Domare le scosse: Guida alla coppia di ingranamento e all'ondulazione di coppia

Utilizzo i motori da molti anni. Nella mia esperienza ho scoperto che non tutta la coppia è uguale. Potreste avere un motore che sembra avere una potenza sufficiente. Ma può vibrare, emettere suoni o non muoversi con la fluidità desiderata. Due cose spesso causano questi problemi: la coppia di cogging e l'ondulazione di coppia. Voglio condividere ciò che ho imparato su questi due problemi. In questo articolo spiegherò cosa sono. Inoltre, spiegherò perché si verificano e cosa si può fare per risolverli. Questo articolo è per voi se volete che il vostro sistema motore funzioni senza scosse.

Qual è la ragione principale della coppia di cogging in un motore?

Ricordo la prima volta che ho tenuto in mano un piccolo motore CC senza spazzole. Ho girato l'albero con la mano. Ho avvertito una strana sensazione di irregolarità. Sembrava che il rotore volesse scattare in alcuni punti. Questa sensazione, amici miei, è la coppia di ingranamento. Si tratta di una coppia di ticchettii che si avverte anche quando il motore non ha potenza. Questo effetto è dovuto al modo in cui i magneti permanenti del rotore e le parti in acciaio dello statore lavorano insieme.

Si può ragionare in questo modo. I magneti permanenti sul rotore sono sempre in funzione. Hanno un potente campo magnetico. Lo statore è costituito da un materiale su cui il campo magnetico esercita un'attrazione. I magneti vogliono prendere il percorso più facile. Questo percorso porta proprio ai denti dello statore. Questa forza di attrazione fa sì che le parti si allineino in una posizione naturale. Quando si cerca di far ruotare il rotore, è necessario esercitare una certa forza per allontanare i magneti dai denti dello statore. Questa è la coppia di cogging. Questa sensazione di irregolarità è una parte normale del funzionamento di molti motori. Per questo motivo è necessaria una certa quantità di coppia solo per far muovere il rotore da fermo.

In che modo il rotore e lo statore, lavorando insieme, creano un'ondulazione di coppia?

Parliamo poi dell'ondulazione della coppia. Può sembrare molto simile alla coppia di cogging, ma è diversa. Si verifica quando il motore è acceso e in funzione. L'ondulazione di coppia è la variazione di coppia che si verifica quando l'albero del motore gira. La produzione di coppia irregolare da parte del motore è dovuta a diversi fattori. Il motivo principale è la stessa interazione magnetica di cui abbiamo parlato per la coppia di cogging. I magneti del rotore sono ancora tirati verso i denti dello statore. Questa trazione crea una coppia di ondulazione.

Ma c'è un'altra grande ragione per cui questo accade quando alimentiamo il motore. La corrente elettrica che attraversa l'avvolgimento dello statore crea un proprio campo magnetico. Un motore genera una coppia grazie al modo in cui questo campo e quello dei magneti permanenti del rotore lavorano insieme. Le forme delle parti dello statore e dell'avvolgimento non sono perfette. Per questo motivo, il loro funzionamento non è perfettamente regolare. Mentre il rotore gira, il modo in cui i due campi magnetici si allineano continua a cambiare. Questo fa sì che la coppia salga e scenda. Questo è ciò che crea l'ondulazione della coppia. Un buon sistema di controllo del motore cercherà di gestire questa ondulazione di coppia.

Perché si può avvertire una coppia di ingranaggi anche quando il motore è spento?

Questa è un'ottima domanda. Aiuta a spiegare cosa sia realmente la coppia di cogging. Come ho detto prima, è possibile percepire la coppia di cogging senza che il motore riceva alcuna potenza. È un fenomeno fisico che si verifica a causa dei magneti. I magneti permanenti sul rotore sono sempre attivi. Il loro campo magnetico è sempre presente. Il nucleo dello statore ha delle parti che sporgono, chiamate denti. Queste parti danno al flusso magnetico un percorso da seguire.

Il campo magnetico cerca sempre il percorso più facile. Ciò significa allineare i magneti del rotore proprio accanto ai denti dello statore. Questo crea un'attrazione molto forte. Inoltre, crea una posizione di riposo stabile. Quando si ruota l'albero, si lotta contro questa forza magnetica. È necessario applicare una coppia per far sì che i magneti si liberino da un dente e passino a quello successivo. Questo è il motivo per cui si ha una sensazione di "irregolarità" o di scatto. Si tratta di un comportamento naturale per qualsiasi motore con magneti permanenti e statore scanalato. È il risultato diretto di come è costruito il motore. Qualsiasi motore di questo tipo presenta una coppia di cogging.

Qual è la vera differenza tra coppia di ingranamento e ondulazione di coppia?

Spesso vedo persone che usano i termini coppia di cogging e ondulazione di coppia come se significassero la stessa cosa. Sono collegati, ma non sono la stessa cosa. Penso che metterli in una tabella aiuti a vedere più chiaramente le differenze.

Quindi, la coppia di cogging è un pezzo del puzzle. Contribuisce a creare l'ondulazione della coppia. Quando il motore è in funzione, si percepisce l'ondulazione di coppia totale. Si tratta di una combinazione della coppia di cogging e delle ondulazioni dovute all'applicazione della corrente. Quindi, mentre la corrente scorre, l'ondulazione di coppia è ciò che si cerca di controllare. La coppia di cogging crea un livello di variazione di base che il controllo del motore deve cercare di attenuare. È possibile che un motore abbia una bassa coppia di cogging. Tuttavia, se il sistema di controllo non è ben configurato, può avere un'ondulazione di coppia molto elevata.

In che modo il design del motore modifica queste forze indesiderate?

La progettazione del motore è la parte più importante per decidere la quantità di coppia di cogging. Ho visto ingegneri lavorare per molte ore su questo aspetto. La quantità di coppia di cogging dipende dal numero di slot dello statore e dai poli magnetici del rotore. Modificare questi numeri può fare una grande differenza. Un altro metodo che viene spesso utilizzato è quello di inclinare il laminazioni dello statore o i magneti del rotore. Invece di essere dritte, le fessure dello statore o i magneti sono disposti con un piccolo angolo. In questo modo la variazione dell'attrazione magnetica è più graduale durante la rotazione del rotore. Ciò contribuisce ad attenuare l'effetto di detenzione.

Per l'ondulazione della coppia, anche il design del motore è molto importante. La forma dei magneti permanenti può essere migliorata. Anche il modo in cui l'avvolgimento è posizionato nelle fessure dello statore fa una grande differenza. Una buona configurazione degli avvolgimenti può contribuire a creare un campo magnetico più uniforme quando la corrente è attiva. L'obiettivo del progettista di motori è costruire un motore che produca una coppia il più possibile costante. Ciò semplifica notevolmente il lavoro del sistema di controllo del motore. Anche il materiale di laminazione dello statore può influire sul campo magnetico e sull'ondulazione della coppia.

È possibile controllare l'ondulazione della coppia utilizzando l'azionamento del motore?

Sì, è possibile. In questo caso i nuovi metodi di controllo dei motori sono molto utili. Una volta che si dispone di un motore fisico, non è possibile modificare la sua coppia di cogging incorporata. Ma si possono fare molte cose per ridurre l'ondulazione della coppia totale. L'azionamento del motore è come il cervello elettronico. Dice al motore cosa deve fare. Controlla la corrente che entra negli avvolgimenti dello statore. Modellando con cura questa corrente, l'azionamento può annullare le variazioni di coppia.

I metodi di controllo intelligenti possono apprendere l'andamento dell'ondulazione di coppia di un motore. Il sistema di controllo sa che in una certa posizione del rotore il motore avrà un calo di coppia. Quindi, invia un po' di corrente in più in quel preciso momento per compensarla. Poi, quando il motore raggiunge un picco di coppia, il sistema di controllo riduce leggermente la corrente. Ciò richiede informazioni molto precise sulla posizione del rotore e un ciclo di elaborazione veloce. Un azionamento ad alta tecnologia può ridurre di molto l'ondulazione della coppia, a volte di oltre il 90%. Questo è un obiettivo per molti sistemi che devono essere molto precisi.

A quale velocità l'ondulazione della coppia diventa un problema più grave?

Si tratta di una domanda molto interessante. Si potrebbe pensare che l'ondulazione di coppia sia sempre negativa. Ma in realtà il suo effetto dipende dalla velocità del motore. A velocità molto basse, l'ondulazione di coppia è facile da notare. Pensate a un braccio robotico che cerca di eseguire un movimento molto lento e fluido. Qualsiasi fluttuazione della coppia lo farà muovere a scatti. In questa situazione, sia la coppia di cogging che l'ondulazione di coppia rappresentano un grosso problema. È necessario un motore e un sistema di controllo che garantiscano un funzionamento fluido a basse velocità.

Ma alle alte velocità, l'effetto dell'ondulazione della coppia può essere meno preoccupante. La tendenza del rotore e del suo carico a continuare a muoversi aiuta a smussare la situazione. Il motore gira così velocemente che le piccole e rapide variazioni di coppia non hanno il tempo di produrre una grande variazione di velocità. Il movimento in avanti del sistema stesso agisce come un filtro. Tuttavia, anche a velocità elevate, l'ondulazione della coppia può causare problemi indesiderati come scosse e rumori. Quindi, il movimento può sembrare regolare. Ma l'ondulazione di coppia che si verifica al di sotto può ancora causare stress al motore e all'intero sistema. Le velocità del motore a cui l'ondulazione di coppia rappresenta un problema dipendono dall'uso specifico.

Che tipo di problemi può causare una coppia non uniforme?

Quando creo un nuovo sistema, devo sempre pensare ai risultati dell'ondulazione di coppia. I problemi possono essere piccoli e fastidiosi. Oppure possono essere grandi e causare il malfunzionamento dell'intero sistema. I problemi più comuni sono il tremolio e il rumore. La variazione costante della coppia può far tremare l'intero motore e le parti a cui è collegato. Spesso si avverte un ronzio o un rumore di fondo. Il problema peggiora quando la velocità del motore aumenta o diminuisce.

Nei sistemi che devono essere più precisi, i risultati sono peggiori.

• Non si ferma nel punto giusto: Nei robot o nelle macchine da taglio, l'ondulazione di coppia può far sì che il motore non si fermi nella posizione esatta. Questo rende il motore meno preciso.
• Cattivo controllo della velocità: Per un sistema che necessita di una velocità molto costante, l'ondulazione della coppia è un problema molto grave. Crea piccole variazioni di velocità, talvolta chiamate "ondulazioni di velocità". Questo non è un bene per dispositivi come gli scanner, le stampanti o i lettori di dischi.
• Usura delle parti: Il costante scuotimento dovuto alla coppia di ondulazione può far sì che i cuscinetti e le altre parti del sistema si usurino più rapidamente. Può causare stress e danni a lungo termine. Un motore con un'elevata ondulazione di coppia richiederà un sistema di controllo più difficile e costoso per ottenere una risposta uniforme.

Come influiscono i magneti permanenti su questo comportamento?

I magneti permanenti sono una parte molto importante di questo argomento, soprattutto per i motori DC brushless. Questi motori sono potenti e consumano meno energia grazie al forte campo magnetico dei nuovi tipi di magneti. Ma è lo stesso campo forte a generare la coppia di cogging. La forza, o densità di flusso, dei magneti influisce direttamente sull'intensità della coppia di cogging. Un motore con magneti più forti avrà di solito una coppia di cogging più elevata.

Anche la forma dei magneti permanenti e la loro collocazione sul rotore sono elementi molto importanti del progetto del motore. I progettisti possono modellare i magneti per rendere il campo magnetico più uniforme. Ciò contribuisce a ridurre la coppia di cogging e l'ondulazione di coppia. Ad esempio, invece di un semplice magnete quadrato, possono utilizzare una forma più arrotondata. Anche il modo in cui i magneti sono disposti intorno al rotore può essere utilizzato. Ad esempio, una configurazione speciale può concentrare il campo magnetico su un lato e renderlo più debole sull'altro. Questo è un altro strumento per far funzionare meglio il motore e ridurre le variazioni di coppia indesiderate. Il tipo di motore è importante, perché non tutti i motori utilizzano i magneti permanenti allo stesso modo.

Quali sono i modi migliori per ridurre la coppia di ingranamento e la coppia di ondulazione?

Ho scoperto che per risolvere questi problemi è necessario un metodo che risolva il problema in due fasi. È necessario migliorare il motore e utilizzare un metodo di controllo più intelligente. Non è possibile risolvere il problema con i programmi del computer se il motore ha una coppia di cogging molto elevata fin dall'inizio. Si tratta di una buona progettazione del sistema.

Innanzitutto, è necessario scegliere il motore giusto. Se il vostro lavoro richiede un movimento molto fluido a bassa velocità, dovreste trovare un motore che abbia una bassa coppia di cogging. Ciò potrebbe significare un motore "coreless" o "slotless". In questi motori, non ci sono denti dello statore su cui i magneti esercitano una trazione. Oppure, potrebbe trattarsi di un motore con lamelle statoriche inclinate, più poli o magneti di forma speciale. Queste caratteristiche aiutano a superare la causa fisica del problema. Un motore standard può costare meno, ma potrebbe non essere quello giusto per il lavoro.

In secondo luogo, è necessario applicare un controllo intelligente. Un nuovo azionamento con un processore veloce può utilizzare istruzioni speciali per eliminare attivamente l'ondulazione della coppia. In genere è necessario un dispositivo di retroazione, come un encoder. Questo componente comunica all'anello di controllo l'esatta posizione del rotore. Grazie a questa conoscenza, l'inverter può modificare la corrente molte centinaia o migliaia di volte al secondo. Ciò serve a smussare la coppia. L'uso congiunto di un buon motore e di un azionamento intelligente offre le migliori possibilità di ottenere un movimento regolare, continuo e preciso.

Punti di forza

Dopo molti anni di lavoro con ogni tipo di motore, ecco le cose più importanti da ricordare sulla coppia di cogging e sull'ondulazione di coppia:

• La coppia di cogging è una coppia magnetica che scatta. Si avverte quando un motore non ha potenza. È causata dall'attrazione tra i magneti permanenti del rotore e i denti dello statore.
• L'ondulazione di coppia è la variazione di coppia in alto e in basso quando il motore è acceso. Si tratta di una combinazione di coppia di cogging e di ondulazioni che derivano dal modo in cui la corrente viene inviata all'avvolgimento del motore.
• Non è possibile eliminare la coppia di cogging con un programma di controllo. Ma è possibile scegliere un motore progettato per ridurla. Le laminazioni inclinate e i progetti senza scanalature sono due modi per farlo.
• È possibile combattere l'ondulazione della coppia con un azionamento intelligente del motore. I metodi di controllo ad alta tecnologia possono modellare la corrente per annullare le variazioni di coppia. Ma questo richiede informazioni precise sulla posizione.
• I problemi dovuti all'ondulazione della coppia si notano soprattutto alle basse velocità. A un numero di giri più elevato, il moto del motore contribuisce ad attenuare la situazione. Tuttavia, il tremolio e il rumore possono ancora essere un problema.