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Cos'è il Torque Ripple e come influisce sulle applicazioni di movimento lineare?

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La coppia di cogging contribuisce all'ondulazione di coppia.

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I motori producono coppia e rotazione attraverso l'interazione dei campi magnetici nel rotore e nello statore. In un motore ideale - con componenti meccanici perfettamente lavorati e assemblati e campi elettrici che si formano e decadono istantaneamente - la produzione di coppia sarebbe perfettamente regolare, senza variazioni. Ma nel mondo reale, ci sono una varietà di fattori che causano un'uscita di coppia incoerente - anche se solo di una piccola quantità. Questa fluttuazione periodica nella coppia in uscita di un motore sotto tensione viene chiamata ondulazione di coppia.

Matematicamente, l'ondulazione di coppia è definita come la differenza tra la coppia massima e minima prodotta su un giro meccanico del motore, divisa per la coppia media prodotta su un giro, espressa in percentuale.

Nelle applicazioni di movimento lineare, l'effetto principale dell'ondulazione di coppia è che provoca un movimento inconsistente. E poiché la coppia del motore è richiesta per accelerare un asse a una velocità specifica, l'ondulazione di coppia può causare un'ondulazione di velocità, o un movimento "a scatti". In applicazioni come la lavorazione e l'erogazione, questo movimento incoerente può avere un effetto significativo sul processo o sul prodotto finale - come variazioni visibili nei modelli di lavorazione o nello spessore degli adesivi erogati. In altre applicazioni, come il pick and place, l'ondulazione della coppia e la fluidità del movimento possono non essere un problema di prestazioni critiche. Questo a meno che la rugosità non sia abbastanza grave da causare vibrazioni o rumore udibile - specialmente se le vibrazioni eccitano risonanze in altre parti del sistema.

La quantità di ondulazione di coppia che un motore produce dipende da due fattori principali: la costruzione del motore e il suo metodo di controllo.

Costruzione del motore e coppia di cogging

I motori che usano magneti permanenti nei loro rotori - come i motori DC senza spazzole, i motori passo-passo e i motori AC sincroni - sperimentano un fenomeno noto come cogging, o coppia di cogging. La coppia di cogging (spesso indicata come coppia di arresto nel contesto dei motori passo-passo) è causata dall'attrazione del rotore e dei denti dello statore in determinate posizioni del rotore.

Sebbene sia tipicamente associata alle "tacche" che si possono sentire quando un motore non alimentato viene fatto girare a mano, la coppia di cogging è presente anche quando il motore è alimentato, nel qual caso contribuisce all'ondulazione di coppia del motore, specialmente durante il funzionamento a bassa velocità.

Ci sono modi per mitigare la coppia di cogging e la produzione di coppia irregolare che ne deriva - ottimizzando il numero di poli magnetici e di scanalature, e inclinando o modellando i magneti e le scanalature per creare una sovrapposizione da una posizione di arresto alla successiva. E un nuovo tipo di motore DC senza spazzole - il design senza slot, o coreless - elimina la coppia di cogging (anche se non l'ondulazione di coppia) utilizzando un nucleo di statore avvolto, quindi non ci sono denti nello statore per creare forze attrattive e repulsive periodiche con i magneti del rotore.

Commutazione del motore e ondulazione della coppia

I motori DC senza spazzole a magneti permanenti (BLDC) e i motori AC sincroni sono spesso differenziati dal modo in cui i loro statori sono avvolti e dal metodo di commutazione che utilizzano. I motori AC sincroni a magnete permanente hanno statori avvolti sinusoidalmente e usano una commutazione sinusoidale. Questo significa che la corrente al motore è controllata continuamente, quindi la coppia in uscita rimane molto costante con una bassa ondulazione di coppia.

Per le applicazioni di controllo del movimento, i motori AC a magneti permanenti (PMAC) possono usare un metodo di controllo più avanzato conosciuto come controllo orientato al campo (FOC). Con il controllo orientato al campo, la corrente in ogni avvolgimento è misurata e controllata in modo indipendente, quindi l'ondulazione della coppia è ridotta ulteriormente. Con questo metodo, la larghezza di banda dell'anello di controllo della corrente e la risoluzione del dispositivo di feedback influenzano anche la qualità della produzione della coppia e la quantità di ondulazione della coppia. E algoritmi avanzati di servoazionamento possono ridurre ulteriormente o addirittura eliminare l'ondulazione di coppia per applicazioni estremamente sensibili.

In contrasto con i motori PMAC, i motori DC senza spazzole hanno statori avvolti in modo trapezoidale e usano tipicamente una commutazione trapezoidale. Con la commutazione trapezoidale, tre sensori Hall forniscono informazioni sulla posizione del rotore ogni 60 gradi elettrici. Questo significa che la corrente è applicata agli avvolgimenti in una forma d'onda quadrata, con sei "passi" per ciclo elettrico del motore. Ma la corrente negli avvolgimenti non può salire (o scendere) istantaneamente a causa dell'induttanza degli avvolgimenti, quindi le variazioni di coppia si verificano ad ogni passo, o ogni 60 gradi elettrici.

Poiché la frequenza dell'ondulazione di coppia è proporzionale alla velocità di rotazione del motore, a velocità più alte, l'inerzia del motore e del carico può servire a smussare gli effetti di questa coppia inconsistente. I metodi meccanici per ridurre l'ondulazione di coppia nei motori BLDC includono l'aumento del numero di avvolgimenti nello statore o il numero di poli nel rotore. E i motori BLDC - come i motori PMAC - possono usare un controllo sinusoidale o anche un controllo orientato al campo per migliorare la fluidità della produzione di coppia, anche se questi metodi aumentano il costo e la complessità del sistema.