e richiedo l utilizzo di cuscinetti tipicamente di fascia alta come prestazioni e come costo. 2.5 Impuntamento La forza di attrazione magnetica presente nei motori iron core contribuisce alla presenza di elevate valori di impuntamento. Le discontinuità nel ferro, nelle laminazioni polari creano un flusso magnetico aggiuntivo equivalente di ampiezza variabile. Esistono quindi posizioni del sistema magnetico dove il flusso ha valori minimi e esistono posizioni dove questo valore è massimo creando discontinuità nella forza di spinta. L impuntamento è anche dovuto alla riluttanza magnetica del sistema che è dipendente dalla posizione relativa tra avvolgimenti e magneti permanenti. Questo influenza anche la taratura dell anello di corrente nel servo amplificatore e il valore delle forza contro-elettromotrice risulterà distorta creando impuntamenti anche ad alte velocità. I motori lineari sere M non presentano forze di impuntamento grazie alla loro forma costruttiva. PAGE 7 OF 31

8 2.6 Sfruttamento del campo magnetico La rotaia a magneti permanenti esposti utilizzata nei motori Ironcore crea un flusso magnetico aperto che tipicamente viene sfruttato sono in minima parte (25%) in confronto alla rotaia a magneti permanenti di forma bilatera presente nei motori Ironless serie M dove lo sfruttamento sale al 50%. L esposizione dei magneti crea forze di attrazione verso materiali e oggetti ferrosi presenti nella struttura della macchina come viti, sistemi di fissaggio, ecc. Il campo magnetico generato dai motori Ironcore può produrre anche correnti elettriche (eddy currents) negli oggetti non ferrosi come piani di alluminio creando rumore elettrico nel sistema. Infine un contatto tra il corpo motore e oggetti che vengono attratti e vincolati alla rotaia magnetica possono generare danneggiamenti alla macchina e o al servo amplificatore. 2.7 Riscaldamento Il calore è generato attraverso due meccanismi. Le perdite dovute al fattore I 2 R producono riscaldamento degli avvolgimenti del motore dovute al passaggio di corrente negli avvolgimenti per effetto dissipativo. Il secondo meccanismo presente nei motori Ironcore è dovuto alle perdite del ferro generate dalle eddy current e dalle perdite dovute all isteresi. Questo riscaldamento deve essere tenuto sotto controllo e rimosso dal motore per conduzione, per convezione o per radiazione. I motori lineari Ironcore possiedono una bassa conduzione di calore relativamente agli avvolgimenti. Tipicamente l inserimento di un isolante tra gli avvolgimenti e il traferro riduce il trasferimento termico. I motori Ironcore hanno una struttura non adeguata alla dissipazione di calore e frequentemente vengono forniti con un circuito di raffreddamento mediante acqua o aria. I motori lineari Ironless di Nitek non contenendo ferro e possiedono una capacità di dissipazione termica elevata consentendo un controllo migliore della temperatura operativa del motore. 2.8 Controllo della temperatura Uno dei fattori importanti nel dimensionamento del motore lineare è il calcolo della capacità di dissipazione termica. Le strutture di dissipazione del calore possono essere diverse e possono essere incluse nel asse meccanico della macchina (tipicamente in alluminio). La progettazione, che è requisito molto importante, delle strutture per la dissipazione termica dipende dal tipo di applicazione considerata e la selezione del motore deve tenerne conto. Il calcolo è relativamente semplice. Tutti i motori contengono avvolgimenti resistivi. Quando la corrente attraversa l avvolgimento viene prodotto calore per effetto resistivo. La perdita di potenza dovuta al calore è equivalente al fattore P= I 2 R. I motori lineari Nitek sono ottimizzati mediante minimizzazione della resistenza e mediante la creazione di strutture di dissipazione integrate che consentono lo smaltimento efficiente del calore generato dal motore. Inoltre i motori lineari Ironless di Nitek contengono sensori di temperatura integrati come PTC (KTY84 di Philips) o NTC che consentono un controllo della temperatura operativa del motore e l intervento di un allarme nel caso di sovratemperature. I sensori integrati forniscono una completa protezione termica assicurando un lunga vita operativa per il sistema ed il motore lineare. PAGE 8 OF 31

9 La dissipazione termica sarà il principale fattore di limitazione quando si cercherà di raggiungere il massimo livello di prestazioni dal motore. Il calore è rimosso dal motore per conduzione termica attraverso le masse in gioco, per convezione e per radiazione nell ambiente circostante. La conduzione è il contributo primario alla dissipazione termica. Il carico collegato al motore deve agire come un dissipatore che estrae calore dal motore lineare. Il calore deve essere estratto dal motore abbastanza velocemente da mantenere la temperatura sotto il massimo valore ammissibile. La temperatura del motore non deve superare 125 C. La potenza (P) del motore durante la condizione statica è determinata dall equazione: P = I 2 R dove I è la corrente che attraversa gli avvolgimenti del motore ed R è la resistenza degli avvolgimenti. Ad esempio, una corrente di 4 ampere attraverso una resistenza di avvolgimento pari a 8 ohm causa una potenza pari a 128 W. La resistenza a temperatura ambiente di 8 ohm diviene poi di 11.3 ohm a 125 C e di conseguenza la potenza risultate finale risulta di 180 W. Per l utilizzo di sistema esterni di raffreddamento per la dissipazione termica vi preghiamo di contattarci. 2.9 Commutazione non sinusoidale mediante sensori a effetto Hall Nitek può fornire il motore con sensori ad effetto Hall integrati nel caso di commutazione non sinusoidale. Questo modulo aggiuntivo agganciato al motore è da ordinare insieme al motore lineare. Il modulo HED (Hall Effect Device) è fornibile in due versioni 120 o 60 di sfasamento. Il disegno modulare dei sensori fornisce una rilevazione accurate del flusso magnetico Deviazioni dovute a fenomeni esterni Calore Il punto di commutazione rilevato dai sensori Hall può cambiare con la temperatura. Il modulo HED è posizionato all esterno del corpo motore contenente gli avvolgimenti e questo garantisce la minima deviazione dovuta alla temperatura Variazioni dovute ai magneti permanenti Tutti i magneti hanno variabilità nell intensità del campo magnetico generato. In commercio i magneti permanenti presentano deviazioni del 5% del flusso tra magnete e magnete Variazioni dovute ai sensori Hall Variazioni nella sensibilità dei sensori Hall sono ben documentate. Queste si riflettono in una minore precisione del punto di commutazione tra fase a fase soprattutto nel caso di rilevazione di flussi magnetici a basse intensità. Il modulo HED è posizionato con i sensori Hall vicini ai magneti permanenti minimizzando questi effetti indesiderati Variazione dell air gap Il motore lineare viene guidato utilizzando cuscinetti lineari. Il posizionamento tra il corpo motore e la rotaia a magneti permanenti può variare di / mm. Queste variazioni non rappresentano un problema per il sistema di sensori ad effetto Hall visto che non introducono particolari diminuzioni del campo magnetico da rilevare Presenza di campi magnetici esterni La presenza di campi magnetici esterni a quelli generati dai magneti permanenti della rotaia non rappresenta un problema per la rilevazione del campo da parte del modulo HED poiché è montato all interno della rotaia magnetica. Il cavo dei sensori Hall è schermato ed è indipendente dal cavo motore, questo consente immunità alle fonti di rumore elettrico esterne. PAGE 9 OF 31

10 3 Domande e risposte Q1) Qual è la lunghezza massima e minima delle rotaie a magneti permanenti? Nitek può fornire rotaie a magneti permanenti con lunghezze da 192 a 896 mm. Per realizzare corse più lunghe o illimitate si possono affiancare le rotaie nelle lunghezze standard (da 192 a 896 mm). La rotaia è fornita con fori di riferimento per mantenere l allineamento tra le varie rotaie garantendo un allineamento ottimale tra magnete e magnete. Q2) Il cavo motore è suscettibile a rotture o affaticamento? Il cavo motore è progettato per essere resistente a movimenti continui ed è resistente all abrasione. Occorre non introdurre forze dirette sui cavi e non vincolare carichi utilizzando il punto di giunzione del cavo motore. Il cavo motore non deve essere esposto a piegamenti inferiori a 38 mm. In condizioni operative normali e in condizioni di istallazione adeguate il cavo ha un tempo di vita di diversi anni. Nitek fornisce il cavo motore in lunghezza standard pari a 1800 mm. Nitek può fornire cavi in lunghezze a disegno. Q3) Quale è il più adeguato sistema di commutazione? Il motore lineari ironless serie M di Nitek è capace di produrre forze in tutte e due le condizioni di commutazione: sinusoidale e ad effetto Hall. La commutazione suggerita è quella sinusoidale utilizzando un sensore lineare (riga ottica o magnetica) esterno per la ricerca del punto di commutazione. Tipicamente Nitek fornisce una lista di servo amplificatori compatibili in funzione delle specifiche relative all applicazione. Nei casi in cui il motore fosse utilizzato in commutazione ad effetto Hall, la Nitek può fornire il motore con i sensori Hall integrati. Q4) Cos è la commutazione ad effetto Hall a 120 gradi? Il modulo HED a richiesta che integra i sensori Hall è capace di produrre un segnale sfasato di 120 rispetto al passo polare del motore. Tipicamente questa rotazione di fase è quella richiesta dagli azionamenti che utilizzano i sensori Hall. A richiesta è possibile avere un modulo con sensori Hall capace di produrre un segnale con 60 di sfasamento. Q5) Come viene connesso elettricamente il motore? Il motore lineare ironless serie M di Nitek è connesso in configurazione a triangolo (Delta) con gli avvolgimenti in serie. Può essere richiesta la connessione degli avvolgimenti in parallelo per la riduzione della forza contro elettromotrice e la costante elettrica. L utilizzato può collegare gli avvolgimenti del motore in configurazione a stella. Q6) Il motore richiede cavi schermati? I motori lineari Nitek hanno un cavo motore schermato. Tipicamente, i produttori degli azionamenti forniscono linee guide per il collegamento del cavo motore all azionamento per l abbattimento dei disturbi elettromagnetici. Nitek fornisce il motore con connessione a massa presente sul cavo motore. Q7) E possibile portare il corpo motore a muoversi oltre la rotaia a magneti permanenti? Si, è possibile. In presenza di corpo di motore lungo, il corpo motore stesso può uscire dalla rotaia con una perdita proporzionale della spinta. Almeno due sezioni di avvolgimento devono rimanere all interno della rotaia a magneti permanenti per garantire al motore di ripartire nella direzione opposta. Q8) E possibile smontare la rotaia a magneti permanenti? NO! Non è consigliabile cercare di disassemblare la rotaia in nessuna situazione operativa. PAGE 10 OF 31

11 Q9) Ci sono situazioni in cui i magneti diminuiscono la loro intensità? In condizioni operative normali i magneti permanenti non diminuiscono mai la loro capacità di generazione del campo magnetico. Solo un estremo surriscaldamento può causare danneggiamenti e diminuzioni dell intensità del campo generato. Shock meccanici possono causare rotture meccaniche dei magneti. Q10) A quali sostanze chimiche può essere esposto il motore? Prolungate esposizioni dei motori a solventi, prodotti a base di petrolio, o liquidi di ogni composizione dovrebbero essere evitati. I motori lineari serie M di Nitek sono progettati per venire a contatto in modo moderato con sostanze chimiche e stress diretti di tipo meccanico. Si prega di contattare Nitek in caso di utilizzo del motore in presenza di sostanze chimiche o agenti esterni. Q11) Si possono realizzare fori di montaggio nel corpo motore e nella rotaia? E possibile richiedere fori aggiuntivi e a richiesta sul motore e sulla rotaia. I trucioli dovuti a forature realizzate non in produzione possono essere risucchiati nella rotaia a magneti permanenti e successivamente danneggiare il corpo motore. Forature realizzate sul corpo motore possono danneggiare gli avvolgimenti e rendere inutilizzabile il motore. Q12) Cosa avviene al sistema lineare quando non è alimentato elettricamente il motore? I motori lineari non hanno capacità di frenatura intrinseca come le viti a ricircolo di sfere. Questa caratteristica che nella maggior parte delle situazioni è vantaggiosa, diventa un problema quando il sistema non è elettricamente alimentato e si richiede l utilizzo di sistemi di frenatura addizionali soprattutto in applicazioni con movimenti verticali. Q13) Che precauzioni aggiuntive sono richieste nelle applicazioni verticali? Come sottolineato precedentemente il motore non possiede capacità di frenatura intrinseca. Nelle applicazioni di tipo verticale si deve predisporre un sistema di frenatura o un contro bilanciamento tale da mantenere in condizioni statiche il motore anche se l alimentazione non è presente. Q14) Che prestazioni sono auspicabili rispetto a quelle riportate a catalogo? I valori riportati a catalogo descrivono le prestazioni minime e massime raggiungibili dal motore utilizzando la commutazione sinusoidale. Applicazioni dove viene utilizzato un azionamento con commutazione ad effetto Hall possono influenzare leggermente le prestazioni. PAGE 11 OF 31

12 4 SPECIFICHE DEI MOTORI LINEARI I motori lineari possono essere forniti con connessione serie o parallelo degli avvolgimenti. Il cavo standard del motore riporta le connessioni ai singoli estremi degli avvolgimenti per poter offrire la possibilità di connessione a stella o triangolo in funzione delle richieste applicative. Vedi paragrafo 5 di questo catalogo per lo schema degli avvolgimenti, colori conduttori cavo e tabella di commutazione delle fasi. 4.1 Serie M12 Parametro Unità M12-1 M12-2 M12-3 M12-4 Lunghezza avvolgimenti mm Lunghezza motore* mm Peso motore Kg Massima temperatura avvolgimenti C Avvolgimenti connessi in serie Costante di forza N/A Resistenza di avvolgimento (25 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (25 C - stella) Ohm Resistenza di avvolgimento (125 C triangolo) Ohm Resistenza della fase** (125 C stella) Ohm Induttanza (1 khz stella) mh Induttanza (1 khz triangolo) mh Forza continua N Corrente continua *** (triangolo) A Corrente continua *** (stella) A Potenza continua (125 C) W Forza massima N Corrente massima *** (triangolo) A Corrente massima *** (stella) A Potenza massima (125, 10% duty cycle) W Forza controelettromotrice BEMF (triangolo) V/m/sec Forza controelettromotrice BEMF (stella) V/m/sec Costante di tempo elettrica msec Resistenza termica C/W Costante del motore N/ W Avvolgimenti connessi in parallelo Costante di forza N/A Resistenza di avvolgimento (25 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (25 C - stella) Ohm Resistenza di avvolgimento (125 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (125 C stella) Ohm Induttanza (1 khz triangolo) mh Induttanza (1 khz stella) mh Forza continua N Corrente continua *** (triangolo) A Corrente continua *** (stella) A Potenza continua (125 C) W Forza massima N Corrente massima *** (triangolo) A Corrente massima *** (stella) A Potenza massima (125 10% duty cycle) W Forza controelettromotrice BEMF (triangolo) V/m/sec Forza controelettromotrice BEMF (stella) V/m/sec Costante di tempo elettrica msec Resistenza termica C/W Costante del motore N/ W * La lunghezza è specificata senza sensori Hall addizionali ** Queste specifiche riflettono una connessione a triangolo con una cavo di 304 mm di lunghezza. Un cavo di lunghezza maggiore introdurrà un incremento nel valore riportato in tabella. *** Un sistema di dissipazione adeguato è richiesto per ottenere una potenza continua da parte del motore e mantenere gli avvolgimenti ad una temperatura inferiore alla massima temperatura operativa. PAGE 12 OF 31

13 4.2 Serie M15 Parametro Unità M15-1 M15-2 M15-3 M15-4 Lunghezza avvolgimenti mm Lunghezza motore* mm Peso motore Kg Massima temperature avvolgimenti C Avvolgimenti connessi in serie Costante di forza N/A Resistenza di avvolgimento (25 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (25 C - stella) Ohm Resistenza di avvolgimento (125 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (125 C triangolo) Ohm Induttanza (1 khz triangolo) mh Induttanza (1 khz stella) mh Forza continua N Corrente continua *** (triangolo) A Corrente continua *** (stella) A Potenza continua (125 C) W Forza massima N Corrente massima *** (triangolo) A Corrente massima *** (stella) A Potenza massima (125 10% duty cycle) W Forza controelettromotrice BEMF (triangolo) V/m/sec Forza controelettromotrice BEMF (stella) V/m/sec Costante di tempo elettrica msec Resistenza termica C/W Costante del motore N/ W Avvolgimenti connessi in parallelo Costante di forza N/A Resistenza di avvolgimento (25 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (25 C - stella) Ohm Resistenza di avvolgimento (125 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (125 C triangolo) Ohm Induttanza (1 khz triangolo) mh Induttanza (1 khz stella) mh Forza continua N Corrente continua *** (triangolo) A Corrente continua *** (stella) A Potenza continua (125 C) W Forza massima N Corrente massima *** (triangolo) A Corrente massima *** (stella) A Potenza massima (125 10% duty cycle) W Forza controelettromotrice BEMF (triangolo) V/m/sec Forza controelettromotrice BEMF (stella) V/m/sec Costante di tempo elettrica msec Resistenza termica C/W Costante del motore N/ W * La lunghezza è specificata senza sensori Hall addizionali ** Queste specifiche riflettono una connessione a triangolo con una cavo di 304 mm di lunghezza. Un cavo di lunghezza maggiore introdurrà un incremento nel valore riportato in tabella. *** Un sistema di dissipazione adeguato è richiesto per ottenere una potenza continua da parte del motore e mantenere gli avvolgimenti ad una temperatura inferiore alla massima temperatura operativa. PAGE 13 OF 31

14 4.3 Serie M20 Parametro Unità M20-1 M20-2 M20-3 M20-4 M20-5 M20-6 Lunghezza avvolgimenti mm Lunghezza motore* mm Peso motore Kg Massima temperature avvolgimenti C Avvolgimenti connessi in serie Costante di forza N/A Resistenza di avvolgimenti (25 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (25 C stella) Ohm Resistenza di avvolgimento (125 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (125 C triangolo) Ohm Induttanza (1 khz triangolo) mh Induttanza (1 khz stella) mh Forza continua N Corrente continua *** (triangolo) A Corrente continua *** (stella) A Potenza continua (125 C) W Forza massima N Corrente massima *** (triangolo) A Corrente massima *** (stella) A Potenza massima (125 10% duty cycle) W Forza controelettromotrice BEMF (triangolo) V/m/sec Forza controelettromotrice BEMF (stella) V/m/sec Costante di tempo elettrica msec Resistenza termica C/W Costante del motore N/ W Avvolgimenti connessi in parallelo Costante di forza N/A Resistenza di avvolgimento (25 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (25 C stella) Ohm Resistenza di avvolgimento (125 C triangolo) Ohm Resistenza della fase (125 C stella) Ohm Induttanza (1 khz triangolo) mh Induttanza (1 khz stella) mh Forza continua N Corrente continua *** (triangolo) A Corrente continua *** (stella) A Potenza continua (125 C) W Forza massima N Corrente massima *** A Potenza massima (125 10% duty cycle) W Forza controelettromotrice BEMF (triangolo) V/m/sec Forza controelettromotrice BEMF (stella) V/m/sec Costante di tempo elettrica msec Resistenza termica C/W Costante del motore N/ W * La lunghezza è specificata senza sensori Hall addizionali ** Queste specifiche riflettono una connessione a triangolo con una cavo di 304 mm di lunghezza. Un cavo di lunghezza maggiore introdurrà un incremento nel valore riportato in tabella. *** Un sistema di dissipazione adeguato è richiesto per ottenere una potenza continua da parte del motore e mantenere gli avvolgimenti ad una temperatura inferiore alla massima temperatura operativa. PAGE 14 OF 31

15 5 Schemi collegamento 5.1 Metodi di connessione degli avvolgimenti SCHEMA MOTORE TRIANGOLO STELLA BIANCO GIALLO GIALLO MARRONE NERO BLUE NEUTRO MARRONE BIANCO BLUE NERO ROSSO ROSSO ARANCIO/NERO TERMISTORE PTC O NTC ARANCIO MASSA VERDE 5.2 Tabella di commutazione delle fasi motore STATO R (U) S (V) T (W) Movimento di abbandonando il cavo motore PAGE 15 OF 31

16 5.3 Caratteristiche del sensore di temperatura PTC Il PTC integrato nel corpo motore che contiene gli avvolgimenti è il KTY84 della Philips, la cui curva di risposta alla temperatura è riportata qui sotto. Il set-point di sovratemperatura dovrà tenere in considerazione la massima temperatura ammissibile da parte degli avvolgimenti pari a 125 C. PAGE 16 OF 31

17 6 Come interpretare le specifiche Lunghezza avvolgimenti La lunghezza degli avvolgimenti è la lunghezza del motore senza le flangie di fissaggio. Essa non include il raggio di piegatura del cavo agganciato alla flangia di supporto del corpo motore. La lunghezza della corsa normalmente è calcolata considerando la lunghezza della rotaia meno la lunghezza del corpo motore. Occorre tenere presente che la lunghezza del motore è maggiore se si sceglie di avere i sensori Hall a bordo. Peso motore Il peso specificato è riferito a tutto il gruppo: avvolgimenti, cavo di 300 mm e flangia di supporto. Questo peso va considerato nel dimensionamento del motore come massa inerziale da aggiungere al carico dovuto all applicazione (Payload). Costante di forza Questa costante è ottenuta come relazione tra la forza prodotta dal motore e la corrente applicata agli avvolgimenti. Resistenza La resistenza è misurata con gli avvolgimenti connessi a triangolo (delta). Considerare la resistenza elettrica del motore è importante per un utilizzo corretto del motore. La resistenza degli avvolgimenti incrementa di un fattore 0.393% per grado il suo valore in funzione della temperatura. La Potenza del motore viene definita dalla seguente relazione: P = I 2 * R dove: I = Corrente, P = Potenza, R = Resistance Quando il motore si riscalda (considerando costante la corrente) la potenza dissipata aumenta. Questo incremento causa una accelerazione nel riscaldamento del motore. Induttanza L induttanza degli avvolgimenti e la loro resistenza determina la costante di tempo elettrica del motore. Bassi valori di induttanza sono desiderabili per risposte veloci del motori (banda passante elevata) e per le richieste degli azionamenti elettrici. La possibilità di connessione parallelo degli avvolgimenti riduce l induttanza, la forza controelettromotrice e la resistenza elettrica ma richiede il doppio della corrente da parte dell azionamento per raggiungere lo stesso livello di forze di spinta. Forza continua La forza continua è la forza che il motore può produrre per un prolungato periodo di tempo. Per utilizzare il motore a questo livello di potenza è appropriato utilizzare un dissipatore capace di dissipare il calore generato dal motore. Corrente Continua Questa è la corrente necessaria a produrre la forza continua. Questo livello di corrente dovrebbe essere raggiunto solo quando il motore è fissato in maniera definitiva rispetto al carico e può dissipare il calore generato dagli avvolgimenti rimanendo ad una temperatura costante. Questo livello di corrente non può essere superato senza utilizzare un opportuno dissipatore per evitare che il motore si surriscaldi. PAGE 17 OF 31

18 Potenza continua Questa è la potenza risultante dalla corrente richiesta per produrre la forza continua. L utilizzo del motore a questi livelli di potenza richiede un opportuna dissipazione termica come indicato nelle sezioni precedenti. Forza massima La forza massima è la forza massima erogabile dal motore per periodi brevi di tempo. E specificata per un duty cycle pari al 10%. Corrente massima Questa è la corrente richiesta per produrre la forza massima. Potenza massima Questa è la potenza risultante dal passaggio della corrente massima richiesta per produrre la forza massima. Costante controelettromotrice BEMF La costante BEMF è moltiplicata per la massima velocità del motore per determinare quanta tensione viene generata dal motore durante il movimento. L azionamento deve essere in grado di produrre una tensione superiore a quella generata dal motore per permettere alla corrente di fluire verso gli avvolgimenti e non viceversa. La seguente formula è una buona regola per la determinazione della tensione dovuta all amplificatore: Bus Voltage = 1.25 * ( (BEMF * Max velocità) + (Resistenza (125 C) * Corrente)) Occorre esprimere la velocità in mm per secondo. Costante di tempo elettrica La costante di tempo elettrica è ottenuta dividendo l induttanza degli avvolgimento per la resistenza. Essa misura quanto velocemente la corrente può essere variata; in particolare è il tempo per cambiare il valore della corrente del 63%. I motori lineari Nitek serie M hanno bassa induttanza grazie all assenza di parti ferrose all interno degli avvolgimenti e questo consente risposte rapide del sistema elettromeccanico. PAGE 18 OF 31

19 7 Dimensionamento del motore Il dimensionamento del motore può essere realizzato con modalità differenti. Qui di seguito ne è mostrato un esempio. Vi preghiamo di contattare lo staff tecnico della Nitek per questioni riguardanti il dimensionamento. Problema Un motore lineare deve essere utilizzato all interno di una macchina che compie 4800 cicli all ora. Il ciclo è definito come il movimento completo includendo i tempi di attesa ad ogni fine movimento. L asse deve movimentare un carico di 13.6 kg e richiede un movimento di 254 mm. Ad ogni movimento deve essere aggiunto un tempo di attesa pari a0.125 secondi. I cuscinetti lineari introducono un attrito aggiuntivo pari a kg. Soluzione Passo 1: Calcolo del duty cycle Un ora contiene 3600 secondi quindi 3600/4800 movimento = 0.75 sec/ciclo. Considerando il tempo di attesa pari a 0.25 sec, il ciclo di movimento è pari a 0.5 sec (0.25 in ogni direzione avanti e indietro). Il duty cycle è definito come l ammontare di energia utilizzata divisa per il ciclo totale. Quindi 0.5 sec/0.75 sec = 67% di duty cycle. Passo 2: Analisi del profilo di moto Tim T 1 = 0 sec >> Velocità pari a 0, inizio del movimento. T 2 = 0.25 sec/2 =.125 sec >> Velocità massima. Inizia la decelerazione. T 3 =.25 sec >> Velocità pari a 0, inizia il tempo di attesa T 4 = =.375 sec >> Inizia il ritorno indietro T 5 = =.5 sec >> Velocità massima nella direzione opposta. T 6 = =.625 sec >> Fine del movimento completo T 7 =.75 sec >> Ciclo totale ultimato Passo 3: Calcolare la velocità massima Per il calcolo della velocità massima, si può utilizzare la seguente formula per il profilo di moto triangolare. X = (Vo + V) t/2 dove: X = Posizione Vo = Velocità iniziale V = Velocità attuale t = Tempo PAGE 19 OF 31

20 Questa può essere invertita per avere la velocità richiesta: V = 2X/t dove Vo = 0 V = 2 (254 mm) /.25 s = 2032 mm/sec. Passo 4: Calcolare l accelerazione Possiamo calcolare l accelerazione mediante: V = Vo + a t oppure a = V/t con Vo = 0 So, a = 2032 mm/sec /.125 sec = mm/sec 2 ; Per riferimento possiamo convertire l accelerazione in g: / 9.81 = 1.66 g s Passo 5: Calcolare la forza richiesta dall applicazione Possiamo calcolare la forza richiesta dall applicazione (ricordando di aggiungere il peso del motore e quello dei cuscinetti lineari utilizzati), dalla relazione: F = MA dove: F = Forza M = Massa A = Accelerazione Possiamo stimare che il motore serie M20-4 sia adeguato: F = (13.6 kg {load} kg. {motor} kg. {attrito cuscinetti}) (1.66 g s) = 244 N Dalle specifiche del motore, sappiamo che questo motore può erogare 245 N di forza continua. Ora possiamo provare a calcolare la potenza di picco e la forza di picco necessaria per il dato duty cycle nel caso del motore di taglia più piccola. Domanda: può il motore M20-3 lavorare con questi carichi al 67% di duty cycle? Dalle specifiche del motore, M20-3 può erogare una corrente massima di 4 A per raggiungere una forza di picco pari 217 N. Applicando la relazione P = I2 R otteniamo: >> P = 4 2 * 10.8 ohm = watt di potenza totale Per i carichi in gioco, si richiede 25 kg/(5.56 kg./amp) = 4.47 amps, che richiedono >> P = (10.8 ohms) = watt watt/215.9 watt =.800 -> 80% Dunque il motore M20-3 potrebbe essere utilizzato fino all 80% del duty cycle. (con un dissipatore di area infinita) Passo 6: Calcolo della forza controelettromotrice BEMF Calcoliamo la forza controelettromotrice BEMF. Per il motore M20-3, la costante BEMF è pari a 54.4 V/mps Dunque alla velocità di 2032 mm/sec abbiamo 110 volts di tensione necessaria. Per pilotare il motore con 4.5 A di corrente secondo la legge di ohm : V = IR = 4.5 (14 {tenendo conto dell aumento di temperatura}) = 63 volt L azionamento deve essere capace di pilotare il motore con 4.5 A utilizzando = 173 volt. Considerando le perdite presenti nell azionamento occorre introdurre un fattore di margine pari al 25% e questo porta la tensione di Bus DC a 216 V. PAGE 20 OF 31

21 8 Disegni meccanici I disegni meccanici sono riportati in questo catalogo. Inoltre, sono disponibili su richiesto i modelli 3D dei motori nei formati IGES, STEP. 9 Informazioni per l ordine del motore I motori lineari serie M sono codificati nel seguente modo: LMC M S 1800 P SERIE POLI AVVOLGIMENTI CONNESSIONE M12 M15 M standard 3 - con sensori HALL S : serie P : parallelo LINEAR Serie del motore E il nome della serie del motore lineare disponibile a catalogo Numero di poli Il numero di poli richiesto dall applicazione. Contattare Nitek per determinare il numero più appropriato di poli richiesto dalle specifiche della vostra applicazione. Commutazione Specificare se sono necessari i sensori Hall integrati nel motore per la commutazione non sinusoidale. Connessioni interne Specificare se gli avvolgimenti sono connessi in serie o in parallelo. I motori lineari Nitek sono assemblati mettendo a disposizione sei connessioni sul cavo motore. L utilizzatore può scegliere se collegarli in modalità Stella o Triangolo. Lunghezza del cavo Specificare la lunghezza del cavo motore in mm Dispositivi termici Specificare il tipo di sensore di temperatura PTC o NTC Le rotaie magnetiche vengono codificate nel seguente modo: LMDT M M S SERIE M12 M15 M20 Lunghezza rotaia in millimetri MAGNETI PROFILO S :standard Serie del motore Selezionare la serie dalle tipologie a catalogo Lunghezza rotaia Selezionare la lunghezza della rotaia a magneti permanenti per realizzare la corsa richiesta e l eventuale lunghezza addizionale relative ai sensori Hall. Profilo della rotaia Sono disponibili differenti forme di profilo a richiesta PAGE 21 OF 31

22 10 Accettazione degli ordini Gli ordini sono accettati solo per conferma scritta da Nitek srl. Le quotazioni non comprendono i costi di trasporto e hanno validità di 30 giorni se non diversamente indicato. Nitek fornirà i disegni meccanici prima della spedizione del materiale per approvazione. 11 Montaggio e attivazione del motore. I motori lineari Nitek sono progettati per essere utilizzati in applicazioni ad alte prestazioni. E da tenere sempre presente che il motore è libero di muoversi se non viene alimentato. E cura dell utente finale prevedere sistemi di frenatura di sicurezza per movimenti verticali e orizzontali se richiesto. Riferirsi alle seguenti linee guida per una corretta istallazione del motore: Scollegare l amplificatore dal motore e dalla sorgente di alimentazione prima di realizzare le connessioni del motore. Evitare che il cavo motore subisca flessioni inferiori a 10 volte il raggio del cavo per prevenirne danneggiamenti. Corto circuiti tra le fasi del motore durante il funzionamento possono causare danneggiamenti al motore e ai sistemi di controllo. Utilizzare estrema cautela quando il motore è in uso e immediatamente dopo l uso. Il motore può muoversi a velocità estremamente elevate e generare anche temperature. L utilizzatore deve proteggere il motore da condizioni di sovra-temperatura utilizzando in sensori in dotazione al motore. Per assicurare una lunga vita operativa, il motore dovrebbe non operare a temperature superiori ai 125 C mentre il modulo con i sensori Hall ed i cavi non dovrebbero superare i 90 C. Non utilizzare mai il motore senza un opportuno dissipatore a livelli di corrente elevati. Non sottostimare mai l intensità dei campi magnetici generate dalla rotaia a magneti permanenti. Il personale coinvolto nell uso e istallazione del motore deve prestare massima cautela quando utilizza parti metalliche vicino alla rotaia magnetica. Non smontare mai la rotaia magnetica. Un opportuno gap deve essere mantenuto tra il cursore del motore e la rotaia a magneti permanenti. Danneggiamenti della rotaia possono verificarsi se materiali o oggetti esterni introducessero diminuzioni dell air gap. Fermare immediatamente il motore nel caso si verificasse tale situazione. Esporre ad alti shock meccanici o cadute il motore può provocare danneggiamenti e pregiudicare l integrità del motore e della rotaia a magneti permanenti. Per questioni e richieste aggiuntive contattare: Nitek srl Via dell Industria, Calderara di Reno (Bologna) Italy Le raccomandazioni di sicurezza devono essere strettamente seguite. Vi preghiamo di contattarci per ogni situazione anormale o impropria osservata. PAGE 22 OF 31

23 11.1 Montaggio del corpo motore. La flangia di fissaggio del motore deve essere sempre collegata all asse o al carico prima di alimentare il motore. L asse rappresenta il sistema di dissipazione del motore e senza il montaggio del motore all asse, il motore lineare potrebbe surriscaldarsi e danneggiarsi. L air gap tra il cursore del motore e la rotaia magnetica deve essere sempre mantenuto nel range dei valori ammissibili. Il cursore del motore non deve mai strisciare sulla rotaia durante il movimento. Si prega di utilizzare le viti e i serraggi adeguati al fissaggio del motore compatibili con i punto di fissaggio a disegno. Fissare il punto di allarme di sovratemperatura nell azionamento o sulle interfacce addizionali. Fissare in modo corretto i limiti di corrente relativi al motore scelto durante la parametrizzazione dell azionamento. Evitare che il motore urti contro i fine corsa predisposti nell asse lineare. Un urto meccanico potrebbe danneggiare gli avvolgimenti del motore e causare il malfunzionamento del sistema. Non utilizzare il motore se scorie o trucioli sono entrati nella rotaia a magneti permanenti. Utilizzare sempre catene porta cavi per assicurare ai cavi motori e sensori Hall un lunga vita operativa Montaggio del modulo a sensori Hall HED Il modulo HED non deve mai strisciare contro i magneti permanenti e non deve urtare contro i fine corsa dell asse lineare. L urto meccanico potrebbe danneggiare il modulo e causare il malfunzionamento del sistema Montaggio e istallazione della rotaia a magneti permanenti Per il fissaggio della rotaia a magneti permanenti deve essere utilizzato un basamento pulito, piano e sicuro. La rotaia applica una forza uguale e contraria a quella sviluppata dal motore su tale piano di fissaggio. AVVERTENZE: La rotaia a magneti permanenti contiene magneti in terre rare capaci di generi alti campi magnetici che possono attrarre con violenza parti e oggetti metallici. Non consentire a viti e parti di fissaggio di essere catturati dal magnetismo della rotaia. Una rotaia nella quale sono stati intrappolati oggetti metallici non può essere utilizzata, deve ritornare in produzione per essere pulita. Mantenere la rotaia nel suo imballo fino a quando non è pronta ad essere istallata. La linee guide generali relative alla rotaia magneti includono: UTILIZZARE superfici piane per il fissaggio NON flettere la rotaia magnetica NON SMONTARE MAI LA ROTAIA A MAGNETI PERMANENTI UTILIZZARE fissaggi multipli per ottenere alta rigidità dal sistema. 12 Garanzia Nitek garantisce che i prodotti sono esenti da difetti nei materiali e sono fabbricati in accordo alle specifiche e ai disegni approvati dall utente finale. Questa garanzia copre un periodo di 90 giorni dalla data dell acquisto. Il rientro del materiale deve essere concordato con Nitek srl. I prodotti restituiti devono tornare nelle medesime condizioni della spedizione originale. Questa garanzia è limitata alla riparazione del motore o al rimpiazzo e non include garanzie sull interruzione del lavoro, i danni a persone o altre perdite collegate ad un improprio utilizzo del prodotto. PAGE 23 OF 31

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