Soluzioni progettuali per macchine per il packaging.

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La configurazione elettromagnetica dei motori lineari sincroni è simile a quella dei brushless rotativi. Si può distinguere una struttura sulla quale sono disposti i magneti permanenti e un’armatura con gli avvolgimenti trifase. Per una serie di aspetti positivi i motori sincroni sono di gran lunga i più diffusi; ciò è testimoniato della massiccia presenza di prodotti disponibili in commercio. Le prestazioni meccaniche di questi attuatori sono eccezionali (velocità fino a 10 m/s, accelerazioni anche superiori a 20 g, spinte massime di 20 kN). Inoltre, con l’implementazione di dispositivi di controllo adeguati si ottiene un’elevata qualità di posizionamento in termini di risoluzione, accuratezza e ripetibilità. Il sistema di controllo e alimentazione è simile e del tutto integrabile con quello dei brushless rotativi, ormai standard industriale. Ciò costituisce un punto di continuità con le soluzioni tradizionali sia nell’impiantistica che nel set up.
Tra le tre tipologie esaminate, i motori sincroni sono quelli che coprono meglio le esigenze della movimentazione industriale per le macchine per il packaging sia per ciò che riguarda i range di spinta (in genere minori di 2kN) che di corsa (sotto i 10 m).

Le morfologie costruttive dei motori lineari

In questa sezione ci concentreremo a considerare solo motori sincroni. Tale scelta appare giustificata se si nota quanto sia preponderante la presenza sul mercato di tale tipologia di motori. Le morfologie costruttive dei motori di tipo sincrono sono principalmente tre: a struttura monolatera (Ironcore), a struttura bilatera (Ironless) e a struttura cilindrica (Tubular). Nei motori ironcore lo statore è costituito da una pista di magneti permanenti, mentre il movente ha gli avvolgimenti ed è raggiunto dai cavi di alimentazione. Questa struttura è molto semplice, ma paga tale pregio col fatto di essere caratterizzata da una asimmetria e quindi da una forte dispersione nelle linee di flusso magnetico. Per concentrare il campo concatenato con le spire del movente si aggiunge al suo interno un nucleo ferromagnetico. Questo, se da un lato consente di aumentare la spinta che il motore riesce a erogare, causa un aumento della massa del movente e provoca un’elevata forza di attrazione tra la pista di magneti permanenti e il movente. Tale forza, che può raggiungere entità anche 10 volte quelle della forza massima, comporta una maggiorazione della taglia delle guide lineari.

Tale morfologia consente di realizzare il massimo delle prestazioni in termini di spinta (con raffreddamento ad acqua si raggiungono anche i 20 kN). Ciò è favorito, infatti, dalla particolare forma costruttiva che permette un’ottima evacuazione del calore prodotto negli avvolgimenti. Le applicazioni tipiche sono quelle in cui sono richieste alte spinte e precisione (in genere macchine utensili).
Nella struttura bilatera l’avvolgimento è affiancato da due piste di magneti, quindi le linee di flusso tagliano in pieno le bobine del movente. A causa del ridotto peso del movente tale morfologia è estremamente adatta per applicazioni in cui sono richieste forti accelerazioni. Per contro, la struttura molto chiusa non favorisce lo smaltimento del calore, pertanto non si possono raggiungere alti valori della spinta. I motori ironless, quindi, vengono applicati lì dove non sono necessari alti valori della spinta ma movimenti rapidi e precisi (Pick and Place e robot cartesiani). La struttura cilindrica è sicuramente la più favorevole. Questa, oltre a godere della simmetria del campo magnetico, permette anche un processo di costruzione delle bobine dell’avvolgimento molto semplice ed economico. La configurazione illustrata nella figura 1c generalmente prevede che l’albero in cui sono presenti i magneti permanenti sia il movente mentre l’avvolgimento costituisca lo statore. Nell’altra forma costruttiva (figura 1c) il movente in genere è l’avvolgimento mentre l’albero, con i magneti permanenti, è fisso. L’unica nota negativa è costituita dal fatto che la corsa massima è limitata, diversamente dalle altre morfologie costruttive in cui la corsa realizzabile è priva di vincoli essendo modulare la pista di magneti permanenti.

Dimensionamento dei motori lineari sincroni

Il dimensionamento dei motori lineari sincroni è del tutto simile a quello dei brushless rotativi. In particolare, dovranno essere verificate le seguenti condizioni: la forza efficace e la forza massima devono rispettivamente essere minori della forza per uso continuativo e della forza di picco erogabile dal motore. Sebbene queste condizioni siano fondamentali, il dimensionamento dell’azionamento va affrontato in modo più completo. Dovranno, infatti, essere verificate sia le curve caratteristiche [forza-velocità] sia le specifiche sulla qualità del posizionamento.
Da queste considerazioni appare chiaro come il processo di dimensionamento coinvolga non solo il motore, ma anche il sistema di alimentazione di controllo.
Da un’indagine in cui sono stati considerati più di 200 motori di 10 tra le maggiori ditte produttrici si può notare come le varie morfologie costruttive di motori sincroni vadano a coprire diversi livelli di spinta. Generalmente nelle macchine per imballaggio si opera con valori di forza continua raramente superiori ai 2 kN; quindi, ciò indica che in questo settore restano valide tutte le forme costruttive. Diversamente avviene, ad esempio, nelle applicazioni su macchine utensili dove l’esigenza di avere spinte elevate riduce la scelta ai soli motori di tipo monolatero.

<b<Vantaggi e limitazioni

Si è già sottolineato come i motori lineari abbiano prestazioni intrinseche nettamente elevate, in più si deve notare come questi consentano ottimi vantaggi per tutta la funzionalità della macchina automatica. La realizzazione di movimentazioni con motori lineari gode quindi di tutti quei vantaggi propri delle architetture di tipo Direct Drive. Realizzando, infatti, il moto direttamente in forma lineare si eliminano totalmente i cinematismi di trasformazione (manovellismi di spinta, cremagliere, cinghie o viti a circolazione di sfere); ciò consente una maggiore flessibilità operativa, riduzione delle inerzie, eliminazione dei giochi, dell’elasticità e degli effetti d’usura.
Si ottengono così ottimi livelli di affidabilità riduzione dei fermi macchina per interventi di manutenzione e costanza nelle prestazioni.
Da un punto di vista tecnico bisogna ammettere che i motori lineari realizzano forze specifiche minori rispetto ai dispositivi tradizionali; questo problema appare più evidente se si considera che, diversamente da quanto accade con i motori rotativi, nelle applicazioni con motori lineari non è possibile inserire dispositivi di riduzione della velocità. La principale limitazione alla diffusione degli attuatori lineari però è imputabile sicuramente a ragioni economiche, sebbene i prezzi dei magneti permanenti siano in netta diminuzione, il costo del motore lineare ancora risulta proibitivo in molte applicazioni.

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