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Tuesday, 26 Settembre 2017
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Efficienza di motori e azionamenti: un approccio collettivo per risultati migliori

In termini di efficienza complessiva dei sistemi di trasmissione azionati da motori elettrici, anche il sistema meccanico deve essere preso in considerazione, poiché anch’esso presenta notevoli possibilità di ottimizzazione. In termini di efficienza complessiva dei sistemi di trasmissione azionati da motori elettrici, anche il sistema meccanico deve essere preso in considerazione, poiché anch’esso presenta notevoli possibilità di ottimizzazione.

Efficienza, affidabilità e costo totale di proprietà sono tutti parametri di grande importanza per gli ingegneri. Tuttavia considerare individualmente i componenti di un’apparecchiatura potrebbe non essere l’approccio ottimale per ottenere i risultati migliori. Considerare il sistema nel suo complesso e combinare le più aggiornate tecnologie dei singoli settori assicura maggiori risparmi e un’efficienza superiore, come ci ha spiegato Markus Kutny, Responsabile Prodotti, Energy Efficiency Solutions in Bauer Gear Motor (società di Altra Industrial Motion Group).
di Elisabetta Brendano

Marzo 2015

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egli ultimi anni è stata data grande enfasi ai miglioramenti apportati all’efficienza dei motori elettrici, anche a causa dei cambiamenti alle normative che hanno catalizzato l’attenzione sia dei produttori che dei clienti. Tuttavia, in termini di efficienza complessiva dei sistemi di trasmissione azionati da motori elettrici, anche il sistema meccanico deve essere preso in considerazione, poiché anch’esso presenta notevoli possibilità di ottimizzazione. Tra il motore elettrico e il processo finale esiste solitamente una serie di azionamenti meccanici, ingranaggi, giunti e cuscinetti che trasmettono la potenza meccanica fornita dal motore. Esaminare il componente di ciascuna sezione meccanica e ottimizzarne la progettazione consente di ottenere ulteriori miglioramenti in termini di efficienza e risparmio.

Maggiore efficienza del motore
È noto che i motori elettrici usano il 65% dell’energia utilizzata nell’industria; meno risaputo è che il 96% dei costi per l’intero ciclo di vita di un motore elettrico abbiano a che vedere col consumo energetico.
Questo dimostra l’importanza dell’efficienza complessiva rispetto al costo iniziale di acquisto, in termini di incidenza sul costo totale di proprietà (TCO).
I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) soddisfano già i requisiti della normativa IE4 (Super-premium Efficiency), che verrà implementata al più presto. Ciò è dimostrato dai loro risparmi energetici potenziali, fino al 40% in confronto a un motore a gabbia di scoiattolo IE2 controllato a inverter.
I motori sincroni PMSM offrono un’efficienza notevolmente maggiore rispetto ai motori a induzione, anche in condizioni di carico parziale, e un’efficienza elevata in condizioni di lavoro nominali. Offrono inoltre una densità di potenza molto superiore il che, per i motoriduttori, garantisce un’efficienza molto più alta dell’intero sistema con un volume d’installazione ridotto al minimo.
Il design sincrono dei motori PMSM significa che oltre a essere superiori nel convertire l’energia elettrica in potenza meccanica, offrono l’ulteriore vantaggio di mantenere una velocità costante a prescindere dal carico.
Ciò vuol dire che la velocità del motore non cambia, nonostante le variazioni di sovraccarico e i cali di tensione, a patto che resti costante la frequenza di rete.
Questa progettazione offre diversi vantaggi di grande importanza. Riduce le perdite termiche dal rotore del 100%, le perdite totali di circa il 25% e aumenta l’efficienza totale del 10% o più. Per l’utente di un motore PMSM, queste prestazioni migliorate si traducono in un costo totale di proprietà inferiore, una riduzione nelle emissioni di CO2 e in risparmi continui che ammortizzano gli eventuali futuri aumenti dei costi energetici.
I bassi costi di funzionamento e manutenzione dei motori PMSM ne fanno il motore ottimale per il risparmio energetico da utilizzare con ventilatori, pompe e compressori, nonché per le applicazioni a coppia costante come gli elevatori e i nastri trasportatori.
A partire da gennaio di quest’anno in avanti, la classe di efficienza energetica IE3 (Premium Efficiency) sarà lo standard per i motori con potenza nominale compresa tra 7,5 e 375 kW; e dal gennaio 2017 includerà i motori con potenza nominale compresa tra 0,75 e 375 kW. I motori controllati da inverter sono esenti da questa normativa. Per tali motori è sufficiente la classe IE2.

Dimostrare la convenienza dei motori PMSM
Le migliori prestazioni di un motore PMSM si traducono in un costo totale di proprietà inferiore, una riduzione nelle emissioni di CO2 e in risparmi continui che aiutano a tamponare i futuri aumenti del costo dell’energia. Questi miglioramenti in termini di tecnologia ed efficienza implicano un costo iniziale di acquisto maggiore, che viene recuperato però nel corso della vita operativa del motore PMSM. Per dimostrare tutto ciò, Bauer Gear Motor (società di Altra Industrial Motion Group) ha accettato di partecipare a un confronto diretto nel quale un motore asincrono a inverter (ASM) e un motore a magneti permanenti venivano configurati per eseguire la stessa attività. Il confronto è stato condotto su un impianto di trattamento delle acque reflue attivo in Germania, con entrambi i motori che azionavano un ispessitore a disco per sette ore al giorno. È stato utilizzato lo stesso inverter, programmato per monitorare i carichi su ciascun motore, per garantire che operassero alla massima efficienza. Per avere la certezza che qualsiasi differenza in termini di efficienza potesse essere attribuita solo ai motori, ciascun sistema di azionamento utilizzava lo stesso riduttore. I risultati dell’esecuzione della stessa attività sono riportati nella seguente tabella:
La prova ha dimostrato che il motore PMSM ha offerto un risparmio del 40% in termini di consumo energetico rispetto al motore ASM; proiettato su 4 anni, ciò significa un risparmio di 1.022 kW. Come il prezzo dell’energia continua a crescere, così il valore di questo risparmio aumenta.

Progettazione della catena cinematica
La progettazione delle catene cinematiche moderne richiede conoscenze e competenze specialistiche che consentano di creare un prodotto che, oltre a soddisfare le specifiche, offra anche efficienza, uniformità di funzionamento e bassa rumorosità, nonché la massima affidabilità. Tuttavia, è possibile ottenere gli ulteriori vantaggi di una progettazione eseguita a regola d’arte facendo in modo che la catena cinematica sia correttamente integrata nell’applicazione, il che richiede una profonda comprensione del settore in cui si sta lavorando.
I progetti meno efficienti, come quelli che utilizzano motori con vite senza fine, possono essere sostituiti con motoriduttori a ingranaggi conici elicoidali, che offrono maggiore efficienza e vita operativa prolungata. Il seguente approccio rimuove la necessità di un giunto e un cuscinetto, quindi garantisce un’efficienza di trasmissione quasi perfetta.
In alcuni casi, può essere conveniente ottimizzare questo processo e specificare una soluzione su misura, che può essere costruita con i componenti esistenti integrandoli però in modo uniforme nella macchina per ottenere la miglior soluzione possibile. Coinvolgere i progettisti fin dall’inizio di un progetto consente di ottenere la massima efficienza in termini sia di costi che di energia.

Giunti di trasmissione
Come collegamento essenziale tra il motore elettrico e l’albero motore, il giunto può avere una notevole influenza sulle prestazioni dell’apparecchiatura. A seconda dell’applicazione, dei requisiti di manutenzione e alle specifiche di coppia, la progettazione del giunto deve essere valutata con attenzione per garantire prestazioni affidabili e facilità di manutenzione. Specificare un giunto errato può determinare una trasmissione inefficiente della potenza e maggiori costi di manutenzione.
I giunti vengono progettati per compensare i disallineamenti dell’albero, che possono essere presenti quando uno degli alberi collegati lavora con un cuscinetto autoallineante, o quando un albero intermedio non supportato si trova tra l’elemento conduttore e il carico. I giunti in grado di affrontare il disallineamento angolare reale includono quelli del tipo singolo universale, grazie alla loro capacità di gestire grandi sfasamenti e allo smorzamento torsionale. Se entrambi gli alberi sono assemblati in cuscinetti autoallineanti, è possibile azzerare il disallineamento e utilizzare quindi un giunto fisso che supporta semplicemente l’albero in perfetto allineamento. Prima di installare un giunto fisso, è interessante in precedenza provare a utilizzare un giunto flessibile. Con la macchina a temperatura di funzionamento normale, è possibile misurare la velocità e/o la corrente assorbita dal motore. La differenza tra queste letture e quelle con il giunto fisso rappresentano le perdite generate dal giunto flessibile. Ciò dimostra gli ulteriori risparmi che possono essere ottenuti dedicando un po’ di attenzione all’ottenimento di un allineamento corretto degli alberi.
La costruzione base dei giunti flessibili consiste in due flange, o mozzi, che si fissano agli alberi da accoppiare, e un elemento di connessione che può essere metallico, come nei giunti a disco; può trattarsi anche di un manicotto ricavato da materiale elastomerico, ad esempio gomma EPDM, neoprene, Hytrel o uretano, oppure può essere meccanico, come in un giunto a U o a ingranaggi.

Un approccio congiunto
Analizzare ciascuno dei diversi aspetti trattati consente di approfondire i risparmi energetici potenziali che possono essere ottenuti considerando individualmente i diversi aspetti di progettazione della catena cinematica. Combinare queste efficienze in un’applicazione unica può offrire notevoli risultati, ulteriormente migliorabili quando la progettazione complessiva viene affrontata da un unico produttore specializzato. In questo modo, ciascun componente viene accoppiato al meglio e progettato per funzionare con gli altri in modo ottimale, con l’ulteriore vantaggio di un singolo punto di contatto per qualsiasi problema di addestramento o manutenzione. Esaminare le efficienze meccaniche e apportare notevoli miglioramenti in questa area specifica può dare come risultato una riduzione totale della potenza complessiva richiesta al motore elettrico. Il risultato complessivo dell’installazione di un motore più piccolo, il che è correlato a una trasmissione meccanica più efficiente, è ridurre il consumo energetico e migliorare l’affidabilità utilizzando componenti perfettamente accoppiati. Quando si specifica un sistema di trasmissione per applicazioni in ambienti difficili, è fondamentale parlare con un provider di soluzioni che abbia un’esperienza tale da poter comprendere le implicazioni di ogni situazione. Bauer Gear Motor si avvale di ingegneri con molti anni di esperienza nella progettazione su misura di sistemi di trasmissione della potenza in diversi settori.
Con l’esperienza, hanno imparato quanto sia importante studiare la storia del loro campo di competenza per continuarne lo sviluppo.

Markus Kutny lavora per Bauer Gear Motor GmbH dal 2009. Avendo lavorato come Field Sales Engineer per due anni, è specializzato nelle tecnologie di azionamento energeticamente efficienti con motori sincroni a magneti permanenti, per le quali è il Global Manager di Bauer.

 

 

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