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Sistemi A&D avanzati con i micromotore

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Sistemi avanzati per l'aerospazio e la difesa con motori miniaturizzati di precisione

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SISTEMI AEROSPAZIALI E DI DIFESA CON MOTORI MINIATURIZZATI DI PRECISIONE

Le applicazioni del settore aerospaziale e della difesa sono esigenti e richiedono soluzioni di controllo del movimento estremamente precise e ad alta densità di potenza; di conseguenza, queste sono alcune delle applicazioni più impegnative da progettare e implementare per gli ingegneri del controllo del movimento. Le specifiche tipiche del settore A&D richiedono motori in grado di resistere a intervalli di temperatura estremi, di operare in condizioni di urti e vibrazioni estreme e di adattarsi a spazi ristretti, il tutto mantenendo livelli di prestazioni elevati. Questo articolo esamina questi requisiti rigorosi e affronta le sfide progettuali dei produttori di motori miniaturizzati di precisione.

TECNOLOGIE DEI MOTORI MINIATURIZZATI COMUNEMENTE UTILIZZATE NELLE APPLICAZIONI AEROSPAZIALI E DELLA DIFESA

Per i requisiti di movimento nelle applicazioni A&D si utilizzano spesso tre tecnologie di motori: Brush DC Coreless, Brushless DC (BLDC) e Stepper. I motori DC Coreless e BLDC vengono solitamente scelti per i loro rendimenti più elevati e per il loro peso ridotto; i motori BLDC sono disponibili sia in forma cilindrica che piatta e utilizzano tecnologie di avvolgimento con o senza scanalature. Anche i motori passo-passo sono una scelta ideale per le applicazioni in cui è richiesta precisione, ma il rapporto prezzo-prestazioni è il fattore principale.

Tutte e tre le tecnologie si adattano non solo agli impegnativi requisiti prestazionali delle tipiche applicazioni A&D, ma anche alle loro condizioni ambientali estreme. I requisiti di temperatura sono un esempio chiave, in quanto possono variare da -55°C/67°F a 200°C/392°F; ciò significa che tutti i componenti di controllo del movimento devono essere progettati appositamente per sopravvivere a questi estremi e per sostenere livelli di prestazioni elevati per l'intero intervallo operativo. I progressi nei materiali, in particolare i metalli utilizzati negli alloggiamenti dei motori, i lubrificanti speciali per i cuscinetti, i rivestimenti speciali per l'elettronica e le materie plastiche per l'isolamento delle bobine consentono ai mini motori di funzionare in modo affidabile in queste condizioni.

Il funzionamento in ambienti soggetti a forti urti e vibrazioni è una seconda sfida comune che deve essere presa in considerazione. Per consentire ai motori miniaturizzati di funzionare in questi ambienti estremi, sono necessarie speciali considerazioni di progettazione, poiché anche piccoli movimenti delle bobine del motore possono causare danni al motore stesso. La progettazione del motore deve garantire che i componenti interni critici del motore (rotore, albero, cuscinetti) e i componenti collegati (riduttori, encoder) siano adeguatamente protetti per impedire il movimento quando sono esposti alle condizioni di urto e vibrazione più severe.

L'esposizione ai materiali potenzialmente pericolosi che si incontrano spesso in queste applicazioni è una terza modalità di guasto potenziale del motore che deve essere affrontata. Gli ingegneri che progettano i motori cercano di incorporare nel motore materiali avanzati e guarnizioni speciali. Il design ottimale garantisce che il motore possa funzionare con la massima efficienza in questi ambienti estremi e, soprattutto, che funzioni in modo sicuro e affidabile.

APPLICAZIONI AEROSPAZIALI E DI DIFESA CHE RICHIEDONO MOTORI MINIATURIZZATI

Le applicazioni A&D possono essere suddivise in tre categorie: aerospaziale commerciale, aerospaziale militare e difesa, veicoli spaziali e razzi. L'elemento comune è la necessità di progettare motori leggeri e ad alta densità di potenza che forniscano una forma di attuazione. Dall'azionamento dei sedili ai sistemi di controllo del volo, dall'azionamento delle alette al controllo delle valvole, i motori miniaturizzati di precisione sono un componente essenziale di queste applicazioni.

Valvole e attuatori

Sui veicoli aerei vengono utilizzati vari tipi di valvole e attuatori per svolgere funzioni critiche, tra cui la regolazione del flusso di carburante al motore e il controllo del flusso d'aria nella cabina dell'aereo. A causa della loro collocazione fisica nel velivolo, questi dispositivi sono in genere esposti ad ambienti estremi e richiedono la massima densità di potenza e risposta dinamica da parte del sistema di movimento. Le considerazioni tipiche sulla progettazione includono:

- Modifiche al materiale del magnete per garantire che la forza del magnete non si deteriori con l'aumento delle temperature

- Selezione del materiale di laminazione per garantire che i motori possano resistere a intervalli di temperatura estremi

- La scelta corretta dei fili conduttori che collegano i motori all'elettronica del sistema garantisce che rimangano flessibili in caso di freddo estremo e non si sciolgano in caso di caldo estremo.

Ciascuna di queste modifiche alla progettazione dei motori deve essere presa in considerazione per garantire un funzionamento ad alte prestazioni in presenza di temperature estreme durante il ciclo di vita dell'aeromobile. Molti dei progetti di valvole della vecchia e attuale generazione utilizzano motori passo-passo che regolano finemente la posizione o motori a spazzole in corrente continua, ideali per le valvole on/off. Tuttavia, i progetti di nuova generazione stanno gradualmente passando all'utilizzo di motori DC brushless per applicazioni di attuazione intelligente. Ciò è dovuto alle capacità di posizionamento preciso del motore BLDC, che può fornire dati sul numero di operazioni, monitorare eventuali comportamenti anomali e fornire informazioni sulla manutenzione, migliorando così l'affidabilità e le prestazioni complessive dell'apparecchiatura.

Azionamento di tende e sedili

Il controllo elettromeccanico per l'oscuramento dei finestrini e l'azionamento dei sedili è un'innovazione in espansione per gli aeromobili privati e commerciali, con l'obiettivo di garantire la facilità d'uso per i passeggeri e un maggiore controllo per il personale della compagnia aerea. Questi sistemi consentono al passeggero di sollevare o abbassare comodamente l'oscurante o la superficie del sedile premendo un pulsante; permettono inoltre agli assistenti di volo di controllare la luce ambientale della cabina e di assumere la posizione corretta del sedile durante il decollo e l'atterraggio. Grazie alla loro elevata densità di potenza, alla bassa rumorosità e al basso aumento di temperatura, i motori DC Coreless sono utilizzati principalmente in questa applicazione. La possibilità di utilizzare i motori senza elettronica di controllo rappresenta un chiaro vantaggio in termini di costi, mentre l'elevata efficienza e il peso ridotto del motore riducono il consumo di energia e di carburante, un obiettivo fondamentale per ogni compagnia aerea.

Difesa intelligente

Le applicazioni di munizioni intelligenti prevedono un utilizzo unico, in cui è indispensabile un controllo di precisione in un ambiente ad alta velocità/estreme vibrazioni. Il controllo e la dinamica del motore contribuiscono in modo determinante alle prestazioni complessive del sistema, per cui ogni potenziale parametro che può influire anche solo marginalmente sulle prestazioni durante il funzionamento deve essere preso in considerazione nella progettazione del motore.

A seconda delle priorità di progettazione, i motori BLDC con scanalature, senza scanalature e piatti sono tutte soluzioni di movimento appropriate per i sistemi di attuazione con controllo a pinna. Grazie all'elevata densità di potenza e alle dimensioni ridotte del pacchetto, questi motori riducono il peso del sistema di attuazione e forniscono un'elevata risposta dinamica in ingresso dal sistema di navigazione per garantire un eccellente controllo del volo. Per le applicazioni di dispiegamento dell'ala, le tecnologie DC a spazzole e DC senza spazzole sono l'ideale. Le applicazioni EO/IR utilizzano in genere motori brush DC e BLDC slotless di piccole dimensioni con un'elevata densità di potenza per ridurre al minimo le dimensioni complessive del sistema. I motori a spazzole CC contribuiscono inoltre a ridurre l'ingombro complessivo, poiché per il funzionamento del motore è necessaria solo una semplice elettronica di controllo.

In generale, per i sistemi di movimento semplici, i motori CC a spazzole sono le soluzioni più convenienti per soddisfare i requisiti dell'applicazione, come prestazioni, dimensioni e durata. Per requisiti più complessi, un motore BLDC completamente personalizzato è probabilmente la soluzione migliore.

CONCLUSIONE

Uno dei compiti più difficili che i fornitori di soluzioni per il controllo assi devono affrontare nel settore aerospaziale e della difesa è quello di adattare il sistema di motori in miniatura alle esigenze specifiche di ogni applicazione. A tal fine, gli ingegneri progettisti di motori devono essere esperti nella messa a punto degli elementi di progettazione per allinearsi ai requisiti dell'applicazione, nonché abili nell'adattare i progetti esistenti per ottimizzarli in termini di SWaP (spazio, peso e potenza) e di condizioni ambientali variabili. In questo contesto, i motori COTS (Commercial-Off-The-Shelf) si rivelano ideali per le applicazioni del settore aerospaziale e della difesa, in quanto offrono una combinazione di potenza sostanziale in un telaio compatto e leggero. I produttori che dispongono di un'ampia gamma di tecnologie motoristiche hanno un'eccellente capacità di analizzare requisiti specifici che abbracciano diverse tecnologie. Ciò si traduce spesso nell'offerta ai clienti di una gamma di soluzioni per il controllo del movimento che rispondono esattamente alle loro esigenze.