Come il motore a trasmissione diretta semplifica la progettazione della struttura meccanica per i costruttori di macchinari originali

Per un team OEM, scegliere un motore a trasmissione diretta non equivale semplicemente a sostituire un componente. Si tratta piuttosto di una decisione volta a riprogettare il percorso tra la generazione della coppia e il carico azionato. Rimuovendo un riduttore, una cinghia, una puleggia o un giunto, la macchina può presentare meno parti, un ingombro assiale ridotto e minori interfacce da allineare. Ciò comporta tuttavia nuove esigenze in termini di dimensionamento della coppia, carichi sui cuscinetti, progettazione termica, controllo e accessibilità per la manutenzione. Una domanda più utile è se l’adozione di un motore a trasmissione diretta renda l’intera macchina più semplice da realizzare, convalidare e supportare.

Iniziare dall’architettura meccanica, non dal catalogo dei motori

Un motore a trasmissione diretta trasferisce la coppia al carico senza uno stadio intermedio di riduzione del numero di giri o di trasmissione a cinghia. Tale definizione è importante perché la trasmissione diretta è un'architettura, non una costruzione universale di motore. Una macchina sincrona a magneti permanenti, un motore a coppia, un motore con rotore esterno o un'altra topologia adeguata possono essere utilizzati in base al carico, all'intervallo di velocità, all'ingombro e all'approccio di controllo.

In un tradizionale gruppo propulsore, l'albero del motore, il giunto, il riduttore o il sistema di pulegge, l'albero azionato, i cuscinetti, le protezioni e le piastre di fissaggio creano ciascuno delle interfacce. Ogni interfaccia aggiunge dimensioni, accumulo di tolleranze, passaggi di montaggio e possibili fonti di vibrazione. Un motore a trasmissione diretta può ridurre tale catena. Per un costruttore di apparecchiature originali (OEM) che produce pompe, ventilatori, nastri trasportatori, tavole rotanti, miscelatori, avvolgitori o moduli di processo personalizzati, ciò può significare un minor numero di componenti acquistati e una disposizione più compatta.

Esiste una precisazione importante: un numero minore di componenti di trasmissione non implica automaticamente una macchina più semplice. Il rotore e il membro azionato possono diventare un’unica unità integrata, pertanto il progettista deve prendere decisioni relative ad alberi, mozzi, cuscinetti, carcasse e tenute in una fase più precoce. A  Motore a trasmissione diretta semplifica la disposizione soltanto quando tali decisioni vengono trattate come un sistema unico.

Laddove un motore a trasmissione diretta elimina il lavoro meccanico

1. Accorcia la catena delle tolleranze

Ogni puleggia, cinghia, riduttore e giunto separato introduce controlli relativi a concentricità, eccentricità, gioco e allineamento. Con un motore a trasmissione diretta, il costruttore originale (OEM) può spesso definire un unico asse di rotazione primario, che va dal supporto del motore fino al componente azionato. Ciò può ridurre la complessità degli attrezzaggi durante l’assemblaggio e semplificare il pacchetto disegni destinato alla produzione esterna.

Ad esempio, invece di progettare una base per motore, un sistema di regolazione della tensione della cinghia, due diametri di puleggia, un percorso protetto per la cinghia e un supporto per l’albero condotto, un team potrebbe progettare un’interfaccia motore e un’unica soluzione di supporto del carico. Di conseguenza, la lista dei materiali risulta più breve. Ancora più importante, la sequenza di messa in servizio può diventare più semplice da definire.

2. Elimina l’hardware per la selezione del rapporto

Un riduttore o un rapporto di trasmissione a cinghia viene normalmente scelto per adattare la velocità preferita del motore alla velocità richiesta dal processo. Un motore a trasmissione diretta sposta tale compito di adattamento nella scelta elettromagnetica delle dimensioni e del controllo. Ciò può risultare particolarmente vantaggioso quando il carico deve operare a bassa velocità con elevata coppia, invertire frequentemente il senso di rotazione, eseguire posizionamenti precisi o rientrare in un ingombro assiale molto contenuto.

Ciò non fa scomparire la questione del rapporto. Ne modifica semplicemente la forma. I riduttori riducono l’inerzia del carico riflessa al motore del quadrato del rapporto, quindi l’eliminazione di un riduttore modifica l’inerzia e il calcolo dell’accelerazione che il motore deve gestire. Un costruttore di veicoli (OEM) dovrebbe calcolare l’inerzia reale del carico, l’accelerazione richiesta, il ciclo di lavoro, la coppia di picco e la coppia continua prima di assumere che un Motore a trasmissione diretta migliorerà la risposta.

3. Può ridurre il gioco e la deformabilità

L’elasticità della cinghia, il gioco del riduttore, la torsione del giunto e gli accoppiamenti meccanici usurati possono rendere meno prevedibile il comportamento di posizionamento. Un motore a trasmissione diretta correttamente dimensionato elimina diversi di questi elementi dal percorso della coppia. Il vantaggio pratico può essere un’inversione di marcia più fluida, un posizionamento più preciso e un loop di controllo che riflette il carico in modo più diretto.

Tuttavia, il collegamento diretto espone ad altre forme di non conformità. Un telaio della macchina flessibile, una flangia di montaggio sottile, un mozzo debole o un carico scarsamente supportato possono dominare il risultato. Nella pratica, un motore a trasmissione diretta ottiene spesso i migliori risultati quando il progettista strutturale verifica la rigidezza modale con la stessa attenzione con cui l'ingegnere elettrico verifica i limiti di corrente.

Modifiche progettuali che gli OEM devono apportare deliberatamente

Coppia e velocità devono essere specificate sul lato carico

Con un motore a trasmissione diretta, specificare l'applicazione in termini riferiti al lato carico: campo di velocità, coppia di picco, coppia continua, tempo di accelerazione, tempo di attesa, forze radiali ed assiali esterne e numero previsto di cicli. Evitare di effettuare la selezione sulla base esclusiva della potenza nominale. Una macchina a bassa velocità può richiedere una coppia considerevole anche quando la potenza media appare modesta.

Poniti una domanda pratica fin dall'inizio: cosa accade alla velocità di funzionamento più bassa, al carico di processo più elevato e dopo che l'involucro si è riscaldato? Un motore a trasmissione diretta che soddisfa un punto nominale ma non riesce a dissipare il calore durante l'intero ciclo di lavoro effettivo potrebbe creare un involucro più problematico rispetto al riduttore che ha sostituito.

La responsabilità relativa ai cuscinetti potrebbe spostarsi sull'interfaccia del motore

In un sistema con ingranaggi, alberi separati e cuscinetti del riduttore assorbono spesso carichi radiali, assiali o ribaltanti. In una configurazione con motore a trasmissione diretta, tali carichi potrebbero raggiungere i cuscinetti del motore, a meno che il costruttore originale non fornisca una struttura portante indipendente. Ciò è particolarmente importante per ventilatori di grandi dimensioni, carichi verticali, utensili eccentrici, residui di cinghie e dischi a sbalzo.

Un design acustico distingue la trasmissione della coppia dal supporto del carico. Il motore a trasmissione diretta può erogare coppia mentre un insieme di cuscinetti dedicato sopporta le forze di processo. Questa scelta può preservare la durata dei cuscinetti, semplificare la sostituzione e ridurre l’incertezza durante la validazione.

I controlli diventano parte integrante del progetto meccanico

Un motore a trasmissione diretta funziona spesso con un azionamento a frequenza variabile compatibile o un azionamento servo, un dispositivo di retroazione e un loop di controllo tarato. Il team meccanico non deve diventare specialista degli azionamenti, ma deve prevedere spazio per i cavi, il percorso dei segnali di retroazione, il collegamento a terra, la dissipazione del calore e la manutenzione sicura. Una disposizione meccanicamente compatta che non lasci alcuno spazio per cavi schermati o per il raffreddamento dell’azionamento non è realmente semplificata.

Per le applicazioni a velocità variabile, i produttori di apparecchiature originali (OEM) devono inoltre confermare quale quadro di efficienza e conformità si applica nel mercato di destinazione. La norma IEC 60034-30-2 definisce le classi di efficienza per i motori in corrente alternata a velocità variabile al di fuori del campo di applicazione della norma IEC 60034-30-1. Il requisito esatto dipende dall’equipaggiamento e dal mercato, pertanto va verificato sull’apparecchio finito, anziché dedotto dall’etichetta del motore.

Come un motore senza riduttore modifica la manutenzione e il rischio

Un motore senza riduttore può eliminare gli interventi programmati di lubrificazione, le ispezioni dell’usura degli ingranaggi, la regolazione della tensione delle cinghie e alcuni componenti da sostituire. Per le macchine installate in posizioni difficili o con costi elevati di fermo macchina, tale riduzione può migliorare il piano di manutenzione. Tuttavia, la manutenibilità deve essere progettata fin dall’inizio: occorre considerare l’accessibilità alle viti, lo spazio necessario per rimuovere il rotore, i punti di sollevamento, i connettori dei sensori di retroazione e la sequenza di sostituzione di guarnizioni o cuscinetti.

Lo stesso ragionamento vale per un motore a trasmissione diretta. Un numero minore di componenti può ridurre la manutenzione ordinaria, ma un’unità integrata rotore-carico potrebbe richiedere uno smontaggio più accurato. Una progettazione OEM ben pianificata rende semplici le ispezioni più comuni e separa, ove possibile, i componenti soggetti a usura da quelli del motore ad alto valore.

Utilizza la semplificazione per migliorare la macchina, non solo per ridurre il numero di parti

Per i produttori di equipaggiamenti originali, l’argomentazione più convincente a favore di un motore a trasmissione diretta è spesso di tipo architettonico: esso può eliminare interfacce che generano tolleranze, gioco, rumore e lavoro di manutenzione. Non rappresenta tuttavia un sostituto universale di un cambio o di un sistema a cinghia. Coppia elevata, bassa velocità, grande inerzia, carichi esterni e limiti termici possono rendere una trasmissione convenzionale la scelta ingegneristica migliore.

Tuttavia, quando l’applicazione lo consente, un motore a trasmissione diretta permette al costruttore di progettare un percorso della coppia più breve e trasparente. Iniziare dall’utente finale, definire la struttura di supporto, convalidare il sistema di azionamento e verificare montaggio e manutenzione prima di fissare la carcassa. È così che un concetto compatto diventa una macchina motore a trasmissione diretta realizzabile industrialmente, anziché un progetto di integrazione complesso.

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