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#Tendenze
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Controllo del movimento - Una scorciatoia per dimensionare i motori
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La costante del motore aiuta a selezionare i motori a corrente continua nelle applicazioni di controllo del movimento.
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I motori a corrente continua spazzolati e senza spazzole sono una buona scelta nelle applicazioni sensibili alla potenza o che richiedono efficienza.
Molte volte, la scheda tecnica di un motore a corrente continua o di un generatore includerà la costante del motore Km, che è la sensibilità della coppia divisa per la radice quadrata della resistenza dell'avvolgimento. La maggior parte dei progettisti considerano questa proprietà intrinseca del motore come una figura esoterica di merito utile solo al progettista del motore, senza alcun valore pratico nella selezione dei motori a corrente continua.
Ma il Km può aiutare a ridurre il processo iterativo nella selezione di un motore a corrente continua perché è generalmente indipendente dall'avvolgimento in un dato caso o in un motore di dimensione del telaio. Anche nei motori a corrente continua senza ferro, dove Km dipende dall'avvolgimento (a causa delle variazioni nel fattore di riempimento del rame), rimane un solido strumento nel processo di selezione.
Poiché il Km non affronta le perdite in un dispositivo elettromeccanico in tutte le circostanze, il Km minimo deve essere maggiore di quello calcolato per affrontare queste perdite. Questo metodo è anche un buon controllo della realtà perché costringe l'utente a calcolare sia la potenza di ingresso che quella di uscita.
La costante del motore affronta la natura elettromeccanica fondamentale di un motore o generatore. La selezione di un avvolgimento adatto è semplice dopo aver determinato una cassa o un telaio adeguatamente potente.
La costante del motore Km è definita come:
Km = KT/R0.5
In un'applicazione di un motore a corrente continua con una disponibilità di potenza limitata e una coppia nota richiesta all'albero del motore, verrà impostato il Km minimo.
Per una data applicazione del motore il Km minimo sarà:
Km = T / (PIN - POUT)0,5
La potenza nel motore sarà positiva. PIN è semplicemente il prodotto della corrente e della tensione, supponendo che non ci sia uno sfasamento tra loro.
PIN = V X I
La potenza in uscita dal motore sarà positiva, poiché fornisce potenza meccanica ed è semplicemente il prodotto della velocità di rotazione e della coppia.
POUT = ω X T
Un esempio di controllo del movimento include un meccanismo di azionamento di tipo gantry. Utilizza un motore dc senza nucleo di 38 mm di diametro. Si decide di raddoppiare la velocità di rotazione senza cambiare l'amplificatore. Il punto operativo esistente è di 33,9 mN-m (4,8 oz-in.) e 2.000 rpm (209,44 rad/sec) e la potenza di ingresso è di 24 V a 1 A. Inoltre, nessun aumento delle dimensioni del motore è accettabile.
Il nuovo punto di funzionamento sarà al doppio della velocità e alla stessa coppia. Il tempo di accelerazione è una percentuale trascurabile del tempo di spostamento, e la velocità di rotazione è il parametro critico.
Calcolo del Km minimo
Km = T / (PIN - POUT)0,5
Km = 33,9 X 10-3 N-m / (24 V X 1A -
418.88 rad/sec X 33.9 X 10-3 N-m) 0.5
Km = 33,9 X 10-3 N-m / (24 W - 14,2 W) 0,5
Km = 10,83 X 10-3 N-m/√W
Tenere conto delle tolleranze della costante di coppia e della resistenza dell'avvolgimento. Per esempio, se la costante di coppia e la resistenza dell'avvolgimento hanno tolleranze del ±12%, il caso peggiore di Km sarà:
KMWC = 0,88 KT/√(R X 1,12) = 0,832 Km
o quasi il 17% sotto i valori nominali con un avvolgimento freddo.
Il riscaldamento dell'avvolgimento ridurrà ulteriormente i Km poiché la resistività del rame aumenta quasi dello 0,4%/°C. E per aggravare il problema, il campo magnetico si attenuerà con l'aumento della temperatura. A seconda del materiale del magnete permanente, questo potrebbe essere fino al 20% per un aumento di temperatura di 100°C. L'attenuazione del 20% per un aumento di temperatura del magnete di 100°C è per i magneti in ferrite. Il neodimio-boro-ferro ha l'11%, e il samario-cobalto circa il 4%.
È interessante notare che, per la stessa potenza meccanica in ingresso, se l'obiettivo è l'88% di efficienza, allora il Km minimo passerebbe da 1,863 N-m/√W a 2,406 N-m/√W. Ciò equivale ad avere la stessa resistenza dell'avvolgimento ma una costante di coppia maggiore del 29%. Più alta è l'efficienza desiderata, più alto è il Km richiesto.
Se nel caso dell'applicazione del motore la corrente massima disponibile e il carico di coppia nel caso peggiore sono noti, calcolare la più bassa costante di coppia accettabile utilizzando
KT = T/I
Dopo aver trovato una famiglia di motori con Km sufficiente, selezionare un avvolgimento che abbia una costante di coppia che superi leggermente il minimo. Poi iniziare a determinare se l'avvolgimento, in tutti i casi di tolleranze e vincoli applicativi, funzionerà in modo soddisfacente.
Chiaramente, scegliere un motore o un generatore determinando prima il Km minimo in applicazioni di motori sensibili alla potenza e generatori che richiedono efficienza può accelerare il processo di selezione. Il passo successivo sarà poi quello di selezionare un avvolgimento adatto e assicurarsi che tutti i parametri dell'applicazione e i limiti del motore/generatore siano accettabili, comprese le considerazioni sulla tolleranza dell'avvolgimento.
A causa delle tolleranze di fabbricazione, degli effetti termici e delle perdite interne, si dovrebbe sempre scegliere un Km un po' più grande di quello richiesto dall'applicazione. Una certa latitudine è necessaria poiché non c'è un numero infinito di varianti di avvolgimento disponibili da un punto di vista pratico. Più grande è il Km, più è indulgente nel soddisfare i requisiti di una data applicazione.
In generale, i rendimenti pratici superiori al 90% possono essere praticamente irraggiungibili. I motori e i generatori più grandi hanno perdite meccaniche maggiori. Questo è dovuto ai cuscinetti, all'avvolgimento e alle perdite elettromeccaniche come l'isteresi e le correnti parassite. I motori a spazzole hanno anche perdite dal sistema di commutazione meccanica. Nel caso della commutazione in metalli preziosi, popolare nei motori senza nucleo, le perdite possono essere estremamente piccole, meno delle perdite dei cuscinetti.
I motori e i generatori dc ironless non hanno praticamente perdite di isteresi e di correnti parassite nella variante a spazzole di questo design. Nelle versioni senza spazzole, queste perdite, anche se basse, esistono. Questo perché il magnete è di solito in rotazione rispetto al ferro posteriore del circuito magnetico. Questo induce correnti parassite e perdite di isteresi. Tuttavia, ci sono versioni brushless dc che hanno il magnete e il ferro posteriore che si muovono all'unisono. In questi casi, le perdite sono solitamente basse.