Scelta del motore giusto per la tua soluzione di pompa OEM

di Brad Blum e John Batts

Masterflex, parte di Avantor, è nota per la sua tecnologia di pompe di alta qualità Masterflex^® e Ismatec^® . Molti OEM si rivolgono al team OEM di Masterflex quando hanno bisogno di una pompa personalizzata integrata nelle apparecchiature che stanno sviluppando. Nella scelta di una soluzione di pompaggio occorre considerare non solo lo stile della pompa, ma anche il tipo di motore. Al momento di scegliere un motore per la tua soluzione di pompe OEM, tieni conto di queste numerose considerazioni.

Tipi di motori

Tra i diversi tipi di motore oggi in uso, esistono quattro tecnologie di motore che coprono la maggior parte delle applicazioni, ciascuna con vantaggi e limiti, che devono essere presi in considerazione.

Motori a spazzole CC/a magneti permanenti in corrente continua (PMDC)

I motori a spazzole CC (corrente continua) e PMDC tendono a essere la scelta preferita per le applicazioni sensibili ai costi per molte ragioni. Il costo iniziale di proprietà è generalmente basso. Un’ampia gamma di funzioni è utile per molte applicazioni diverse. Questi motori incorporano spazzole interne che traducono la corrente elettrica in movimento del motore. Molte tecnologie di motori richiedono l’uso di un driver per controllare il funzionamento del motore. I motori a spazzole CC non ne hanno necessariamente bisogno, soprattutto se l’applicazione richiede che il motore funzioni solo a velocità fissa. Per le applicazioni che richiedono un driver per un controllo più avanzato, il controller per un motore CC a spazzole tende a essere meno costoso di controller simili utilizzati con altre tecnologie di motore.

L’usura delle spazzole interne di un motore CC a spazzole è intrinseca alla sua progettazione e dipende da due fattori principali: la velocità del motore e il carico applicato allo stesso. A seconda del tipo di motore CC a spazzole utilizzato, si possono ottenere due risultati:

• nei motori con spazzole non sostituibili, la durata delle spazzole può variare in genere da 500 a 4.000 ore, con una durata effettiva determinata da numerosi fattori, al termine della quale è necessario scartare e sostituire il motore.
• Nei motori con spazzole sostituibili, la durata tende a essere maggiore. Le spazzole di questi motori possono essere sostituite, riducendo i costi di manutenzione iniziali. A causa dell’usura delle barre commutatrici (ciò contro cui le spazzole sfregano all’interno del motore per tradurre l’energia elettrica al motore), c’è un limite al numero di volte in cui è possibile sostituire le spazzole prima di dover sostituire l’intero gruppo motore.

Oltre all’usura delle spazzole, un motore CC a spazzole richiede anche l’uso di un encoder se è necessario regolare la velocità del motore, aumentando il costo iniziale e annullando uno dei fattori principali di questa tecnologia di motore.

Indipendentemente dal tipo di motore CC a spazzole scelto, la manutenzione aggiuntiva richiesta da questi motori aumenta il costo complessivo di proprietà. Pertanto, i vantaggi dei motori CC a spazzole possono essere sfruttati al meglio se incorporati in applicazioni che prevedono un uso sporadico, come l’erogazione.

Motori CC senza spazzole/BLDC

I motori CC senza spazzole sono diversi dai motori CC a spazzole, in quanto non sono dotati di spazzole interne per trasportare la corrente che alimenta questi dispositivi. I motori CC senza spazzole si usurano pochissimo e non richiedono praticamente alcuna manutenzione per tutta la durata della loro vita utile, il che rappresenta di gran lunga il più grande vantaggio di lavorare con questo tipo di motore. Come ulteriore vantaggio, l’assenza di spazzole nella progettazione di questo motore riduce al minimo la generazione di particolato durante il funzionamento. Ciò rende i motori CC senza spazzole una valida opzione per i dispositivi medici e altre applicazioni simili sensibili a particelle e detriti.

Il guasto più tipico si verifica nella scatola del cambio collegata alla parte anteriore del motore. La scatola del cambio riduce la velocità del motore e aumenta la coppia erogata alla pompa. Gli ingranaggi possono usurarsi con il tempo.

Senza spazzole o barre commutatrici nel gruppo, i motori CC senza spazzole necessitano di una scheda driver che fornisca la commutazione elettronica necessaria per il corretto funzionamento. Purtroppo, le schede driver per motori CC senza spazzole tendono a essere più costose di quelle utilizzate per i motori CC a spazzole. Ciò aumenta il costo iniziale del lavoro con questi motori. Inoltre, per un rigido controllo della velocità è necessario utilizzare un encoder, con un ulteriore aumento del costo iniziale.

Il design dei motori CC senza spazzole li rende perfetti per le applicazioni in cui è necessaria una lunga durata utile o in cui il motore si trova in una posizione pericolosa o difficile da raggiungere. In queste applicazioni, anche se il costo iniziale di proprietà di un motore CC senza spazzole è più elevato, il costo totale della durata utile del motore è il più basso, il che lo rende un’opzione valida.

Motori passo-passo

I motori passo-passo sono un tipo di motore CC senza spazzole, ma il movimento del motore è controllato in modo diverso. Un motore passo-passo funziona dividendo una rotazione completa in un numero uguale di passi. Il motore può spostarsi e mantenersi in un punto specifico della sua rotazione tramite impulsi controllati agli elettromagneti interni. Non è necessario un encoder o un meccanismo di feedback simile. I motori passo-passo offrono anche altri vantaggi, tra cui una lunga durata utile, un’usura e una manutenzione minime, un’elevata coppia di avviamento e un costo complessivo che si aggira in genere tra un motore a spazzole e un motore CC senza spazzole.

Tuttavia, quando si incorporano i motori passo-passo in un’applicazione è necessario tenere conto di alcune limitazioni significative. Una limitazione è la variazione della coppia erogabile dal motore al variare della velocità. Mentre la coppia iniziale è elevata, la coppia disponibile a velocità elevate è notevolmente inferiore e può portare a imprecisioni di rotazione, tra cui lo stallo.

Inoltre, alcuni importanti effetti tangibili possono anche limitare l’uso dei motori passo-passo, tra cui il rumore acustico (possono “fischiare” a un tono elevato), la generazione di calore a causa delle inefficienze generali (che possono richiedere la ventilazione o altri metodi di raffreddamento) e le vibrazioni meccaniche.

Sebbene i motori passo-passo non siano la scelta migliore per le applicazioni a funzionamento continuo, questi motori sono una scelta eccellente per le applicazioni di erogazione ripetuta e rapida. Possono sopportare un uso intensivo senza bisogno di manutenzione regolare e offrono un controllo intrinseco della posizione e della velocità.

Motori CA a poli in ombra

I motori CA a poli in ombra sono un’altra opzione di motore popolare per un sottoinsieme limitato di clienti e applicazioni. Nell’industria alimentare e delle bevande, dove le pompe funzionano in modo continuo e i costi iniziali e di durata utile sono un fattore determinante, i motori CA a poli in ombra possono offrire alcuni vantaggi significativi:

• basso costo iniziale
• basso costo di gestione grazie alla manutenzione praticamente assente
• lunga durata (in genere limitata solo dalla durata degli ingranaggi, come i motori CC senza spazzole)
• funzionano con corrente alternata (CA)
• funzionamento silenzioso
• nessuna interferenza elettromagnetica (EMI)

Si devono considerare anche le limitazioni dei motori CA a poli in ombra. Il limite maggiore è rappresentato dal funzionamento a velocità fissa di questi motori. I motori CA a poli in ombra sono progettati per funzionare a una sola velocità, determinata dal rapporto di trasmissione incorporato nel loro design. Gli encoder e altri meccanismi di retroazione non possono essere utilizzati con questi motori per garantire la corretta velocità di rotazione, il che può portare a imprecisioni e variazioni di flusso durante l’uso.

Inoltre, questi motori tendono a generare un notevole calore, un effetto collaterale aggravato dall’uso continuo. In genere, è necessario incorporare una ventola nel design per garantire il raffreddamento in tempo reale del gruppo motore. Questi motori non sono potenti come gli altri tipi di motori.

Dati i vantaggi e le limitazioni di questi motori, il consiglio generale è di prendere in considerazione i motori CA a poli in ombra per le applicazioni a uso continuo, non così sensibili a leggere variazioni di portata. Per altre applicazioni, in particolare quelle che prevedono l’erogazione, la scelta migliore è quella di utilizzare uno degli altri tipi di motore.

Riepilogo

Per visualizzare i vantaggi e i limiti di ciascuno di questi tipi di motore, esaminare la seguente tabella:

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Ciascuna delle quattro opzioni di motore trattate in questo articolo presenta vantaggi e limitazioni, e occorre tenere conto di ciascun tipo di motore quando si sceglie il motore migliore per la propria applicazione.