L’inefficienza è la perdita di energia che si verifica nel completamento di un processo predeterminato. In parole povere, è la differenza tra l’energia inserita in un processo e l’energia che ne esce. La perdita che si verifica nel completamento del processo viene definita inefficienza di quel particolare processo o componente.
Esiste un’ampia gamma di cause di inefficienza nell’elettronica di controllo e del motore. Alcuni dei più comuni sono descritti di seguito;
Attrito
Forse il più comune è l’attrito: l’attrito si verifica nei cuscinetti del motore e tra gli ingranaggi (se un cambio) è stato aggiunto. Nei motori CC con spazzole si verifica tra il rotore e le spazzole. Questo attrito converte invariabilmente parzialmente l’energia immessa in energia termica che poi fuoriesce. In effetti, il calore è forse il sintomo più comune di inefficienza nei motori e nell’elettronica di controllo.
Scarsa scelta del motore o sovraccarico.
Se in un’applicazione viene utilizzata la scelta sbagliata del motore, ciò può causare un’ulteriore inefficienza. Tipicamente ciò comporterebbe il sovraccarico di un motore o di un riduttore che non è in grado di funzionare in una particolare applicazione. Ciò porta quindi a un maggiore assorbimento di corrente attraverso i cavi e i magneti nel motore che può iniziare a superare la capacità di gestione della corrente di questi cavi e magneti. Laddove viene prelevata corrente in eccesso, verrà convertita in calore e l’inefficienza del sistema aumenterà ulteriormente. In casi estremi il calore può salire a tal punto che inizierà a smagnetizzare il motore e rendere il sistema completamente non riparabile.
Scarsa qualità costruttiva
Questo è direttamente collegato all’attrito per molti aspetti, ma una scarsa qualità costruttiva può aumentare significativamente l’attrito nei cuscinetti o nei riduttori, aumentando così l’inefficienza.
Carichi eccentrici sugli alberi motore
Come sopra, questo è in definitiva un caso di attrito, ma è una causa comune di attrito che viene spesso trascurata. I carichi eccentrici sugli alberi esercitano un carico irregolare sui cuscinetti che può superare le tolleranze consigliate e alla fine consumare i cuscinetti. Una maggiore usura porta a una maggiore inefficienza.
Scarsa selezione dei componenti nell’elettronica di controllo
Componenti scarsamente specificati possono essere una causa significativa di inefficienza nell’elettronica di controllo del motore. Esempi tipici includono mosfet che, se specificati male, possono iniziare a essere sovraccaricati e convertire l’energia in calore. In altri casi le proprietà fisiche della scheda stessa possono avere un impatto: schede di rame leggere in cui è necessario un rame più spesso possono causare la generazione di calore attraverso la resistenza intrinseca della scheda. Questo calore può quindi essere doppiamente inefficiente riducendo le prestazioni di altri componenti sul controller. Comprendere e gestire questa inefficienza è quindi una parte importante della creazione di un’elettronica di controllo del motore efficiente.
Configurazione errata di un controller
Questo si applica più comunemente ai motori passo-passo in cui il consumo di corrente è del tutto indipendente dalla coppia erogata. In questi casi, l’impostazione della corrente su un controller può essere notevolmente superiore a quella richiesta per ottenere le prestazioni meccaniche richieste dal motore. Il risultato: un motore che funziona rumorosamente e caldo e aumenta l’inefficienza.
In questa sezione esamineremo alcune delle varie opzioni in relazione al controllo e all’inefficienza del motore e forniremo alcuni esempi standard di come ciò può accadere. Questi esempi sono casi semplificati intesi a fornire una chiara illustrazione dei problemi coinvolti.
Esempio 1: un motore passo-passo e un controller
In questo esempio prenderemo un tipico motore passo-passo e un controller che è ben abbinato e specificato correttamente per l’applicazione in cui opera. Come regola generale, un motore passo-passo sarà efficiente al 50% se ben impostato. Il fatto che la potenza in ingresso sia indipendente dalla coppia in uscita (la potenza in uscita dipende da quanto è caricato il motore) è una parte fondamentale di questo. Abbiamo quindi un motore che funziona a circa il 50% di efficienza e un controller che (per amor di discussione diremo che è efficiente al 90%. Pertanto se dovessimo mettere 48W di potenza elettrica nel controller (24V e 2A), lo faremmo ottenere la seguente potenza di uscita meccanica;
Perdite dal controller = 48W x 0,9 = 43,2W
Perdite dal motore = 43,2 W x 0,5 = 21,6 W.
Pertanto, possiamo dire che il pacchetto che abbiamo qui è efficiente intorno al 45%.
Esempio 2: aggiunta di un cambio al nostro motore passo-passo e controller
In questo esempio prendiamo la nostra configurazione come sopra e aggiungiamo semplicemente un cambio ad essa. Dato che un tipico riduttore epicicloidale ha un’efficienza di circa il 73%, possiamo semplicemente aggiungere questo al nostro calcolo e dirlo;
Perdite dal controller = 48W x 0,9 = 43,2W
Perdite dal motore = 43,2 W x 0,5 = 21,6 W.
Perdite dal cambio = 21,6 W x 0,73 = 15,8 W.
Pertanto, il totale combinato di motore, cambio e controller che abbiamo ora è efficiente al 33%.
Esempio 3: un motore CC senza spazzole sensorless e un controller
In questo esempio stiamo usando un motore CC senza spazzole sensorless e un controller. Il controller è stato accuratamente ottimizzato per il motore per garantire un avvio e un funzionamento efficienti. Un tipico motore CC senza spazzole è efficiente circa il 90% con un controller ottimizzato e ben abbinato che si avvicina al 95% di efficienza.
Se prendiamo la stessa potenza assorbita dal motore passo-passo sopra possiamo quindi dire che;
Perdite dal controller = 48W x 0,95 = 45,6W
Perdite dal motore = 45,6 W x 0,9 = 41,4 W.
Pertanto, il pacchetto combinato che abbiamo qui si può dire che è efficiente all’86%. Ciò significa che l’86% dell’energia elettrica immessa nel controller è stata convertita direttamente in energia meccanica rotativa nel motore. Il restante 14% andrà perso come calore e rumore.
Forse il punto di partenza più ovvio quando si discute della riduzione dell’inefficienza nelle applicazioni di controllo e motore è iniziare con i requisiti di coppia e velocità che si hanno e i requisiti di prestazione che si hanno e selezionare un motore da lì. Non si può sfuggire al fatto che i motori passo-passo sono tecnicamente più versatili dei motori CC senza spazzole e CC con spazzole, ma allo stesso modo non si può sfuggire al fatto che i motori passo-passo possono essere altamente inefficienti da funzionare. Pertanto assicurarti di aver fatto la scelta migliore possibile per il tuo progetto o applicazione è estremamente importante.
A seguito di questo ci sono una serie di passaggi di base che devono essere pensati. L’aggiunta di un cambio ha diversi vantaggi importanti, ma si può anche vedere che aumenterà in modo significativo l’inefficienza. Potrebbe essere meglio cambiare tipo di motore e potenza piuttosto che fare affidamento su un cambio? Questo non è sempre possibile ma è sicuramente qualcosa da esplorare.
Allo stesso modo, ci sono problemi di configurazione di base che possono essere seguiti per aiutare a ridurre l’inefficienza. Garantire un carico radiale bilanciato sull’albero motore assicurerà un’usura uniforme dei cuscinetti. L’acquisto di un motore di buona qualità aumenterà ulteriormente l’efficienza poiché gli standard di produzione saranno più elevati. Altri metodi sono altrettanto semplici ma molto efficaci. Il montaggio del controller il più vicino possibile al motore ridurrà la resistenza e le perdite che si verificano su cavi lunghi. Anche il corretto abbinamento del controller al motore per garantire un sufficiente “headroom” e ridurre il sovraccarico del controller è estremamente importante. Garantire cavi di collegamento della giusta dimensione può anche ridurre ulteriormente la resistenza e quindi le perdite.
Non si può sfuggire al fatto che tutti nel mondo devono lavorare sodo per ridurre il proprio consumo di energia e il loro impatto sull’ambiente e le applicazioni di controllo del motore non sono diverse. Si spera che si possa vedere che, sebbene non ci siano risposte “catch all” a questa domanda, esiste un numero enorme di potenziali misure che possono essere adottate per migliorare l’efficienza. Questi iniziano proprio dal punto delle specifiche e terminano con la qualità di costruzione e assemblaggio del prodotto finale.
Il nostro team è sempre felice di discutere di questi problemi e di come possono influire sulle prestazioni, quindi se hai una domanda o un progetto di cui vorresti discutere, contattaci e saremo felici di aiutarti.
