Mentre il motore gira, la coppia erogata non rimane del tutto costante. La coppia istantanea subisce lievi variazioni che si ripetono ciclicamente, manifestandosi come fluttuazioni della forza di rotazione.Queste fluttuazioni periodiche della coppia sono chiamate “ripple di coppia”. Quando il ripple di coppia è elevato, influisce sulle prestazioni dell’apparecchiatura sotto forma di vibrazioni, rumore, riduzione della precisione di posizionamento e peggioramento della controllabilità. Si tratta di una sfida tecnica che non si può ignorare, soprattutto in settori come le apparecchiature mediche, quelle ottiche e i robot industriali, dove la fluidità e la precisione incidono direttamente sulla qualità.In questo articolo, dopo aver chiarito il significato di base del ripple di coppia e la differenza rispetto alla coppia di cogging, spiegheremo in ordine i principali fattori che lo causano e i metodi per ridurlo dal punto di vista della progettazione, del controllo e della scelta del motore. Questi contenuti ti saranno utili per la scelta e la progettazione di motori di piccole dimensioni.
| A cura di: Gruppo Commerciale Componenti Elettronici, C.I. Takiron Co., Ltd. Questo articolo è stato curato sulla base delle competenze tecniche avanzate e delle conoscenze acquisite nel corso degli anni, sin dalla fondazione dell’azienda nel 1919, come leader nel settore della lavorazione delle materie plastiche.Il nostro reparto analizza costantemente le tendenze di mercato e le ultime tecnologie relative ai micromotori ultracompatti e ad alta precisione, concentrandosi sulla fornitura di informazioni di alto valore aggiunto a progettisti e sviluppatori. In qualità di team di esperti che conosce a fondo le caratteristiche dei prodotti, ti aiutiamo a risolvere le tue sfide e a promuovere l’innovazione tecnologica attraverso contenuti accurati e pratici. |
Cos’è il “torque ripple”? Un riassunto delle nozioni di base
Prima di valutare le contromisure contro il torque ripple, è necessario capire bene il fenomeno stesso. Se hai ben chiari il significato del termine, la differenza rispetto a termini simili e come interpretarne i valori numerici, ti sarà più facile capire le cause e le strategie di riduzione di cui parleremo più avanti. In questo capitolo sistematizzeremo le nozioni di base sul torque ripple da tre punti di vista diversi, gettando le basi per seguire al meglio l’articolo.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Il significato di base di “torque ripple”
- La differenza tra ripple di coppia e coppia di cogging
- Metodi di misurazione e valutazione delle oscillazioni di coppia
Dalle definizioni dei termini ai criteri di valutazione, esamineremo uno dopo l’altro questi tre punti di vista.
Il significato di base di “torque ripple”
Per “ripple di coppia” si intende la variazione periodica della coppia erogata dal motore durante la rotazione, che non rimane costante. Anche se sembra che il motore funzioni a velocità costante, la coppia istantanea oscilla continuamente a seconda della posizione di rotazione e delle condizioni elettriche.Se si misura continuamente la coppia per un giro completo con un sensore di coppia, si nota un andamento ondulatorio che oscilla al di sopra e al di sotto del valore medio. L’ampiezza di questa oscillazione corrisponde proprio alla fluttuazione della coppia: più è grande, meno fluido è il funzionamento.In molti casi, i problemi di prestazione come vibrazioni, rumore, calo della precisione di posizionamento e peggioramento della controllabilità possono essere ricondotti al ripple di coppia. È un fenomeno fondamentale da tenere presente quando si valuta la qualità di funzionamento di un motore.
La differenza tra ripple di coppia e coppia di cogging
La differenza tra il ripple di coppia e la coppia di cogging sta nelle condizioni in cui si verificano. La coppia di cogging è una variazione di coppia che si verifica nei motori a magneti permanenti anche quando non c’è corrente, cioè in condizioni di spegnimento.Il ripple di coppia indica invece le fluttuazioni di coppia in generale che si osservano quando il motore è alimentato e in funzione, e comprende, oltre al couple di cogging, anche le distorsioni della forma d’onda della corrente e gli effetti del controllo. Le principali differenze tra i due sono le seguenti.
| Voce | Coppia di cogging | Fluttuazione della coppia |
| Condizioni di verificarsi | Si verifica anche quando non è alimentato | Si verifica quando è alimentato e in funzione |
| Cause principali | Struttura del nucleo in ferro e del magnete | Oltre alla struttura, l’influenza della corrente e dei sistemi di controllo |
| Intervallo compreso | Una componente della fluttuazione di coppia | L’insieme che include la coppia di cogging |
La coppia di cogging è una delle componenti che costituiscono la variazione di coppia, e le due sono in un rapporto di inclusione. Quando si valutano le variazioni di coppia durante la marcia, è necessario considerare non solo la coppia di cogging, ma la variazione di coppia nel suo complesso. Evitare confusione e cercare di distinguere correttamente i fenomeni ti aiuterà a fare un’analisi approfondita delle cause.
Metodi di misurazione e valutazione delle fluttuazioni di coppia
Per misurare e valutare le oscillazioni di coppia, di solito si usa la percentuale ottenuta dividendo la differenza tra la coppia massima e quella minima in un giro per la coppia media.Esprimendo il valore in percentuale, è possibile confrontare il grado di variazione con un metro di misura comune, indipendentemente dal tipo o dalla potenza del motore. Nella pratica, si ricorre alla misurazione diretta tramite sensori di coppia.
Inoltre, misurando contemporaneamente la corrente di fase e le vibrazioni, non solo si riesce a quantificare l’entità delle variazioni di coppia, ma si può anche individuare la causa del fenomeno; per questo si tratta di un metodo di misurazione pratico per comprendere le fluttuazioni di coppia. Seguendo una procedura che preveda la misurazione sia dei valori numerici che delle forme d’onda, puoi procedere in modo integrato alla comprensione del fenomeno e all’individuazione della causa.
I tre fattori principali che causano le oscillazioni di coppia
Il torque ripple non deriva da un’unica causa, ma è il risultato della combinazione di diversi fattori. Analizzare il meccanismo alla base del fenomeno suddividendolo per fattore ti offre una prospettiva utile per individuare i problemi sul campo e valutare le misure di riduzione di cui parleremo più avanti.In questo capitolo, analizzeremo in ordine i tre fattori principali che generano il torque ripple, dal punto di vista strutturale, elettrico e del campo magnetico.
Cosa tratteremo in questa sezione
- È inclusa la coppia di cogging
- La forma d’onda della corrente contiene armoniche
- La densità di flusso magnetico contiene componenti armoniche
Partendo dal presupposto che ci sia margine di miglioramento sia nella progettazione che nel controllo, esamineremo tre fattori.
È inclusa la coppia di cogging
La coppia di cogging è una variazione periodica della coppia che si verifica nei motori a magneti permanenti anche quando non c’è corrente, cioè in condizioni di spegnimento.La posizione relativa tra i denti del nucleo di ferro e i magneti permanenti, che si attraggono a vicenda, cambia durante la rotazione, manifestandosi come una pulsazione della coppia. Il numero di cicli in un giro corrisponde al minimo comune multiplo del numero di poli magnetici e del numero di scanalature. La coppia di cogging presenta le seguenti caratteristiche.
【Caratteristiche della coppia di cogging】
- Si verifica anche quando non c’è corrente
- Interazione tra le fessure dello statore e le armoniche della forza magnetica generata dai magneti
- Il periodo è determinato dal minimo comune multiplo del numero di poli magnetici e del numero di fessure
Le pulsazioni in assenza di alimentazione si sovrappongono come una componente della fluttuazione di coppia quando si avvia l’azionamento. Poiché derivano dalla struttura stessa, sono considerate il primo fattore da tenere in considerazione quando si parla di fluttuazione di coppia.
La forma d’onda della corrente contiene armoniche
Anche la presenza di armoniche nella forma d’onda della corrente è un fattore che aumenta il ripple di coppia.Quando si aziona un motore tramite un inverter, a volte la forma d’onda della corrente si distorce a causa di fattori come le condizioni di cablaggio, e questo può far aumentare la fluttuazione di coppia. Dato che la coppia è determinata dal prodotto tra corrente e flusso magnetico, se la forma d’onda della corrente si discosta dall’onda sinusoidale ideale, anche la coppia oscilla in misura proporzionale a tale scostamento.
Il controllo PWM, che è il metodo di controllo di base degli inverter, è un sistema che genera la tensione applicata al motore tramite l’accensione e lo spegnimento di interruttori a semiconduttore.A causa dell’azione di commutazione, la corrente presenta piccole variazioni ad ogni impulso. Queste variazioni di corrente si trasformano in oscillazioni di coppia attraverso le variazioni del campo magnetico, dando origine al fenomeno osservabile come ripple di coppia. Si tratta di un fattore attribuibile al lato di ingresso elettrico.
*Armoniche: componenti con una frequenza pari a un multiplo intero della frequenza fondamentale. Sono la causa della distorsione della forma d’onda.
La densità di flusso magnetico contiene componenti armoniche
La presenza di componenti armoniche nella densità di flusso magnetico è una delle cause, dal punto di vista del campo magnetico, delle ondulazioni di coppia. Le armoniche presenti nella densità di flusso magnetico dell’intercapedine sono all’origine delle armoniche del flusso magnetico incrociato delle catene dell’induttore e, alla fine, si manifestano come ondulazioni di coppia. L’intercapedine è quel piccolo spazio tra il rotore e lo statore.
Alla base di questo fenomeno c’è l’interazione tra le armoniche della forza magnetica dei magneti permanenti e le armoniche dello spazio vuoto. Quando la distribuzione del campo magnetico si discosta dall’onda sinusoidale ideale, si verificano delle pulsazioni di coppia legate al movimento rotatorio. La distribuzione del campo magnetico dipende da fattori di progettazione come l’angolo polare, la forma dei magneti e il loro orientamento.Si tratta del terzo fattore legato al campo magnetico, che dipende dalla progettazione intorno ai magneti.
3 modi per ridurre le oscillazioni di coppia
Dato che le cause delle fluttuazioni di coppia sono molteplici, anche gli approcci per ridurle non si limitano a uno solo. Ci sono misure che si possono adottare in ogni fase: progettazione, controllo e scelta del motore. In questo capitolo, illustreremo i tre metodi principali per contenere le fluttuazioni di coppia, seguendo il percorso di progettazione, controllo e selezione.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Ottimizzare la progettazione dei motori tramite l’analisi dei campi elettromagnetici
- Regolare la forma d’onda della corrente tramite il controllo
- Scegliere un motore senza nucleo
Dalla progettazione iniziale fino alla scelta finale del prodotto, esamineremo uno dopo l’altro i tre metodi.
Ottimizzare la progettazione dei motori tramite l’analisi dei campi elettromagnetici
Il metodo per ottimizzare la progettazione dei motori tramite l’analisi dei campi elettromagnetici consiste nel ridurre, dal punto di vista strutturale, le fonti di ripple di coppia. L’entità della coppia di cogging e delle componenti armoniche varia a seconda di elementi strutturali quali la combinazione tra il numero di poli magnetici e quello delle scanalature, l’inclinazione dello statore e del rotore e la forma dei magneti.In fase di progettazione, è comune usare la simulazione dei campi elettromagnetici per confrontare numericamente diverse configurazioni. Se riesci a prevedere le forme d’onda della coppia per ogni configurazione prima di realizzare i prototipi, puoi restringere il campo alle proposte di progetto con minori fluttuazioni. Inserire le contromisure fin dalle prime fasi della progettazione ha anche il vantaggio di ridurre i ritardi nelle fasi successive.
*Skew: struttura in cui lo statore e il rotore sono disposti con una leggera torsione a spirale. Questo sposta l’allineamento tra i magneti e le scanalature, con l’effetto di smorzare le oscillazioni di coppia.
Regolare la forma d’onda della corrente tramite il controllo
Il metodo di regolazione della forma d’onda della corrente tramite il controllo è un approccio che serve a ridurre le fluttuazioni di coppia causate dalla corrente durante il funzionamento. Il controllo vettoriale è ampiamente utilizzato. Si divide la corrente che attraversa il motore nelle componenti dell’asse d e dell’asse q, regolandole in modo che solo quelle che generano la coppia si avvicinino al valore ideale.Se si riescono a ridurre le fluttuazioni della forma d’onda della corrente, anche le variazioni del campo magnetico diventano più moderate. Inoltre, anche la revisione della frequenza portante del PWM e delle condizioni di azionamento è un metodo efficace. Il vantaggio di questo approccio basato sul controllo è che permette di effettuare le regolazioni a livello operativo senza dover modificare il progetto stesso.
Scegliere un motore senza nucleo
Oltre all’ottimizzazione della progettazione e del controllo, anche la scelta di un motore adatto alle caratteristiche richieste contribuisce a ridurre le oscillazioni di coppia. Una delle opzioni più comuni è il motore senza nucleo. Poiché non ha un nucleo di ferro, non si verificano i movimenti ripetitivi causati dall’attrazione e dalla repulsione dei magneti, quindi il cogging è praticamente assente.Le caratteristiche principali dei motori senza nucleo sono le seguenti.
【Caratteristiche principali dei motori senza nucleo】
- Riduzione dell’effetto cogging grazie alla struttura senza nucleo in ferro
- Caratteristiche di rotazione fluide con poche irregolarità
- Vibrazioni e rumori minimi · Elevata reattività
Mentre nei motori con nucleo si genera una coppia di cogging, i motori senza nucleo riducono già in fase di progettazione i fattori che causano il cogging. Sono quindi una valida opzione in settori come quello delle apparecchiature mediche, ottiche e di sicurezza, dove sono richieste rotazioni fluide e silenziosità.
Riepilogo
Il ripple di coppia è quel fenomeno per cui la coppia erogata dal motore durante la rotazione varia periodicamente. Alla base di questo fenomeno ci sono tre fattori che interagiscono in modo complesso: la coppia di cogging, che si verifica anche quando il motore è spento; le armoniche presenti nella forma d’onda della corrente; e le armoniche presenti nella densità di flusso magnetico.Per ridurlo, sono efficaci tre approcci: l’ottimizzazione della progettazione tramite analisi dei campi elettromagnetici, la regolazione della forma d’onda della corrente tramite il controllo vettoriale e la scelta di un motore che soddisfi le caratteristiche richieste.In particolare, i motori senza nucleo, che non hanno un nucleo di ferro, riducono il cogging già in fase di progettazione e rappresentano quindi un’ottima scelta per applicazioni come apparecchiature mediche, ottiche e di sicurezza, dove sono richieste silenziosità e controllo di precisione. Combinando le misure appropriate in ogni fase (progettazione, controllo e selezione), è possibile ridurre la ripple di coppia fino a livelli accettabili per l’applicazione specifica.
Informazioni sui prodotti e richieste di informazioni
Per maggiori dettagli sui micromotori di C.I. Takiron, dai un’occhiata al sito web qui sotto.
- Sito del prodotto: https://cik-ele.com/
- Motori senza nucleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motori brushless: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motoriduttore: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Se hai difficoltà a scegliere il motore compatto giusto per lo sviluppo del tuo prodotto, non esitare a contattarci tramite il modulo di richiesta. Un nostro tecnico valuterà l’applicazione e le tue esigenze per proporti la soluzione più adatta.
- Contatti: https://cik-ele.com/contact/
