Assi elettrici – Stato dell’arte e applicazioni industriali

Dalla rivista:
Automazione e Strumentazione

Pubblicato il 13 aprile 2002

Prima parte: le ragioni di una collaborazione

Gli azionamenti elettrici a velocità regolabile consentono di variare la velocità di funzionamento dei motori elettrici che storicamente operavano a una sola velocità predeterminata. Essi possono essere impiegati sia come apparati a sé stanti, sia come parte di un sistema di automazione integrato. In questi ultimi, gli azionamenti insieme con Plc, Pc ecc., possono dare origine a sistemi di automazione più complessi in cui le caratteristiche di moto dei vari motori parte di una stessa macchina, o di una stessa linea di produzione, vengono variate in modo coordinato secondo leggi prestabilite. Nei Paesi sviluppati (e anche in quelli in via di sviluppo), l’incremento del livello di automazione nelle industrie è obbligatorio per sopravvivere ed essere competitivi sul mercato globale [1]. L’automazione industriale implica il controllo delle caratteristiche di moto (accelerazione, velocità, posizione) delle macchine dotate di organi in movimento. In tale ambito, l’azionamento elettrico a velocità variabile risulta un componente indispensabile di qualunque tecnologia di automazione sia nel panorama attuale sia secondo le tendenze evolutive del settore [2].
Una delle principali funzioni presenti in un sistema di automazione industriale è sicuramente il controllo del movimento degli assi. I requisiti cui deve soddisfare l’attuatore impiegato in una moderna applicazione industriale di movimentazione asse sono:
– alto rapporto potenza/peso, alte velocità di avanzamento e accelerazioni;
– alta precisione e flessibilità;
– alta affidabilità;
– alto rendimento (perdite contenute);
– alta flessibilità e possibilità di controllo in remoto;
– compattezza e semplicità di installazione.
Storicamente il tipo di attuatore impiegato era idraulico e/o pneumatico ma, nel corso degli anni, si è osservata la progressiva sostituzione a favore dell’utilizzo degli azionamenti elettrici, decretando la nascita e lo sviluppo del cosiddetto “asse elettrico”, intendendo con questo termine l’impiego di un azionamento elettrico per la movimentazione lineare di sistemi meccanici. Le motivazioni che hanno spinto all’introduzione degli azionamenti elettrici sono legate sostanzialmente al soddisfacimento dei requisiti elencati in precedenza e, in generale, a una maggiore flessibilità e possibilità di integrazione nel sistema di controllo offerte da un attuatore controllato elettricamente rispetto a uno idraulico oppure pneumatico [3]. Il dispositivo di controllo e comunicazione permette la regolazione del flusso di potenza dalla sorgente di alimentazione primaria (attraverso il convertitore) verso il motore elettrico in funzione delle richieste del sistema di controllo remoto e delle grandezze elettriche e meccaniche misurate attraverso i sensori e/o i trasduttori. Nel sistema azionamento sono presenti delle retroazioni tra i vari blocchi funzionali e in particolare alcuni di essi condizionino lo stato di quelli immediatamente precedenti. L’evoluzione degli azionamenti elettrici, in termini di prestazioni e quindi di diffusione nel loro utilizzo, è dovuta a quella di ognuno dei blocchi funzionali presenti in Figura 1 e sarà di seguito delineata brevemente.

Motore elettrico

Elemento essenziale di un azionamento elettrico è il motore elettrico, che a seconda delle caratteristiche del tipo di moto impresso al sistema azionato può essere a moto continuo (rotante o lineare) o incrementale (rotante o lineare). Gli azionamenti elettrici attualmente impiegati nell’ambito dei sistemi di automazione industriale utilizzano motori di tipo in corrente continua, asincroni e sincroni a magneti permanenti (di tipo brushless) e, per basse potenze, motori a passo.
L’impiego dei motori in corrente continua, molto diffuso negli anni scorsi, è oggi in forte declino e si può prevedere che entro pochi anni non ci saranno più applicazioni che lo utilizzino. Di contro, gli azionamenti in corrente alternata (sia con motori asincroni sia sincroni) a velocità variabile, stanno trovando un forte consenso in virtù delle peculiarità specifiche. Il motore sincrono a magneti permanenti (di tipo brushless) si può dire che rappresenti l’unica vera “innovazione” della seconda metà del secolo XX che abbia raggiunto uno sviluppo industriale con produzione di milioni di pezzi, anche in stabilimenti totalmente automatizzati. Non presenta limiti teorici di potenza (se non di convenienza economica) ed è possibile un miglioramento delle caratteristiche se vi sarà un ulteriore sviluppo nel campo dei magneti permanenti. È pertanto prevedibile che questo tipo di prodotto avrà uno sviluppo equilibrato ma costante nei servoazionamenti, specialmente nelle applicazioni di movimentazione assi, mentre non è pensabile una concorrenza diretta verso gli asincroni a breve periodo, essenzialmente per questioni di costo delle materie prime (magneti).

Nuove tipologie di motori stanno facendo il loro ingresso nelle applicazioni industriali: in letteratura si contano numerosi articoli, conferenze, relazioni, nonché diversi brevetti sui motori a riluttanza, di tipo sincrono o a riluttanza commutata. Non si può certo dire che questi motori siano applicati in modo diffuso, nonostante ciascuno di essi possa vantare caratteristiche interessanti quali, ad esempio la predisposizione ad essere controllati in modo relativamente facile mediante tecniche di tipo sensorless [4]. Infatti, le possibilità di sviluppo commerciale sono molto legate ai progressi ottenibili a livello di algoritmi di controllo, attività testimoniata da recenti articoli scientifici [5]. Un aspetto interessante degno di citazione è lo sviluppo delle applicazioni che fanno uso di motori lineari, specialmente se di tipo sincrono a magneti permanenti. Nel caso si utilizzino motori rotanti è necessaria, infatti, una trasmissione (con vite senza fine, con pignone e cremagliera, con cinghia ecc.) per adattare le caratteristiche del moto a quelle dell’asse da movimentare, condizionando inevitabilmente le caratteristiche dinamiche e di precisione del sistema di movimentazione, nonché il costo e la complessità meccanica.

In tal senso i motori di tipo lineare possono perciò rappresentare una valida alternativa alle tradizionali macchine elettriche rotanti, soprattutto nel settore dell’automazione industriale. I fattori che ne hanno limitato fino ad oggi la diffusione commerciale sono legati sostanzialmente a:
– una forte necessità di integrazione meccanica con la macchina azionata, il che implica un progetto specifico per le nuove macchine e una riprogettazione per quelle esistenti;
– il motore lineare è adatto solo a un funzionamento con moto a senso alternato e implica la presenza di un controllo di posizione;
– la mancanza di una unificazione dimensionale, come è norma per i motori rotanti, per cui i costruttori di macchine hanno il timore di diventare “clienti captivi”, non potendo, in genere, ricorrere a un secondo fornitore. Lo studio finalizzato alla progettazione e all’impiego degli azionamenti con motori sincroni lineari nelle applicazioni industriali rappresenta quindi un’attività a forte contenuto di innovazione, direzione nella quale si stanno attualmente muovendo i principali costruttori di motori elettrici e le aziende utilizzatrici. Non sembrerebbe tuttavia ipotizzabile, nel breve periodo, un ingresso sostitutivo di questo motore nei confronti di quelli rotanti. Negli ultimi anni, infine, si sono fortemente sviluppate le metodologie di progettazione ottimizzata al calcolatore. Attraverso programmi di simulazione specifici è possibile l’analisi elettromagnetica, meccanica e termica e l’ottimizzazione delle prestazioni del motore preliminarmente alla realizzazione sperimentale del prototipo.