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IMPLEMENTAZIONE DELLA RIDONDANZA IN UN MOTORE PASSO-PASSO MINIATURIZZATO

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Turtorial

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Alcune delle recenti attività di ricerca nell'ambito degli azionamenti per motori elettrici per applicazioni critiche (come il settore aerospaziale e le centrali nucleari) sono incentrate sulla ricerca di varie topologie di motori e azionamenti con tolleranza ai guasti.

Dopo aver discusso diverse soluzioni, il presente documento si concentra su un progetto di motore passo-passo PM in miniatura che rientra in questa categoria di tolleranza ai guasti, fornendo una maggiore ridondanza.

I sistemi critici per la sicurezza stanno assumendo un'importanza crescente nel mondo industriale. Alcuni esempi di tali sistemi sono il settore aerospaziale, i trasporti, le applicazioni mediche e militari e le centrali nucleari. Tutti questi sistemi sono dotati di un certo numero di azionamenti per motori elettrici, installati in modo tale che gli impianti fanno grande affidamento su di essi. Qualsiasi guasto a questi azionamenti può causare guasti catastrofici agli impianti, che possono essere molto costosi in termini di risorse umane e di capitale, e chiaramente indesiderabili. Le tecniche alla base della maggior parte degli azionamenti elettrici presenti oggi sul mercato non sono adeguate alle applicazioni critiche per la sicurezza. Pertanto, è necessario migliorare la sopravvivenza dei sistemi critici, data la crescente dipendenza da essi e le gravi conseguenze di un loro guasto. Uno degli strumenti comuni utilizzati nella progettazione di sistemi critici per la sicurezza è la ridondanza. Idealmente, molti sistemi a tolleranza di errore dovrebbero rispecchiare tutte le operazioni; cioè, ogni operazione dovrebbe essere eseguita su due o più sistemi duplicati, in modo che se uno si guasta l'altro possa sostituirlo. Pertanto, la ridondanza all'interno del sistema è un aspetto essenziale.

Che cos'è un motore a tolleranza di errore?

Le specifiche di un motore con tolleranza ai guasti comprendono:

Una maggiore ridondanza, grazie all'utilizzo di segmenti di motore identici sullo stesso albero.

Fasi elettricamente isolate per evitare cortocircuiti fase-fase.

Avvolgimenti disaccoppiati magneticamente per evitare una riduzione delle prestazioni in caso di guasto delle altre fasi.

Fasi fisicamente isolate per evitare la propagazione del guasto nelle fasi vicine e per aumentare l'isolamento termico.

Quali sono le soluzioni offerte?

L'accoppiamento di due motori sullo stesso albero (Figura 1) è la prima soluzione che viene normalmente in mente. Sebbene la sua implementazione sia semplice, questa soluzione presenta diverse limitazioni da considerare:

Questa soluzione costa circa il doppio rispetto al sistema senza tolleranza ai guasti.

Il motore di azionamento deve superare la coppia di attrito e il cogging del motore a riposo, mentre induce in aggiunta perdite di ferro nel secondo, riducendo l'efficienza complessiva del sistema.

Il motore di trazione deve superare la coppia di attrito e il cogging del motore a riposo, mentre induce ulteriori perdite di ferro in quest'ultimo, riducendo l'efficienza complessiva del sistema.

Non soddisfa affatto i requisiti di dimensioni e peso ridotti richiesti dall'industria aerospaziale

Tutorial FAULHABER Motore passo-passo

Figura 1: Due motori accoppiati sullo stesso albero

L'esistenza dei motori FAULHABER Disc Magnet semplifica la ricerca di una capacità di ridondanza. Per impostazione predefinita, questo motore brevettato presenta 4 avvolgimenti che sono normalmente collegati a coppie per formare un motore passo-passo bifase. Una soluzione personalizzata che rende i 4 avvolgimenti indipendenti l'uno dall'altro crea due motori passo-passo PM bifase con fasi fisicamente ed elettricamente isolate che sono la chiave per ottenere un sistema privo di guasti (Figura 2). Gli avvolgimenti sono solo parzialmente accoppiati magneticamente e la configurazione ridondante comporta solo una riduzione della coppia del 30% rispetto alla configurazione standard del motore a parità di potenza dissipata. Con un dissipatore di calore adeguato e un aumento della corrente di fase, è possibile raggiungere la stessa coppia di uscita.

Conclusione

Il design specifico e brevettato di alcuni piccoli motori miniaturizzati esistenti (fino a Ø6 mm) soddisfa, con pochissimi adattamenti, le specifiche per un motore tollerante ai guasti, robusto, affidabile e con il grado di ridondanza che è fondamentale nelle applicazioni critiche per la sicurezza che si basano sul funzionamento senza guasti degli azionamenti dei motori elettrici.