La coppia di un motore

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Capita spesso che chi è alle prime armi faccia confusione fra coppia, potenza, forza  di un motore. In questo breve articolo vedremo di chiarire questi concetti per i principianti.

Momento di una forza

Quando si esamina la scheda tecnica di un motore, si vede che viene fornita la coppia, espressa in kg*cm oppure N*m.   L'unità di misura Kg*cm forse è la più semplice da capire. 

Immaginiamo di voler bloccare il  motore esercitando una forza.  Se il motore ha una coppia di 20Kg*cm significa che, per fermarlo, dobbiamo usare una leva che eserciti una coppia opposta.  La coppia esercitata dalla leva è data dalla Forza moltiplicata per la lunghezza della leva (braccio). Se abbiamo una leva lunga 10cm, la forza necessaria sarà di 2kg, se la leva fosse lunga 100cm la forza necessaria per bloccare il motore sarebbe di 0,2kg cioé 200 grammi.

Come abbiamo visto, la coppia non è data solo dalla forza che noi applichiamo, ma dipende anche dal braccio, cioé dalla distanza dall'asse di rotazione.

 

Immaginate la situazione riportata nella figura 1. Immaginate che il vostro motore sia al posto del bullone esagonale a sinistra.  La distanza d viene chiamata braccio della forza e F è la forza che dovete esercitare per bloccare il motore (o per svitare un bullone).

Immaginate che il nostro motore abbia una coppia di 20kg*cm se il braccio d fosse 10cm, applicando 2kg  come F, riusciremmo a bloccare il nostro motore.

Se il nostro braccio d fosse 1m cioé 100cm, sarebbero sufficienti 0,2kg cioé 200g per bloccare il motore.  La coppia, quindi, non è semplicemente una forza o un "peso" che il motore riesce a contrastare, ma è data dal prodotto

F*d

Nel nostro esempio F*d deve essere sempre uguale a 20kg*cm.

Si deduce che la configurazione meccanica del sistema è molto importante. Lo stesso motore in condizioni di lavoro diverse, sviluppa prestazioni apparentemente differenti. Se teniamo presente, invece, la definizione di coppia come prodotto di due grandezze, vediamo che le prestazioni del motore sono costanti.

Dato che una ruota, una puleggia o un'asta sono sempre delle leve applicate ad un motore, dovete tener conto della vostra configurazione per scegliere la coppia esatta.

 

Rapporto di riduzione

Se guardate il nostro catalogo motori vedrete che forniamo configurazioni con diverso numero di giri.  Spesso ci capitano dei clienti che ci dicono: "Io acquisto un motore da 60 giri e poi lo riduco elettronicamente a 10 giri o ai giri che mi servono".

Questo tipo di regolazione è sicuramente realizzabile, ma va considerata anche in questo caso la coppia.  Se guardate bene i motori, vedrete che il 60 giri ha una coppia 5 volte più piccola del 12 giri. Se acquistate un motore da 60 giri e lo fate lavorare a 10 giri, avrete una ulteriore riduzione di coppia dovuta al punto di lavoro non ottimale.  Quindi facendo un esempio semplice, se prendete un 60 giri con 135kg*cm, e lo fate lavorare a 10 giri al minuto, otterrete circa 50kg*cm o meno a seconda del tipo di motore e controllo. Se prendete un motore da 12 giri/min  avrete una coppia di 584 kg*cm.  Cioé siamo oltre le 10 volte di più che far lavorare un motore in condizioni di moto ridotto.  Per questo motivo, vi consigliamo sempre di acquistare un motore che abbia un numero di giri molto vicino a quello che vi serve, per ottimizzare le prestazioni. Se invece avete la necessità di lavorare in un intervallo ampio di velocità, dovete scegliere una coppia soradimensionata rispetto alle vostre reali esigenze.

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ESC - controllare i motori brushless

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Il controllo dei motori brushless si effettua necessariamente con dei particolari controller  ESC. A differenza dei motori tradizionali a spazzole che hanno 2 fili, i motori brushless devono ricevere una sequenza di segnali sincronizzati per poter operare correttamente. 

 

Il componente che fa il lavoro per noi si chiama ESC. 

Con un ESC si controlla un singolo motore, quindi se costruiamo un veicolo o un sistema con più motori, dobbiamo prevedere anche un equivalente quantità di ESC.

La caratteristica principale di un Esc è la quantità di corrente che riesce ad erogare. La scelta viene effettuata considerando il massimo assorbimento del motore. Se questo assorbimento è ad esempio di 15A dovremmo scegliere un Esc che eroghi qualche Ampere in più di quelli massimi del motore, quindi un Esc da 20A è l’ideale.

I parametri fondamentali di ogni motore e di ogni ESC sono riportati nelle pagine di ciascun prodotto. Vi consigliamo di leggere attentamente prima di scegliere il prodotto. Se avete dei dubbi contattateci.

Sovradimensionare il controller ESC non ha controidicazioni. Il consiglio è di scegliere quello che più si avvicina come caratteristiche alle vostre necessità per risparmiare e anche per avere una struttura più semplice e leggera possibile.  Potreste anche scegliere di usare un solo modello di ESC per necessità di magazzino e di ricambistica.   In questo caso fate attenzione: un componente sottodimensionato può bruciarsi o comunque andare in modalità protezione rendendolo inefficace per la vostra applicazione.

Una caratteristica particolare degli ESC è che alcuni hanno  a bordo un BEC (battery eliminator circuit). Si tratta di un circuito molto utile che eroga generalmente un tensione di 5V.  Serve per alimentare eventuali controller, ricevitori o altri elementi. In questo modo è possibile usare un'unica batteria per alimentare motori e schede di controllo/interfaccia.

Un circuito simile può essere realizzato anche con dei regolatori tipo 7805,  Il collegamento BEC è comunque più "pulito" dal punto di vista dei cablaggi e dello spazio occupato.

I motori industriali si controllano con delle schede dedicate, oppure realizzando un ponte a Mosfet e controllando il motore con un microcontrollore.

Come controllare l'ESC

Per motori relativamente piccoli esistono dei componenti chimati ESC.

Gli ESC commerciali sono controllati con un sistema PWM come quello dei servomotori.  Regolando il segnale è possibile modulare la velocità del motore.   Gli ESC si possono collegare direttamente anche ad un radiocomando standard.

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Motori passo passo con motoriduttore

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Spesso si presenta l'esigenza di avere di utilizzare dei motori passo passo in contesti dove è richiesta anche una coppia abbastanza elevata.

La coppia di un motore passo passo

La coppia di un motore passo passo, dipende fortemente dalla velocità con cui si intende far girare il motore. Aumentando la frequenza degli step, la coppia cala, anche drasticamente. A titolo di esempio, riportiamo il valore della coppia di un motore stepper in funzione dei giri.  Si vede benissimo che le performance più elevate si ottengono a velocità molto basse.

Quando abbiamo l'esigenza di usare uno stepper che sia piccolo, ma con coppia elevata, dobbiamo ricorrere ad un motore con motoriduttore.

 

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Motori Brushless: cosa sono e quali parametri valutare

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I motori Brushless: guida alla scelta

I motori brushless, sono dei particolari motori controllati elettronicamente, privi di spazzole e a bassa usura.  Vengono impiegati dove è necessario un elevato numero di giri per un tempo prolungato ( ad esempio nelle eliche dei droni ).  Come vedremo, a differenza dei motori a spazzole, non possono essere collegati semplicemente ad una batteria, ma è necessario utilizzare un dispositivo di controllo chiamato ESC ( vedi: ESC controllo motori brushless)

I motori brushless (privi di contatti striscianti) sono  caratterizzati dalla cassa rotante, dove appunto la parte che ruota è l’involucro metallico esterno, l’avvolgimento elettrico  rimane nella parte interna, collegato tramite dei cuscinetti a sfera al mozzo dell’elica e tramite un supporto fisso all’asse del quadricottero.
I parametri che ci interessano nella scelta di un motore sono il valore di Kv, il massimo assorbimento e la potenza totale. Assorbimento e potenza sono relativi al voltaggio di alimentazione.

Il Kv rappresenta il numero di giri in funzione ai volt di alimentazione, ad esempio se il valore di Kv è 900 rpm/V significa che se lo alimentiamo con una cella LiPo da 3.7V il motore effettuerà 3330 rotazioni al minuto (900 x 3.7).
Nel caso in cui lo alimentiamo con una batteria LiPo a 2 celle (7.2V) il motore eseguirà 64800 giri al minuto.

Dato il loro frequente iimpiego nei droni, alcuni parametri che caratterizzano il motore sono riferiti alle eliche e alla loro capacità di sollevamento.

Un altro parametro è la corrente massima che può essere assorbita dal motore. Questo valore è fondamentale perché in base a questo dato dovremmo dimensionare l’ESC e la batteria.

Nella scheda tecnica del motore viene riportato l’assorbimento, calcolato utilizzando una elica di test, e la relativa spinta generata.
Ad esempio potremmo trovare delle tabelle come la seguente:

Elica Test Tensione di Alimentazione Amper Assorbiti Potenza Prodotta Spinta
8×4 22.2V (6S) 13.9A 310W 1.11Kg
10×5 18.5V (5S) 17.3A 315W 1.27Kg

Senza eseguire troppi calcoli potremmo osservare che montando un’elica 10×5 (10 pollici di lunghezza con pitch da 5) e alimentandolo con una tensione di 22.2V (6S) il motore assorbirà 17.3A generando una spinta di ben 1.27Kg.
Quindi ammettendo di far assorbire la metà della corrente (Condizione tipica del volo) potremmo dedurre che la spinta sia, teoricamente di 635g.
Ora sapendo che ci sono quattro motori, la spinta totale, considerando una potenza al 50%, sarà di circa 2.6Kg.

Catalogo motori brushless

 

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Scegliere il motore più adatto per un'applicazione

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Motori Passo Passo

Motori Passo Passo

Motore passo passo

Il motore passo passo viene utilizzato in tutti i contesti dove è necessario uno spostamento preciso e controllato. Viene controllato con degli impulsi, ogni impulso equivale ad un "passo".  Generalmente i motori possono ruotare di 1.8° per ciascun passo. Per fare un giro completo, quindi, sono necessari 200 passi.

Con i nostri controller è possibile anche regolare  1/4 e 1/8 di passo, quindi si otterrà una precisione maggiore nello spostamento. Questi motori, generalmente, non hanno una coppia molto elevata, si usano per trascinare carrelli  o muovere oggetti in appoggio. Applicazioni comuni sono sui carrelli delle stampanti, sulle stampanti 3D o dei cnc da tavolo.

Pro: precisione nel controllo

Contro: coppia bassa,  bassa velocità

 
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Servo motore

Servo

Il servo è un particolare motore dotato di memoria.  La sua applicazione standard è in tutti i contesti in cui è sufficiente una rotazione massima di 360°. Pensiamo ad esempio alla rotazione di una piattaforma, all'apertura di una porta, ai dispositivi per orientare le telecamere.

I servo sono disponibili sia in versione economica (completamente di plastica), sia in versione più professionale (alluminio).

Avendo una memoria, possono essere messi con precisione in una posizione e il riposizionamento è ripetibile.

Grazie alle gearbox (brevetto esclusivo), i servo possono avere anche coppie elevate ed essere collegati a strutture robuste.

[/et_pb_text][et_pb_text admin_label="Motori DC" _builder_version="3.27.4" background_size="initial" background_position="top_left" background_repeat="repeat" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid"]

Motori DC

I motori in corrente continua sono di vario tipo. Sul nostro sito sono disponibili numerose varianti. La caratteristica principale è che tutti i motori sul nostro catalogo sono di tipo "gearmotors". Il gearmotor è composto da un motore e da un motoriduttore. Grazie al motoriduttore è possibile ottenere un numero di giri e una coppia differente con lo stesso motore.  Il prodotto coppia * giri è circa costante per i gearmotors, quindi un motore con pochi giri avrà una grande coppia  e un motore con molti giri avrà una piccola coppia. Questi motori trovano applicazione in tutti i contesti dove il numero esatto di giri percorsi non è così importannte. Pensiamo, ad esempio, alle ruote. Se devo controllare un veicolo, mi interessa la velocità e il fatto che le ruote girino.  Non ho il vincolo di precisione dello spostamento o di memoria.  L'esatto numero di giri compiuti da una ruota nel tempo non è quasi mai rilevante e neanche far ripartire il motore ad un determinato angolo.

[/et_pb_text][et_pb_text admin_label="Motori DC con encoder" _builder_version="3.27.4" background_size="initial" background_position="top_left" background_repeat="repeat" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid"]

Motore DC con encoder

Motori DC con encoder

Una variante particolare dei motori DC è quella "con encoder". Il motore è esattamente identico al suo corrispondente senza encoder. Viene aggiunto un sensore di rotazione che manda un certo numero di impulsi per ogni giro compiuto. Questo sistema consente di sapere a quale velocità sta girando il motore, ma anche di controllare e mantenere la velocità desiderata. Ideale se abbiamo più motori che dovono viaggiare in modo sincronizzato, oppure se la precisione della rotazione è un parametro rilevante.

[/et_pb_text][/et_pb_column][et_pb_column type="1_4" _builder_version="3.25" custom_padding="|||" custom_padding__hover="|||"][et_pb_blurb title="Catalogo Motori" image="https://www.steplab.net/wp-content/uploads/2015/11/psgm-638234-main-1500px.jpg" _builder_version="4.0.7" hover_enabled="0"][/et_pb_blurb][/et_pb_column][/et_pb_row][/et_pb_section]

Come fissare un motore... soluzioni

[et_pb_section admin_label="section"][et_pb_row admin_label="row"][et_pb_column type="4_4"][et_pb_text admin_label="fissaggio motore" background_layout="light" text_orientation="left" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid" module_id="fissaggio_motore"]

Se vogliamo motorizzare un sistema, una delle questioni fondamentali dopo la scelta corretta del motore è il suo fissaggio. Il fissaggio si compone di due fasi:

  1. Fissaggio del motore alla struttura
  2. Fissaggio delle parti mobili (ruote, corone, pulegge) all'albero del motore.
fissaggio_motore_a_struttura

Fissaggio del motore ad una struttura

Fissaggio del motore alle strutture

Per il fissaggio di un motore alle strutture abbiamo delle flange  e dei collari con diversi passi di foratura.  Puoi trovare la lista completa in questa pagina

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Fissaggio di ruote, corone, pulegge

La seconda esigenza di chi utilizza un motore è di accoppiarlo con ruote, pulegge, corone, alberi.

Riguardo alle ruote, consigliamo di leggere il nostro articolo sulle ruote skate in cui vengono mostrare alcune soluzioni di accoppiamento e alcuni tipi di giunti.

Se si vuole fissare una puleggia o una corona ad un motore abbiamo molteplici elementi disponibili in vari diametri e adattabili a qualunque tipo di albero:clamp_aste

Nelle varie pagine prodotto si trovano degli esempi che chiariscono meglio l'utilizzo dei vari componenti.

 

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Accoppiamento con alberi 

Spesso si ha la necessità di accoppiare il motore ad un'asta o ad un albero più lungo o di diametro differente. Per questo motivo abbiamo creato dei giunti con grano di fissaggio che consentono di risolvere il problema.

Sono disponibili tutte le misure fra 3mm e 12mm

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Tipologie di motori: come scegliere

[et_pb_section admin_label="section"][et_pb_row admin_label="row"][et_pb_column type="1_4"][et_pb_image admin_label="Motore passo passo" src="https://www.steplab.net/wp-content/uploads/2016/01/motore_passo_passo_arduino.jpg" show_in_lightbox="off" url_new_window="off" use_overlay="off" animation="off" sticky="off" align="left" force_fullwidth="off" always_center_on_mobile="on" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid"] [/et_pb_image][/et_pb_column][et_pb_column type="3_4"][et_pb_text admin_label="Testo" background_layout="light" text_orientation="left" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid"]

motori passo-passo

E' il primo motore che ci viene richiesto, spesso inutile o utilizzato male. Questo tipo di motore è adatto ad applicazioni dove è richiesta la precisione nel posizionamento. Non sono in grado di sviluppare coppie elevate e introducono spesso vibrazioni che vanno gestite bene, altrimenti si rischia di danneggiare l'apparecchiatura.

Il loro utilizzo primario è nei sistemi di posizionamento, nelle stampanti 3D, piccoli CNC e ogni realizzazione dove la precisione dello spostamento è prioritaria rispetto alla velocità e alla potenza.

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Motore DC con motoriduttore

 

E' un tipo di motore molto versatile, adatto ad applicazioni di potenza e velocità. Viene utilizzato per muovere ruote, pulegge, catene.

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Servo Motore

 

E' un motore molto particolare perché include un vero e proprio sistema di controllo all'interno del box. La caratteristica fondamentale è che viene controllato in posizione e non in velocità. Questo significa che, tramite un'apposita programmazione, si può decidere di che angolo ruotare l'asse del motore. Generalmente vengono utilizzati in applicazioni dove è prioritario il posizionamento e l'orientazione di un oggetto (fotocamera, antenna, sensore).

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Rapporti di riduzione

[et_pb_section admin_label="section"][et_pb_row admin_label="row"][et_pb_column type="1_4"][et_pb_image admin_label="Immagine" src="https://www.steplab.net/wp-content/uploads/2015/11/motore_planetario.jpg" show_in_lightbox="off" url_new_window="off" use_overlay="off" animation="off" sticky="off" align="left" force_fullwidth="off" always_center_on_mobile="on" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid"] [/et_pb_image][/et_pb_column][et_pb_column type="3_4"][et_pb_text admin_label="Testo" background_layout="light" text_orientation="left" use_border_color="off" border_color="#ffffff" border_style="solid" module_class="linkverdi"]

Come avrete visto sul nostro catalogo motori, offriamo una vasta gamma di oggetti apparentemente identici con numero di giri diverso. Alcuni ci contattano dicendo:" io scelgo un motore con un po' di giri in più perché in corrente continua riesco sempre a variare i giri".

In teoria, dato che posso controllare elettronicamente in modo molto semplice la velocità di rotazione di un motore DC, avere motori con diverso numero di giri massimo, sembra una cosa inutile.

La necessità di avere un sistema di riduzione dei giri meccanico anziché elettronico, sta nella coppia del motore. (per chi non sa cosa sia la coppia vedere questo articolo).

Consideriamo il motore planetario 313 RPM e il motore planetario da 32RPM. Dal punto di vista elettronico possiamo tranquillamente far girare un motore 313 RPM a 32RPM e non viceversa. Ma i due motori da 32RPM così ottenuti hanno le stesse prestazioni ?  La risposta è no, anzi, le prestazioni dei due motori sono molto distanti fra loro perché il 313 RPM che lavora a 32 RPM  ha una coppia massima di 30 kg*cm. Il motore da 32RPM reali ha una coppia massima di 215 kg*cm cioé 7 volte di più.  Per questo motivo, consigliamo sempre ai nostri clienti di scegliere il motore che si adatta meglio al progetto, senza abbondare in numero di giri.

Direi che vale la pena di perdere un po' di tempo in più nella progettazione piuttosto che avere brutte sorprese alla fine.

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