Il panorama dei motori lineari disponibili in commercio, criteri di scelta, studi ed esempi di applicazione MOTORI ELETTRICI LINEARI

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1 Il panorama dei motori lineari disponibili in commercio, criteri di scelta, studi ed esempi di applicazione MOTORI ELETTRICI LINEARI 1

2 Argomenti del seminario Introduzione ai motori lineari Descrizione dei principi di funzionamento Classificazione delle morfologie costruttive Considerazioni generali Vantaggi e svantaggi delle differenti tipologie Problematiche della progettazione Il motore lineare e dispositivi ausiliari Metodi di selezione e dimensionamento I sistemi di tipo integrato Slims un software per la selezione dei motori lineari Alcuni parametri chiave nella progettazione 2

3 Argomenti del seminario Applicazione dei motori lineari in vari settori dell industria origine storica motivazioni del recente sviluppo I vari settori d impiego d Presentazione di 3 studi di applicabilità dispositivo sollevatore sistema per la deposizione di colla a caldo spingitore per una macchina automatica di impacchettamento Considerazioni emergenti dalle applicazioni studiate Osservazioni conclusive generali 3

4 Introduzione ai motori lineari 4

5 Introduzion ione Negli ultimi anni, i motori elettrici lineari hanno dimostrato ottime potenzialità, al giorno d oggi questi dispositivi trovano applicazione in molti settori industriali. Il grande interesse nei riguardi di tale tecnologia è testimoniato anche dal numero crescente di studi di applicabilità che sono portati avanti da molte ditte operanti vari settori (macchine utensili, packaging, ) e che spesso risultano essere ottimi spunti per tesi di laurea. 5

6 Gli obiettivi principali nella progettazione di macchine automatiche della nuova generazione Differentemente da quanto accadeva in passato l aumento della produttività non è più l unico obiettivo nella progettazione di macchine automatiche la flessibilità operativa è la specifica fondamentale per le macchine automatiche della prossima generazione La richiesta di una maggiore flessibilità è data dalla crescita di interesse verso impianti produttivi che possono operare su un ampio range di formati possono in modo rapido ed efficiente rispondere alle esigenze di differenti mix di produzione 6

7 I motori lineari nelle macchine automatiche La necessità di realizzare un ampia flessibilità sta condizionando fortemente i progettisti verso nuovi approcci delle architetture dei sistemi di attuazione e di controllo I sistemi di attuazione concentrata, con le loro catene cinematiche complesse, sono state abbandonate in favore di architettura ad attuazione distribuita 7

8 I motori lineari nelle macchine automatiche La piena applicazione di questo concetto porta ad ottenere ogni movimento finale da un sistema di controllo programmabile non usando dei rigidi meccanismi appositamente dedicati (DIRECT DRIVE TECHNOLOGY) In più, la maggior parte dei movimenti da realizzare nelle macchine automatiche sono lineari I motori lineari possono essere considerati un ottima soluzione 8

9 Altri vantaggi nell impiego di motori lineari Altri importanti vantaggi dell applicazione dei motori lineari nelle macchine automatiche sono legati all eliminazione delle catene cinematiche e dei meccanismi per la trasformazione e la trasmissione del moto Semplificazione dell architettura delle macchine Permette modularità nella struttura delle macchine Eliminazione delle cedevolezze, dei giochi e degli effetti dell usura aumento dell accuratezza di posizionamento aumento dell affidabilità degli impianti 9

10 I motori lineari sono motori elettrici che producono il moto direttamente in forma lineare. Introduzione srotolando su un piano i tradizionali motori rotativi I principi di fisici alla base del funzionamento sono gli stessi dei motori rotativi. I principi di funzionamento Riluttanza variabile Riluttanza fissa Motori passo Motori asincroni Motori sincroni 10

11 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Come nei motori passo rotativi, all eccitazione di ogni fase, il sistema si dispone per offrire alle linee di flusso del campo magnetico la riluttanza minore. Si ottiene così un moto incrementale ed ogni incremento si definisce passo t = passo della dentatura m = numero di fasi (2 o 4) p = passo = t / 2m Struttura dentata ferromagnetica o magneti permanenti (MP) 11

12 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 1 12

13 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 2 13

14 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 2 14

15 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 4 15

16 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 4 16

17 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 3 17

18 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) Eccitando le fasi 3 18

19 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) La struttura elettromagnetica Generalmente la parte corta è l armatura che porta gli avvolgimenti la parte lunga è una struttura dentata ferromagnetica è costituita da una serie di MP che forniscono il campo d eccitazione Si intensifica il campo magnetico ma Aumentano i costi di realizzazione 19

20 Principi di funzionamento Motori passo (LSTM) La struttura elettromagnetica Motore IBRIDO in cui nell armatura è presente un magnete permanente vantaggi - rinforza il campo magnetico Aumento delle prestazioni svantaggi - aumento della massa del movente 20 - aumento ella forza d attrazione tra movente e statore

21 Principi di funzionamento Vantaggi Motori passo (LSTM) A meno di non richiedere prestazioni molto spinte si ha semplicità e stabilità del controllo in catena aperta: Il moto è direttamente comandato dal numero degli impulsi controllo digitale assenza di sensori di retroazione insensibilità ai disturbi esterni Semplicità del sistema di alimentazione: deve erogare treni di impulsi rettangolari Energia Corrente Tempo Logica di comando Generatore impulsi di comando Convertitore di alimentazione Motore stepper Movimento Schema di controllo in catena aperta 21

22 Principi di funzionamento Svantaggi Motori passo (LSTM) Moto incrementale Vibrazioni e Rumorosità Instabilità ad alcune frequenze degli impulsi di alimentazione per possibili fenomeni di risonanza meccanica col carico Rapporto tra traferro e passo deve essere ridotto per avere alta risoluzione traferro di decimi di mm, difficoltà nella realizzazione meccanica di lunghe corse Prestazioni non elevate né velocità né spinta Forza normale d attrazione circa 7-10 volte la spinta massima 22

23 Principi di di funzionamento funionamento Applicazioni Motori passo (LSTM) Prestazioni statiche e dinamiche superiori possono essere ottenute utilizzando sistemi di controllo in catena chiusa o tecniche di microstepping Logica di comando + _ Generatore impulsi di comando Energia Convertitore di alimentazione Motore stepper Movimento Sensore di posizione Schema di controllo in catena chiusa 23

24 Principi di di funzionamento funionamento Applicazioni Motori passo (LSTM) Microstepping Consiste nell alimentare simultaneamente due fasi successive variando gradualmente la corrente e quindi la forza esplicata in ciascuno di esse Si è quindi in grado di suddividere lo step di base del motore in più microsteps in tal modo aumenta la risoluzione del motore e si ha più gradualità dei movimenti a bassa velocità Controllo per microstepping 24

25 Principi di funzionamento Applicazioni Motori passo (LSTM) Orologeria, macchine a controllo numerico, macchine per l industria tessile, fotocopiatrici, plotter, stampanti, sistemi di controllo ottico, strumenti elettromedicali (NMR risonanza magnetica). Esistono anche motori passo capaci di muoversi all interno di un piano (motori X-Y) Applicazione tipica: plotter 25

26 Principi di funzionamento Motori ad induzione (LIM) Motori ad induzione o asincroni Indotto Armatura Primario con avvolgimenti trifase o bifase Secondario di materiale conduttore 26

27 Principi di funzionamento Motori ad induzione (LIM) Le fasi del PRIMARIO vengono opportunamente eccitate da correnti sinusoidali Indotto Armatura 27

28 Principi di funzionamento Motori ad induzione (LIM) Si produce così un campo magnetico traslante con velocità v s = 2 f t f = Frequenza di alimentazione [Hz] t = semipasso polare [m] Indotto Armatura 28

29 Principi di funzionamento Motori ad induzione (LIM) il moto relativo tra l INDOTTO ed il campo magnetico traslante provoca nell indotto una f.e.m che genera le correnti indotte Correnti indotte Indotto Armatura 29

30 Principi di funzionamento Motori ad induzione (LIM) Le correnti indotte generano a loro volta un altro campo magnetico che interagisce con quello generato dal primario inseguendolo Campo magnetico Indotto indotto Armatura 30

31 Principi di funzionamento Particolarità del motore lineare asincrono il motore non può funzionare in condizione di sincronismo cioè se c è coincidenza tra la velocità del campo traslante e quella dell indotto (Asincrono) la parte indotta non deve essere alimentata Motori ad induzione (LIM) presenza di forze normali (perpendicolari al traferro) repulsiva generata dall effetto di reazione delle correnti indotte nel secondario attrattiva presente se nel secondario è presente un nucleo ferromagnetico per convogliare le linee di flusso DSLIM 31

32 Principi di funzionamento Vantaggi Motori ad induzione (LIM) Prestazioni dei LIM per uso industriale Spinte > 2000 N [con bassi valori del Duty Cycle ] Accelerazioni di 1 g Velocità elevate fino a 50 m/sec Assenza di MP costi ridotti lunghe corse Limitata manutenzione Ottimi per sistemi di trasporto civile ed industriale 32

33 Principi di funzionamento Vantaggi Motori ad induzione (LIM) Costruzione aperta [ nastri trasportatori ] nastro in materiale conduttore [tessuto di rame, fili in acciaio inox] DSLIM per applicazione bilanciata della spinta si applica la spinta su una superficie ampia condizioni ambientali gravose: polveri, umidità, fanghi Secondario Primario 33

34 Principi di funzionamento Vantaggi Motori ad induzione (LIM) Costruzione aperta [ trasporto pallets ] indotti: parallelepipedi in alluminio possono essere sia lineari che biassiali [incroci e zone di scambio] Secondario in materiale conduttore Avvolgimenti Primari in X e in Y 34

35 Principi di funzionamento Svantaggi Motori ad induzione (LIM) Il controllo risulta complesso Per realizzare il controllo in posizione è necessario il controllo di tipo vettoriale delle correnti nelle fasi del primario Durante il funzionamento può esserci un elevata forza normale E presente anche una componente pulsante nel senso del moto Il rendimento è peggiore rispetto ai motori sincroni A parità di spinta l ingombro è maggiore 35

36 Principi di funzionamento Applicazioni Motori ad induzione (LIM) Costruzione aperta nastri trasportatori e movimentazione pallets Esempio d applicazione: avvolgimento dei rotoli d alluminio il nastro che costituisce il secondario, viene sottoposto ad una tensione uniforme e costante Particolarmente felice è la configurazione di tipo tubolare per il bilanciamento della forza di attrazione Motore asincrono prodotto da Normag - Baldor 36

37 Principi di funzionamento Applicazioni Motori ad induzione (LIM) Sistemi di trasporto a velocità medio bassa (treni locali, metropolitane) spinta indipendente dal contatto ruota rotaia aumento dell affidabilità 37

38 Principi di funzionamento Motori sincroni (LSM) Avvolgimento trifase N S N S N S N S Pista con magneti permanenti 38

39 Principi di funzionamento Motori sincroni (LSM) N S N S N S N S Flusso magnetico concatenato con la prima spira ϕ c1 Derivata del flusso magnetico concatenato con la prima spira dϕ c1 dl 39

40 Principi di funzionamento Motori sincroni (LSM) ϕ c1 ϕ c2 ϕ c3 dϕ c1 dl dϕ c2 dl dϕ c3 dl F = 3 q= 1 Corrente all interno della fase q [ gradi elettrici ] La spinta che si esercita sull avvolgimento è esprimibile secondo l espressione: I q dϕ dl cq Derivata del flusso concatenato con la fase q 40

41 Principi di funzionamento Motori sincroni (LSM) ϕ c1 Alternando le fasi ed i segni delle correnti all interno delle tre bobine si può ottenere una spinta costante dϕ c1 dl F = 3 q= 1 I q dϕ dl cq [ gradi elettrici ] 41

42 Principi di funzionamento Particolarità del motore lineare sincrono [ Brushless ] Per comandare la commutazione è necessario conoscere la posizione del movente rispetto al campo magnetico ed è quindi necessario un sensore di posizione ad effetto Hall Motori sincroni (LSM) sfruttando l Encoder usato come sensore di posizione per il controllo in retroazione Le correnti nell avvolgimento possono essere sia trapezoidali che sinusoidali (migliore in termini di inerzia potenza e peso) 42

43 Principi di funzionamento Svantaggi Motori sincroni (LSM) Costo elevato dei magneti permanenti In alcune forme costruttive è presente un elevata forza d attrazione (circa volte la spinta massima) Necessità di proteggere con gusci e soffietti i magneti da polveri e trucioli ferromagnetici (macchine utensili). 43

44 Principi di funzionamento Vantaggi Motori sincroni (LSM) Per una serie di aspetti positivi i motori sincroni sono di gran lunga i più diffusi ciò è testimoniato anche della massiccia presenza di prodotti disponibili in commercio Elevate prestazioni dinamiche Dolcezza del moto velocità fino a 5-7 m/sec accelerazioni anche superiori a 20 g spinte massime anche di 15 kn Qualità nel posizionamento [risoluzione, accuratezza, ripetibilità] Semplicità del sistema di controllo e alimentazione simile ed integrabile con quello dei brushless rotativi che ormai è standard industriale 44

45 Principi di funzionamento Motori sincroni (LSM) I valori di corsa e spinta dei motori sincroni rispondono pienamente alle esigenze delle macchine automatiche 45

46 Morfologie costruttive dei motori lineari Un altra fondamentale classificazione dei motori lineari può essere effettuata analizzando le diverse forme costruttive: Ogni struttura ha delle caratteristiche peculiari, generalmente si può distinguere tra: Motori MONOLATERI Motori BILATERI Motori TUBOLARI 46

47 Forme costruttive dei motori sincroni Motori monolateri (IRONCORE( IRONCORE) La struttura monolatera essendo aperta provoca una dispersione del campo magnetico Per concentrare le linee di flusso del campo magnetico concatenato con le spire del movente si aggiunge un nucleo ferromagnetico ϕconc. F Massa mov 47

48 Forme costruttive dei motori sincroni Motori monolateri (IRONCORE( IRONCORE) Vantaggi Si realizzano così i più elevati valori di spinta (15 kn con raffreddamento forzato) Buona possibilità di dissipare il calore prodotto perché la grande superficie di scambio termico per ventilazione forzata data dal moto generalmente rapido Modularità della corsa Svantaggi Nucleo ferromagnetico Forza d attrazione Maggiore inerzia del movente Applicazioni dove sono necessarie alte spinte e precisione macchine utensili [Siemens, Kollmorgen ] 48

49 Forme costruttive dei motori sincroni Motori bilateri (IRONLESS( IRONLESS) L avvolgimento e disposto tra due piste affacciate di magneti permanenti Il flusso si concatena quasi totalmente con le spire Non si può inserire un nucleo ferromagnetico 49

50 Forme costruttive dei motori sincroni Motori bilateri (IRONLESS( IRONLESS) Vantaggi Simmetria del campo magnetico Ottimo sfruttamento del flusso magnetico Assenza di forze d attrazione Massa ridotta del movente (resine epossidiche) Svantaggi Struttura chiusa Difficoltà di smaltimento termico Non si può inserire un nucleo ferromagnetico Spinte non superiori a 2 kn Applicazioni Dove non sono necessarie alti valori della spinta ma movimenti rapidi e precisi Pick and Place e robot cartesiani 50

51 Forme costruttive dei motori sincroni Motori cilindrici (TUBULAR( TUBULAR) 51

52 Forme costruttive dei motori sincroni Motori cilindrici (TUBULAR( TUBULAR) I motori della Sulzer LinMot P I motori della ThrustTube 52

53 Forme costruttive dei motori sincroni Motori cilindrici (TUBULAR( TUBULAR) Vantaggi Ottimo sfruttamento del flusso magnetico Eccellente comportamento termico facilità di raffreddamento ventilazione forzata durante il moto Bassi costi di costruzione dell avvolgimento Svantaggi Lunghezza della corsa limitata Effetti di bordo La spinta può calare con la fuoriuscita dello stelo Applicazioni Applicazione molto veloci su corse medio brevi Pick and Place, spingitori, tastatori 53

54 Forme costruttive dei motori sincroni Morfologie costruttive dei motori lineari Confronto tra le prestazioni in termini di spinta delle varie morfologie costruttive di motori sincroni. Da un indagine in cui sono stati considerati più di 200 motori di 10 tra le maggiori ditte produttrici 54

55 Metodi di selezione e dimensionamento 55

56 Dimensionamento elettrico del motore Le prestazioni di ogni macchina elettrica sono limitate dalla capacità di espellere il calore prodotto per effetto Joule (perdite nel rame) Infatti se la temperatura del motore supera un certo limite ( ~150 C ) si danneggia il materiale isolante dell avvolgimento e si smagnetizzano i MP. F = I P Joule K f = R I 2 P Joule = R F K 2 RMS 2 f Condizioni fondamentali per il dimensionamento elettrico F Cont > F RMS F Peak > F MAX P Joule < P nom Da catalogo 56 Caratteristiche dell applicazione

57 Dimensionamento elettrico del motore Flusso di energia E. elettr.. Regolazione En.elettr. Rete elettrica Sistema di alimentazione En. el. En. mec. Motore Azionamento I costruttori oltre al motore forniscono anche il sistema di alimentazione in tal caso sono disponibili da catalogo e vanno verificate le curve caratteristiche (Velocità vs Forza) FORCE (N) PEAK CONTINOUS SPEED (mm/sec) 57

58 Organi ausiliari alla movimentazione lineare La movimentazione lineare necessita di un gran numero di apparati accessori Questi svolgono un ruolo fondamentale in fase di dimensionamento, tanto è vero, non si può in alcun modo trascurare la loro influenza sulle equazioni di equilibrio. Telaio e della slitta traslante (massima cura nel disegno) Sistema guide lineari Sensore di posizione per il sistema controllo Sistema di governo e guida dei cavi Eventuale sistema di raffreddamento Eventuale sistema di bilanciamento statico 58

59 Le tolleranze imposte sul traferro e dal sensore di retroazione impongono strette tolleranze dimensionali e rigidezza strutturale questo impone particolare cura nella progettazione della Struttura del telaio e della slitta del Sistema guide lineari Guide lineari Guide a circolazione di sfere o di rulli: Possono costituire un limite al valore massimo dell acc. Va svolto un intervento di ingrassaggio ogni in media ogni 100 Km di esercizio Fattr Massa guide Manicotti a sfere Guide profilate Guide di precisione 59

60 Sensori di posizione Ci sono differenti tipologie di encoder nel campo dei motori lineari: Encoder ottici predominanti nelle applicazioni industriali permettono un altissima risoluzione [20 µm 0.1 µm] accuratezza maggiore rispetto alle altre tipologie 60

61 Sensori di posizione Encoder magnetici (magneto-resistenze o ad effetto di Hall) semplicità ridotta sensibilità allo sporco e alle vibrazioni costo ridotto 61

62 Cavi e sistemi guidacavi Quasi la totalità dei motori lineari presente in commercio prevede che la parte in moto sia alimentata. L affidabilità dei cavi di alimentazione e di retroazione è fondamentale Potenza Voltaggio Sezioni dei conduttori Stress flessione Sono necessari cavi speciali high flex long life Possono costituire una seria limitazione alle accelerazioni massime 62

63 L evacuazione del calore prodotto negli avvolgimenti è cruciale. Esistono tre tipologie dei sistemi di raffreddamento: Sistemi di raffreddamento Scambiatore alettato Generalmente in alluminio, Al di sopra di un certo valore della velocità del movente lo scambio termico avviene per convezione forzata Raffreddamento forzato ad aria Un flusso d aria compressa transita nell avvolgimento e si disperde nell ambiente Raffreddamento a fluido (acqua, olio) E la più efficace ma molto rara esempio Siemens per macchine utensili tre circuiti di raffreddamento (avvolgimento, magneti, precisione) 63

64 Sistemi per il bilanciamento statico Per loro natura i motori lineari non sono in grado di contrastare il moto retrogrado in condizione di power failure. Nel caso il movimento non sia orizzontale e necessario prevedere un sistema di bilanciamento statico o di frenatura spintanea Bilanciamento a contro-massa usato solo negli ascensori Bilanciamento a molla molto vantaggioso per l elevato rapporto tra forza e massa Bilanciamento pneumatico attuatore pneumatico a semplice effetto + valvola regolatrice della pressione 64

65 Modello di dimensionamento meccanico Equazioni di equilibrio F = F tˆ + F tˆ + F + F + motore esterne peso attrito bil. stat. F inerzia Spinta richiesta al motore F inerzia = M tot a Canoni fondamentali per il dimensionamento meccanico Riduzione delle masse Ottimizzazione delle leggi di moto (a Max ea RMS ) 65

66 Modello di dimensionamento meccanico Ottimizzazione della legge di moto - rispetto dei vincoli di posizionamento - minimizazare arms e amax Definire la legge di moto Equazioni di equilibrio Motore di primo tentativo Il procedimento di calcolo è INEVITABILMENTE iterativo!! F inerzia = M a tot M totale = M pagante + M movente Calcolo di FRMS e FMAX Verifica: FRMS < Fcont FMAX < FPeak Ok No Scelta di altro motore o della taglia superiore o di un altro costruttore o di un'altra tipologia Scegliendo un motore di taglia maggiore aumentano la Fcont e la F Peak ma aumenta anche la massa del movente ed, a parità di accelerazione, crescono la Frms e Fmax 66

67 Due configurazioni commerciali I motori lineari sono presenti sul mercato in due configurazioni Configurazione minima (solo statore e movente) consente la massima libertà in fase di progettazione per l ottimizzazione delle prestazioni configurazione minima 67

68 Due configurazioni commerciali I motori lineari sono presenti sul mercato in due configurazioni configurazione integrata (completa di tutti gli organi ausiliari) semplifica e rende la progettazione più affidabile ed economica Fine corsa Movente Sensore di posizione Catena portacavi Magneti permanenti Rotaia della guida profilata configurazione integrata 68

69 Sistemi integrati I sistemi integrati della Trilogy 69

70 Alcuni parametri chiave nella progettazione 70

71 In questa sezione verrà fornita l identificazione e la rappresentazione grafica di alcuni parametri caratteristici dei motori lineari Ciò costituisce: Alcuni parametri chiave un passo fondamentale nel crearsi una sensibilità sui parametri che intervengono in modo più deciso nel dimensionamento e nella scelta di un motore lineare uno strumento di valutazione e di confronto sia delle differenti soluzioni costruttive sia dei prodotti presenti in commercio un valido aiuto per orientarsi nella selezione di singolo prodotto specifico 71

72 Alcuni parametri chiave I parametri più importanti sono: l accelerazione massima l accelerazione continua Acc max = Acc = cont F Massa F Massa max cont movente movente il rapporto tra forza continua e forza d attrazione K = Attr. F F Attr Cont Inoltre verrà definita la Sensibilità alla variazione del carico pagante 72

73 L accelerazione continua 73

74 L accelerazione continua Accelerazionecontinua Motori lineari bilateri Fcont [N] Anorad Kollmorgen Aerotech Trilogy Massa Movente [Kg]

75 L accelerazione continua Accelerazione continua Monolateri e Bilateri Forza continua in N Zoom Mon. Not cooled Mon. Water cooled Bilateri Massa movente (kg)

76 L accelerazione continua Zoom Accelerazione continua Monolateri e Bilateri Forza continua in N Mon. Not cooled Mon. Water cooled Bilateri Massa movente (kg)

77 L accelerazione continua I dati riportati nei diagrammi precedenti sono il risultato di un indagine nella quale sono stati esaminati circa 230 motori monolateri e bilateri di 8 case costruttrici. Forma costruttiva Accelerazione continua [ m/sec2 ] Accelerazione continua [ g ] Motori bilateri Motori monolateri raffreddati ad acqua Motori monolateri non raffreddati

78 Comportamento con carichi utili Accelerazioni continue di motori di tipologie differenti con valore della spinta continua simile,in funzione della massa trasportata in un moto orizzontale. Casa costruttrice Tipologia Massa del movente [Kg] Forza continua [N] Kollmorgen IL Bilatera Anorad LCD-T-3-P Anorad LFA-S-3-P Monolatera water cooled Monolatera non raffreddato

79 Comportamento con carichi utili Accelerazione (m/ sec^2) Sensibilità all'aumentare della massa del carico Motore bilatero Motore monolatero water cooled Motore monolatero non raffreddato I motori monolateri sono meno sensibili alla variazione del carico utile rispetto a quelli bilateri Massa del carico (kg) 79

80 Comportamento con carichi utili Va tenuto in conto anche quanto il motore sia più o meno sensibile al variare dell entità della massa da movimentare Sensibilità all'aumentare della massa del carico 60 Accelerazione (m/sec^2) Kg, 75 N, 54m/sec^ Kg, 97 N, 46m/sec^2 0 Massa del carico (kg)

81 Vantaggi e limitazioni nell utilizzo di motori lineari 81

82 I vantaggi nell utilizzo di motori lineari Elevate prestazioni intrinseche elevate velocità ( > 10 m/sec ) elevate accelerazione ( > 20 g) elevata precisione ed accuratezza di posizionamento Miglioramento delle prestazioni del sistema Consente la filosofia progettuale DIRECT DRIVE Riduzione e semplificazione della catena cinematica Consente una maggiore flessibilità operativa (non ho rigidi meccanismi ma dispositivi programmabili) Aumento dell affidabilità Eliminazione delle inerzie, dei giochi, dell elasticità e degli effetti d usura degli organi della catena cinematica 82

83 Le difficoltà legate all utilizzo di motori lineari Limitazioni tecniche Le spinte esercitate dai motori lineari sono inferiori ai dispositivi tradizionali [ potenza e forza specifica ] Non essendo presente un riduttore di velocità (come accade nel caso di motori rotativi) il motore sente direttamente tutto il carico Problemi legati alle emissioni elettromagnetiche (sia per la salute degli operatori sia per interazione con altre macchine) 83

84 Le difficoltà legate all utilizzo di motori lineari Limitata diffusione La scarsa conoscenza delle reali potenzialità dei motori lineari Limitazioni economiche Costo dei materiali (MP) Il mercato è ancora molto ristretto non si possono applicare economie di scala Costi elevati 84

85 Le applicazioni Il primo motore lineare è stato costruito da Wheatstone nel

86 Le applicazioni I motivi del recente sviluppo dei motori elettrici Sviluppo di materiali sempre più performanti: magneti permanenti processi di sinterizzazione delle polveri isolanti adatti a sopportare alte temperature Sviluppo dell elettronica di potenza Rapida evoluzione nella componentistica elettronica Applicazione di strategie di controllo innovative Metodologie di progettazione più raffinate (F.E.M.) Affermazione di nuove aree di applicazione (industria elettronica) Richiesta di motori direct drive ad alta velocità e ad alta coppia/spinta 86

87 Applicazioni industriali dei motori lineari Capacità movimentare con estrema velocità e precisione oggetti di massa ridotta Sviluppati nella Silicon Vallley per componenti elettronici, chip schede telefoniche, Per la loro flessibilità operativa e precisione sono molto usati nelle macchine utensili tavole porta-pezzo taglio e saldatura laser, fresatrici, macchine per la lavorazione del legno, Per la loro flessibilità operativa e semplificazione dell architettura delle macchine Packaging GD pacchetti di sigarette, imballaggio pannolini, glassatura delle dolciumi, test, alimentatori, 87

88 Applicazioni industriali dei motori lineari Esame di tre casi applicativi scelti per la loro: forte rappresentatività per il mondo delle macchine automatiche e poiché consentono di illustrare due contesti progettuali radicalmente diversi: 1 Alta dinamica Progettazione ad hoc Motore in configurazione minima Flessibilità 2-3 Moderata dinamica Progettazione ordinaria Sistema integrato Economicità 88

89 1 Applicazione ad alta dinamica Tipologia: Dispositivo sollevatore Soluzione attuale: manovellismo di spinta con brushless rotativo corsa di 227 mm ritmo operativo pari a 160 battute/minuto Evoluzione oggetto dello studio piattello direttamente azionato da un motore lineare; incrementare il ritmo operativo a 250 battute/minuto 89

90 1 Applicazione ad alta dinamica Legge di moto: Ottimizzazione con obiettivo: a RMS minimo Periodo: 240 msec Corsa: 277 mm Velocità massima: 6 m/sec Valore massimo accelerazione: 24.2 g Valore efficace accelerazione: g 90

91 1 Applicazione ad alta dinamica Sistema di guide lineari: Guida profilata (carrello fisso e rotaia opportunamente alleggerita) Sistema di bilanciamento statico: Pneumatico Massa traslante (ridotta al minimo): 1,5 Kg (escluso motore) Tipo di motore scelto: LSM brushless Morfologia costruttiva: Bilatero ( IRONLESS ) Casa costruttrice: KOLLMORGEN Modello: IL A4 Massa del movente: 1.42 kg Forza Continua: 450 N [ Frms = 400 N; 89% di F cont ] Forza Peak: 1600 N [ Fmax = 585 N; 37% di F peak ] 91

92 2 Applicazione con dinamica moderata Tipologia: Movimentazione delle pistole per deposizione colla a caldo Soluzione attuale: manovellismo di spinta con brushless rotativo corsa 127 mm tratto a velocità costante (0.65 m/sec) ritmo operativo pari a 120 bpm Cordone longitudinale Cordone trasversale 92

93 2 Applicazione con dinamica moderata Evoluzione oggetto dello studio: semplificare l architettura della macchina aumentare la flessibilità operativa In questo caso non è possibile una preliminare ottimizzazione della massa movente poichè il maggiore carico inerziale è costituito dalle pistole per la colla La legge di moto è stata ottimizzata usando il metodo Monte Carlo modificato con obiettivo di ARMS Posizione [mm vs sec] Velocità [m/sec vs msec] Acceleraz. [mm/sec^2 vs msec] 93

94 2 Applicazione con dinamica moderata Tipo di motore scelto: Sistema integrato con motore LSM Morfologia costruttiva: Bilatero ( IRONLESS ) Casa costruttrice: TRILOGY Modello: Stage T3E - 3poli Massa del movente: 2.8 kg Forza Continua: 130 N [ Frms = 90 N; 70% di F cont ] Forza Peak: 540 N [ Fmax = 243 N; 44,6% di F peak ] Prezzo stimato: $ Stage Trilogy T3E 94

95 3 Applicazione con dinamica moderata Tipologia: Spingitore per una astucciatrice a trasferimento sincrono intermittente Nastro adduzione prodotti Asta spingitore Camma solidale all'albero Master Prodotti Nastro adduzione scatole 95

96 3 Applicazione con dinamica moderata Soluzione attuale: Architettura ad attuazione concentrata (mono-attuatore) Slitta Asta spingitore Tirante Cilindro pneumatico Bilanciere Leva regolazione corsa Camma a canale 96

97 3 Applicazione con dinamica moderata Soluzione attuale: Questa stazione operativa costituisce attualmente il collo di bottiglia per l innalzamento del ritmo produttivo della macchina per il manifestarsi di fastidiose vibrazioni per i problemi causati dalla dinamica del cilindro pneumatico. per l impossibilità di poter variare con facilità la legge di moto della corsa dello spingitore al variare del prodotto disfunzioni al momento dell urto col prodotto 97

98 3 Applicazione con dinamica moderata Sono state valutate una serie di soluzioni ad attuazione distribuita Motore collegato alla leva Cinghia dentata 98

99 3 Applicazione con dinamica moderata Evoluzione oggetto dello studio spingitore direttamente azionato da un motore lineare; incrementare il ritmo operativo; tempo di ciclo: 80 btm escursione: 400 mm massa prodotto: 1Kg Posizione mm vs sec Tempo Valore istantaneo Valore medio Payload [Kg] Tempo di ciclo [sec] 99

100 3 Applicazione con dinamica moderata Tipo di motore scelto: Sistema integrato con motore LSM Morfologia costruttiva: Tubolare ad albero fisso Casa costruttrice: ThustTube Modello: Linear Drive TB 3804 Massa movente: 2,9 Kg Forza Cont: 104 N Frms: 84,4 N La forza efficace risulta essere l 81% della forza continua Forza Peak: 1584 N Forza Max: 195 N La forza massima risulta essere il 12 % della forza di picco 100

101 3 Applicazione con dinamica moderata 101

102 3 Applicazione con dinamica moderata Verifica delle curve caratteristiche curva di utilizzo 160Vdc 320Vdc

103 3 Applicazione con dinamica moderata ThustTube Linear Drive TB

104 Valutazioni conclusive Confrontando le necessità specifiche delle macchine automatiche per il packaging e l assemblaggio con le potenzialità dei motori lineari emerge: I motori lineari devono ancora evolvere per soddisfare le esigenze delle macchine automatiche Molti motori sono sovrabbondanti per accuratezza di posizionamento e rigidezza ma ancora troppo ingombranti e pesanti. Mercato ancora giovane non c è stata ancora né una selezione né una specializzazione, manca una standardizzazione dei datasheet Molti attuatori sono ottimizzati per esigenze di macchine di altre famiglie di impiego (macchine utensili), mentre una progettazione più orientata porterebbe una riduzione di ingombri, costi e migliori prestazioni dinamiche 104

105 Alcuni aspetti speculativi possono essere: Per alti ritmi operativi e corse limitate scegliere come parte movente i magneti e non l avvolgimento così non alimentando la parte in moto, si elimina il problema del trasporto e dell usura dei cavi. Sviluppare sensori con parte mobile non alimentata Valutazioni conclusive Evolvere i motori lineari di tipo asincrono oggi scarsamente presenti sul mercato ma che sono sicuramente i più economici 105

106 Aspetti e raccomandazioni riguardanti la progettazione: Valutazioni conclusive L applicazione di un motore lineare non si può limitare alla semplice sostituzione di una parte di una macchina ma spesso e necessaria una completa riprogettazione del mezzo operativo sia per sfruttare a pieno i benefici di tale tecnologia nell organizzazione funzionale della macchina sia per motivazioni di ordine tecnico riduzione delle masse [FEM, materiali innovativi] curare l ottimizzazione delle leggi di moto irrigidimento della struttura [sistema di retroazione, forze di inerzia] Valutare anche ditte che non vendono motori da catalogo ma che offrono soluzioni sviluppate ad hoc [ servizi e non prodotti ] 106

107 Valutazioni conclusive Aspetti economici: Sicuramente la limitazione più grande è costituita dai costi: una maggiore diffusione può far calare i prezzi come è stato per i motori brushless rotativi ma rispetto ai motori rotativi si ha un numero di parametri per la caratterizzazione di un singolo prodotto più numeroso per cui risulta più difficile realizzare una produzione in serie -- FINE

108 Bibliografia Testi E.R. Laithwaite: Induction machines for special porpouses, Ed. Newnes Lim, London (UK),1966 S.A.Nasar, I. Boldea: Linear motion electric machines, Wiles & Sons, New York (USA), 1976 M.Jufer: Trasducteurs Électromécaniques, Ed Giorgi, St-Saphorin (CH), 1979 M. Poloujadoff: The theory of linear induction machinery, Clarendon Press, Oxford (UK), 1980 S.A.Nasar, I. Boldea: Linear motion electromagnetic systems, Wiles & Sons, New York (USA), 1985 J.F.Gieras Linear induction drives, Clarendon Press, Oxford (UK), 1993 A. Basak: Permanent magnet DC linear motors, Clarendon Press, Oxford (UK),

109 Testi I. Boldea, S.A.Nasar: Linear electric actuators and generators, Cambridge University Press (UK), 1997 J.F. Gieras, Z.J. Piech: Linear synchronous motor, CRC Press (USA), 2000 Articoli M. Andriollo, A.Di Geraldo, (Componenti industriali Publitec): Realizzare movimenti rettilinei con guide elettromagnetiche N F. Lotti, G. Vassura, A. Zucchelli, M. Salmon: Selection of linear motors for highspeed packaging machines, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM'01) Articoli sul sito Bibliografia 109

110 Bibliografia Siti Internet 110

111 Bibliografia Siti Internet 111

112 Bibliografia Siti Internet 112