Introduzione
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Introduzione
La moderna tecnologia degli azionamenti, nell’ottic a del
miglioramento delle prestazioni e della riduzione d elle dimensioni
complessive dei sistemi, sta spingendo sempre più n ella direzione della
miniaturizzazione dei motori elettrici e verso la t otale integrazione degli
stessi nei servosistemi.
Negli ultimi anni il mercato ha visto la presenza s empre più massiccia
di motori miniaturizzati per un campo di applicazio ne che sta diventando
ogni giorno sempre più ampio. Attualmente la diffus ione di tali motori è
ancora limitata a settori altamente specializzati, soprattutto per l’elevato
costo finale degli stessi, determinato dalla qualit à dei materiali impiegati e
dalla necessità di disporre di personale qualificat o per la realizzazione. Di
seguito e in particolare nel Capitolo 1, viene pres entata una panoramica delle
principali tipologie di minimotori elettrici dispon ibili sul mercato.
Sono stati presi in considerazione una vasta gamma di motori lineari
in corrente continua a magneti permanenti di tipo a spazzole e di tipo
brushless, passo-passo, piezoelettrico e con sensor i ad effetto Hall. Motori di
questi tipi presentano tipicamente dimensioni trasv ersali variabili tra 2 mm e
26 mm di diametro, dimensioni longitudinali compres e tra 20 mm e 150 mm
e sono in grado di erogare potenze da 0,2 W a 10 W.
Nei motori piezoelettrici ultrasonici (PUM) sono st ati riscontrati dei
vantaggi in più rispetto ai motori elettromagnetici . I PUM possono
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raggiungere precisioni di posizionamento nella gamm a di diverse decine di
nanometri, mantengono le loro posizioni anche ad al imentazione interrotta e
quindi consumano meno energia. I PUM vengono costru iti con pochissime
parti, per questo motivo risultano facili da proget tare a differenza dei motori
elettromagnetici, per i quali la progettazione risu lta complessa. L’efficienza
dei motori elettromagnetici diminuisce quando si ri ducono le dimensioni, a
differenza dei motori piezoelettrici dove rimane pr essoché costante.
L’SQL-3.4 SQUIGGLE motor è invece un rivoluzionari o micro motore
lineare che fissa nuovi parametri di riferimento pe r le dimensioni ridotte e
grandi prestazioni. Questo motore piezoelettrico cr ea forza e velocità
soltanto con poche parti a differenza di un comples so motore
elettromagnetico con centinaia di parti. I SQUIGGLE micro motors
consentono ai progettisti di aggiungere la motion i n prodotti in cui non si
sarebbe mai immaginato prima. Questo semplice e rob usto motore piezo è
scalabile fino a dimensioni molto più piccole di mo tori elettromagnetici,
senza una significativa perdita di efficienza energ etica.
L’obiettivo di questa ricerca è mirante alla realiz zazione di un mini-
dispositivo per applicazioni speciali ovvero di un mini-polso di puntamento
a 2 gradi di libertà ;
Mini-polso di puntamento a 2 gradi di libertà
la piattaforma è resa mobile grazie ad un giunto fl essibile in materiale
superelastico (Nitinol) di collegamento tra la colo nna e la piattaforma stessa;
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il movimento è generato da due motori piezoelettric i SQUIGGLE, disposti in
verticale, che, agendo su due piani verticali ortog onali, danno origine alla
rotazione della piattaforma. Il contatto tra gli st eli dei motori e la superficie
inferiore della piattaforma è mantenuto dal richiam o elastico del giunto
flessibile.
I micromotori piezoelettrici soddisfano il bisogno di moto lineare in
prodotti miniaturizzati. Questi motori in dimension i sono la metà dei
solenoidi o dei tradizionali micro motori elettroma gnetici. Tra i micro motori
sono i più efficienti e producono un moto lineare d iretto senza ingranaggi o
sistemi di trasmissione. Offrono una corsa più lung a, una maggiore precisione
e una maggiore forza dei solenoidi (elettromagneti) o delle leghe a memoria
di forma (SMA).
Minimotori: lo stato dell’arte Capitolo 1
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Capitolo 1
Minimotori: lo stato
dell’arte
I minimotori elettrici sono una realtà consolidata in tutti i settori
dell’industria e la continua diminuzione di costi e dimensioni, insieme alla
crescita delle prestazioni, rende questi dispositiv i interessanti per nuove
applicazioni nel campo dell’automazione. In questo capitolo si esaminano le
tecnologie e le principali tipologie di minimotori elettrici disponibili sul
mercato. Le applicazioni che utilizzano i minimotor i elettrici sono in costante
espansione e coinvolgono aree di mercato sempre più vaste.
Minimotori: lo stato dell’arte Capitolo 1
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1.1 Micro motori in corrente
continua a magneti permanenti
Il motore in corrente continua (brevemente motore in CC ) è stato il
primo motore elettrico realizzato, ed è tuttora uti lizzato ampiamente per
piccole e grandi potenze. Tra i motori elettrici pi ù classici e semplici da
costruire si trovano i motori CC a magneti permanenti (comunemente
chiamati motori elettromagnetici ).
Per elettromagnete si intende una bobina di filo el ettrico,
comunemente di forma cilindrica, la quale, quando c onduce una corrente
elettrica, ha un comportamento analogo a quello di una barretta magnetica,
cosicché, quando scorre una corrente, un nucleo mob ile viene attirato nella
bobina. Un elettromagnete può essere definito in mo do più semplice come
una bobina e un nucleo di ferro mobile utilizzati p er convertire energia
elettrica in energia meccanica.
I motori elettromagnetici sono in circolazione da d ecenni, ma adesso
le loro dimensioni vanno da meno di 6 mm ad oltre 3 8 cm di diametro con
forze prodotte che vanno da meno di 0,28 N a quasi 10.000 N.
A seconda del tipo di moto reso disponibile si indi viduano:
• MOTORI ROTANTI
• MOTORI LINEARI
I primi, più usuali, rendono disponibile il moto co me rotazione attorno ad
un asse (asse del “ rotore ” del motore); i secondi, invece, producono un
movimento in direzione lineare (direzione di sposta mento del “ movente ”
del motore).
Minimotori: lo stato dell’arte Capitolo 1
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1.1.1 Micro motori a spazzole
Caratteristiche costruttive . Nella Tabella 1 vengono riportati i valori
costruttivi caratteristici per minimotori in corren te continua attualmente
presenti sul mercato.
Tabella 1 - Valori costruttivi caratteristici per m inimotori in
corrente continua
Grandezza Valore
minimo
Valore
massimo
Unità di
misura
Diametro 7 26 mm
Lunghezza 16 50 mm
Peso 3,5 90 g
Potenza 0,2 10 W
Potenza specifica 60 130 W/Kg
Regime di rotazione a vuoto 6.000 16.000 Rpm
Le soluzioni costruttive sono simili per tutte le r ealizzazioni ed in
particolare i minimotori a corrente continua presen tano una carcassa in
acciaio con coperchi superiore e inferiore anch’ess i in acciaio o in materiale
plastico per i modelli più economici. In genere è p revista la presenza di
filettatura o di fori filettati su uno dei due cope rchi per facilitarne il
montaggio (solitamente dal coperchio dal quale spun ta l’albero motore),
mentre dal coperchio opposto fuoriescono i morsetti di rame, a coltello, o i
Minimotori: lo stato dell’arte Capitolo 1
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conduttori isolati previsti per il collegamento del motore all’alimentazione.
Costruttivamente presentano una struttura non tradi zionale con rotore
esterno e statore interno. Il rotore è realizzato i n aria in modo da migliorarne
le prestazioni in termini di inerzia complessiva ed è costituito da un
avvolgimento auto-portante, a forma di coppa, calet tato direttamente
sull’albero motore.
A seconda del
produttore, l’avvolgimento è
costituito da spire ripiegate e
sovrapposte od oblique ( Figura
1.1a , 1.1b ), rivestito da resina
termoindurente in grado di
resistere ad elevate
temperature (da 85 °C fino a
125 °C) che conferisce la
necessaria compattezza e
rigidità. Data l’assenza di ferro
e la ridotta inerzia si possono
ottenere notevoli accelerazioni,
riducendo i tempi di
avviamento e contenendo la
corrente di spunto. Infatti, l’avvolgimento d’indot to, avvolto in aria, presenta
induttanza ridotta e un comportamento lineare per l ’assenza di saturazione e
di perdite per isteresi e correnti parassite. L’ass enza di cave di rotore
favorisce inoltre il raffreddamento dell’avvolgimen to e consente l’adozione di
correnti più elevate, ottimizzando il rapporto pote nza-volume. Lo statore è
costituito da un magnete permanente di forma cilind rica posto all’interno del
rotore. Al fine di ottenere elevate prestazioni si utilizzano solitamente
magneti permanenti pregiati a terre rare (neodimio- boro, samario-cobalto).
L’albero motore è realizzato tipicamente in acciaio e più raramente in
ceramica e sostenuto con bronzine in metallo sinter izzato o cuscinetti a sfere.
L’uso di cuscinetti a sfere è previsto solitamente per quei motori destinati ad
uso continuativo ad elevate velocità o con elevato carico radiale all’albero.
Minimotori: lo stato dell’arte Capitolo 1
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Commutazione meccanica - spazzole e collettore
La commutazione meccanica, realizzata dall’accoppia ta collettore-
spazzole, rappresenta sicuramente il punto debole d ei minimotori a corrente
continua. La presenza del commutatore meccanico lim ita la velocità massima
e la tensione di alimentazione. Quest’ultima, in pa rticolare, non può superare
la massima ammissibile dall’isolamento tra le lamel le. È inoltre difficoltoso
erogare elevate coppie a velocità nulla, a causa de lla prolungata
sollecitazione a cui sarebbero sottoposte le stesse bobine di rotore e lamelle
di collettore. La presenza del collettore limita in oltre la dimensione minima
radiale del minimotore che deve essere tale da cons entire il rispetto dei
vincoli di commutazione, aumentando di conseguenza l’inerzia totale e
limitando la risposta dinamica. Sono inoltre richie sti frequenti interventi di
manutenzione a causa dell’usura per attrito e per s cintillio. Per la
realizzazione del commutatore vengono solitamente a dottate due soluzioni
costruttive: collettore in rame con spazzole in gra fite oppure collettore e
spazzole in metalli preziosi. La combinazione colle ttore di rame e spazzole in
grafite è generalmente impiegata nei motori di dime nsioni leggermente
superiori che devono sopportare carichi gravosi. In particolare le spazzole in
grafite sono in grado di sopportare correnti più el evate rispetto a quelle in
metalli preziosi e sono quindi adatte ad un funzion amento intermittente con
frequenti inversioni di marcia. Tale soluzione cost ruttiva ha però lo
svantaggio di presentare frequentemente fenomeni tr ansitori quali lo
scintillio. La combinazione di metalli preziosi inv ece garantisce un costante e
basso valore di resistenza di contatto anche dopo l unga inattività e un
limitato scintillio, permettendo il funzionamento c on bassissime tensioni
d’avviamento ed una elevata immunità alle interfere nze elettriche. Questa
soluzione si presta ottimamente alla realizzazione di motori di ridotte
dimensioni funzionanti in servizio continuativo, co n basso carico di corrente.
Le spazzole sono composte da molti segmenti a forma di pettine (fino
a sette denti) per assicurare una maggiore elastici tà e quindi un perfetto e
costante contatto elettrico.
Minimotori: lo stato dell’arte Capitolo 1
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Figura 1.2 – Micro motore elettrico CC (L 26mm) (C anon)
( http://www.usa.canon.com/)
Figura 1.3 – Micro motore elettrico CC (FAULHABER)
(http://www.faulhaber.de/)
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