Cause del surriscaldamento del motore e come risolverlo | Spiegazione delle misure preventive efficaci

I motori sono fondamentali per le linee di produzione e le apparecchiature industriali, ma il surriscaldamento durante il funzionamento è un fenomeno inevitabile. Tuttavia, un surriscaldamento eccessivo riduce la durata del motore e, nel peggiore dei casi, può causare gravi problemi come guasti o incendi.

Il surriscaldamento del motore è causato da perdite quali quelle nel rame, nel ferro e meccaniche, e per ciascuna di esse sono necessarie misure adeguate.

In questo articolo spiegheremo in modo esaustivo tutto ciò che un tecnico dovrebbe sapere: dai meccanismi alla base del surriscaldamento dei motori, alle soluzioni da adottare in caso di surriscaldamento, fino alle misure preventive efficaci per evitare che si verifichi.

Grazie a una corretta gestione termica, potrai migliorare la sicurezza e la durata del motore e garantire un funzionamento stabile dell’impianto.

Le cause principali del surriscaldamento del motore

Il calore generato dal motore deriva principalmente da tre tipi di perdite: perdite nel rame, perdite nel ferro e perdite meccaniche.

L’influenza di questi tre fattori varia a seconda del tipo di motore, del suo design e delle condizioni di funzionamento. In generale, nei motori di piccole dimensioni le perdite per resistenza dei avvolgimenti tendono a diventare predominanti, mentre alle alte velocità si registrano spesso maggiori perdite nel ferro. Capire il meccanismo di queste tre tipologie di perdite è il primo passo per adottare misure adeguate contro il surriscaldamento. Di seguito vedremo più nel dettaglio ciascuna di queste perdite.

Cosa tratteremo in questa sezione

• Generazione di calore dovuta alle perdite nel rame
• Generazione di calore dovuta alle perdite nel ferro
• Surriscaldamento dovuto a perdite meccaniche

Ogni tipo di perdita ha un meccanismo di insorgenza diverso e il suo impatto varia a seconda del tipo di motore e delle condizioni di funzionamento. Soprattutto nei reparti di sviluppo che si occupano di motori di piccole dimensioni, le misure per ridurre le perdite nel rame sono fondamentali per limitare il surriscaldamento.

Generazione di calore dovuta alle perdite nel rame

Le perdite per resistenza del rame sono le perdite di potenza causate dalla resistenza degli avvolgimenti del motore e dalla corrente che vi passa.

Questa perdita è rappresentata dalla formula P=I²R (corrente al quadrato × resistenza) ed è proporzionale al quadrato della corrente.

Quindi, in teoria, se si dimezza la corrente, il calore generato dalle perdite nel rame si riduce a circa un quarto.

Dipende dall’uso e dalle condizioni di progettazione, ma nei motori in cui scorrono forti correnti nelle bobine, spesso le perdite nel rame sono la causa principale del surriscaldamento, quindi è un aspetto fondamentale da considerare nelle misure di prevenzione del surriscaldamento.

[Metodi di progettazione per ridurre le perdite nel rame]

• Aumentare il diametro del filo (sezione trasversale)
• Aumentare il tasso di copertura
• Accorciare la lunghezza dell’avvolgimento
• Ottimizzare la purezza e il trattamento del rame

Combinando queste tecniche, è possibile ridurre efficacemente la resistenza degli avvolgimenti e limitare il surriscaldamento causato dalle perdite nel rame. Nei motori di piccole dimensioni utilizzati nelle apparecchiature mediche e ottiche, l’ottimizzazione degli avvolgimenti già in fase di progettazione porta a un miglioramento delle prestazioni e a una maggiore durata.

Generazione di calore dovuta alle perdite nel ferro

Le perdite nel ferro sono quelle che si verificano nel nucleo di ferro a causa delle variazioni del campo magnetico e sono costituite da perdite per isteresi e perdite per correnti parassite.

La perdita per isteresi è la perdita di energia che si verifica all’interno del nucleo di ferro quando si ripetono cicli di magnetizzazione e smagnetizzazione, mentre la perdita per correnti parassite è causata dalle correnti indotte nel nucleo di ferro dal campo magnetico variabile.

È un fenomeno che si manifesta in modo evidente quando un motore con nucleo in ferro funziona ad alta velocità. Soprattutto nei motori di medie e grandi dimensioni, l’uso di lamiere di acciaio stratificate permette di ridurre le perdite per correnti parassite. D’altra parte, poiché i motori senza nucleo sono privi di nucleo in ferro, le perdite nel ferro, come quelle per isteresi e per correnti parassite, non si verificano in linea di principio.

I motori senza nucleo di C.I. Takiron hanno il vantaggio, grazie a questa caratteristica strutturale, di ridurre il surriscaldamento dovuto alle perdite nel ferro anche a velocità di rotazione elevate.

Nelle applicazioni in cui sono richieste operazioni ad alta velocità e alta precisione, come nelle apparecchiature industriali e ottiche, una struttura del motore priva di perdite nel ferro rappresenta una valida opzione.

Surriscaldamento dovuto a perdite meccaniche

Le perdite meccaniche sono quelle causate dall’attrito all’interno del motore, dalla resistenza dell’aria e da altri fattori simili.

Ci sono il calore da attrito nel punto di contatto tra cuscinetto e albero e le perdite per resistenza aerodinamica dovute alla rotazione, ma la loro percentuale sul calore totale generato è relativamente bassa.Dipende dal tipo di motore e dalle condizioni di funzionamento, ma in generale si aggira tra il 3 e il 12% delle perdite totali. Tuttavia, se continui a far funzionare il motore con olio lubrificante o grasso deteriorati, la resistenza all’attrito potrebbe aumentare rapidamente e il calore generato dall’attrito potrebbe salire notevolmente.

Nelle applicazioni in cui è richiesto un funzionamento senza manutenzione per lunghi periodi, come nel caso dei dispositivi di sicurezza, è necessario tenere conto di questo tipo di usura meccanica.

Scegliendo cuscinetti e grasso di alta qualità e facendo una manutenzione regolare, puoi ridurre al minimo i danni ai macchinari.

Gli effetti negativi causati dal surriscaldamento del motore

Un surriscaldamento eccessivo del motore non comporta solo un aumento della temperatura, ma provoca anche gravi danni ai componenti interni del motore.

Gli effetti del surriscaldamento si ripercuotono su diversi aspetti, come i materiali isolanti, i componenti meccanici e le caratteristiche elettriche, e alla fine portano a una riduzione della durata del motore o a guasti improvvisi.

Nel caso delle apparecchiature mediche e dei dispositivi di sicurezza, dato che questi guasti hanno ripercussioni dirette sulla sicurezza dei pazienti e del personale, è importante capire bene quali siano gli effetti concreti causati dal surriscaldamento.

Di seguito ti spiego quali sono gli effetti negativi più comuni causati dalla febbre.

Cosa tratteremo in questa sezione

• Deterioramento dell’isolante e della bobina
• Deterioramento dei cuscinetti e del grasso
• Calo delle prestazioni e peggioramento dell’efficienza

Questi effetti negativi sono correlati tra loro e danno vita a un deterioramento a catena, in cui un problema ne causa un altro. Una corretta gestione del calore ti permetterà di ridurre al minimo questi rischi.

Deterioramento dell’isolante e della bobina

Il rivestimento isolante che ricopre la superficie della bobina si deteriora progressivamente in ambienti ad alta temperatura.

La temperatura ammissibile varia a seconda della classe di resistenza termica (B, F, H, ecc.). Poiché più ci si avvicina alla temperatura ammissibile, più il deterioramento dell’isolamento tende ad accelerare, quindi in fase di progettazione è importante prevedere un margine di sicurezza tenendo conto della classe e dell’aumento di temperatura.

Se il rivestimento isolante si danneggia, si verifica un cortocircuito tra le bobine e si entra in un circolo vizioso in cui il passaggio di una forte corrente in un punto specifico aggrava ulteriormente il surriscaldamento. Alla fine, c’è il rischio che le bobine si brucino o che scoppi un incendio; soprattutto nei motori usati all’interno di involucri sigillati, dove la dissipazione del calore è difficile, i danni tendono ad aggravarsi facilmente.

Nel settore dei dispositivi medici e delle apparecchiature industriali, un arresto improvviso causato da una rottura dell’isolamento può avere conseguenze dirette sulla vita dei pazienti o causare l’interruzione delle linee di produzione; per questo, le prestazioni termiche dei materiali isolanti e il monitoraggio della temperatura sono estremamente importanti.

Deterioramento dei cuscinetti e del grasso

Se le temperature elevate si protraggono a lungo, la viscosità del grasso diminuisce e questo può fuoriuscire oppure, al contrario, indurirsi, con conseguente calo delle prestazioni lubrificanti e perdita di funzionalità.

Quando il film lubrificante si rompe, i metalli entrano in contatto diretto tra loro; l’aumento della resistenza all’attrito genera ulteriore calore da attrito, causando un aumento della temperatura e creando così un circolo vizioso. Nel peggiore dei casi, il cuscinetto si grippano, l’albero si blocca e il motore si ferma completamente.

In applicazioni che richiedono un funzionamento continuo e una lunga durata, come le serrature elettroniche dei dispositivi di sicurezza o i meccanismi di azionamento delle apparecchiature mediche, è fondamentale adottare misure per prevenire il deterioramento termico dei cuscinetti e del grasso.

La scelta di un grasso di alta qualità in grado di mantenere le proprie prestazioni anche in condizioni di alta temperatura, insieme a una manutenzione regolare con sostituzioni periodiche, contribuisce a prolungare la durata dei cuscinetti.

Calo delle prestazioni e peggioramento dell’efficienza

A causa del calore, la resistenza elettrica della bobina aumenta e la corrente scorre con maggiore difficoltà, quindi la coppia in uscita diminuisce.

Il filo di rame ha la caratteristica di vedere aumentare la propria resistenza all’aumentare della temperatura; in particolare, per ogni aumento di 10 °C della temperatura, il valore della resistenza aumenta di circa il 4%. Inoltre, nei motori che utilizzano magneti permanenti, quando la temperatura sale, la forza magnetica si indebolisce a causa della smagnetizzazione termica, con un conseguente calo significativo delle prestazioni del motore.

I magneti al neodimio hanno temperature di tolleranza diverse a seconda del grado; nei gradi standard, la demagnetizzazione permanente può verificarsi a partire da circa 80 °C. I magneti in ferrite resistono relativamente bene alle alte temperature; circa 250 °C è un valore di riferimento. Anche i componenti elettronici vedono aumentare la resistenza con l’innalzarsi della temperatura, il che porta a un aumento del consumo energetico e a un calo dell’efficienza.

Nei motori di azionamento delle lenti per apparecchiature ottiche e negli utensili industriali, dato che questo calo di prestazioni influisce direttamente sulla precisione del prodotto e sull’efficienza operativa, è necessario tenere adeguatamente conto, già in fase di progettazione, delle variazioni di prestazioni causate dal surriscaldamento.

Misure e metodi per ridurre il surriscaldamento del motore

Per ridurre il surriscaldamento del motore, ci sono tre approcci: l’installazione di un sistema di raffreddamento, l’ottimizzazione delle condizioni di funzionamento e la scelta del motore più adatto.

Per i motori già in uso, è efficace potenziare la dissipazione del calore tramite ventole di raffreddamento e dissipatori di calore; inoltre, rivedendo le modalità di funzionamento è possibile ridurre notevolmente la produzione di calore.

Quando si progetta un nuovo modello o si cambia modello, è possibile risolvere il problema alla radice scegliendo una struttura del motore che generi meno calore.

Di seguito ti spiego in dettaglio come mettere in pratica ciascuna di queste misure.

Cosa tratteremo in questa sezione

• Miglioramento della dissipazione del calore grazie al sistema di raffreddamento
• Ottimizzazione delle condizioni di funzionamento
• Passaggio a un motore che genera meno calore

Queste misure non vanno attuate solo singolarmente, ma combinandole tra loro si ottengono risultati migliori. Soprattutto nei sistemi esistenti in cui il surriscaldamento rappresenta un problema, introducendo le misure in modo graduale sarà possibile apportare miglioramenti riducendo al contempo i rischi.

Miglioramento della dissipazione del calore grazie al sistema di raffreddamento

Il raffreddamento forzato tramite ventola e l’installazione di un dissipatore di calore favoriscono in modo efficiente la dissipazione del calore dal motore.

Nei macchinari industriali, l’uso di motori dotati di ventola di raffreddamento permette di evitare il surriscaldamento durante il funzionamento prolungato.

Sostituire la piastra di montaggio con un materiale in alluminio ad alta conducibilità termica o aumentarne lo spessore sono misure efficaci per migliorare la dissipazione del calore.

Se lo usi all’interno di un involucro sigillato, puoi creare un flusso d’aria aggiungendo delle alette di dissipazione del calore all’involucro stesso o inserendo una piccola ventola all’interno.

Per applicazioni in cui è richiesta silenziosità, come nel caso delle apparecchiature mediche o ottiche, anche il sistema di raffreddamento naturale che utilizza i tubi di calore rappresenta una valida opzione. Tuttavia, l’aggiunta di un sistema di raffreddamento comporta un aumento dello spazio necessario e dei costi, quindi è necessario valutarlo attentamente già in fase di progettazione.

Ottimizzazione delle condizioni di funzionamento

Riducendo la corrente di funzionamento, è possibile ridurre notevolmente le perdite nel rame, che sono proporzionali al quadrato della corrente.

Se il ciclo di funzionamento del motore lo consente, imposta un tempo di arresto più lungo per garantire il raffreddamento del motore.

Per ridurre il surriscaldamento, è importante evitare le condizioni di sovraccarico e assicurarsi di operare sempre entro la coppia nominale.

Per gli utensili industriali e i prodotti per l’hobbistica, ottimizzando il ciclo di lavoro (il rapporto tra tempo di funzionamento continuo e tempo di inattività) in base alle modalità di utilizzo, è possibile mantenere le prestazioni necessarie riducendo al minimo la generazione di calore.

Anche impostare la tensione di alimentazione al valore corretto è una misura fondamentale per ridurre la corrente superflua e limitare la generazione di calore.

Se il circuito di pilotaggio è dotato di una funzione di controllo della corrente, è possibile ridurre ulteriormente la generazione di calore ottimizzando la corrente in base al carico.

Effettuare controlli periodici del funzionamento e misurazioni della temperatura per individuare tempestivamente eventuali segni di surriscaldamento è un’altra misura efficace per garantire un funzionamento stabile a lungo termine.

Passaggio a un motore che genera meno calore

I motori brushless sono un tipo di motore che non presenta perdite per attrito delle spazzole e che permette di ottenere facilmente un’elevata efficienza. D’altra parte, la dissipazione del calore dipende in gran parte da fattori di progettazione quali la struttura del rotore interno/esterno, la forma dell’alloggiamento, le condizioni di montaggio e i percorsi di dissipazione del calore.

Dato che i motori senza nucleo non hanno un nucleo di ferro, non si verificano perdite nel ferro, il che permette un funzionamento ad alta efficienza e con bassa generazione di calore.

I motori senza nucleo di C.I. Takiron, grazie a queste caratteristiche strutturali, vengono utilizzati in applicazioni che richiedono un’elevata precisione, come le apparecchiature mediche e ottiche. Inoltre, i motori brushless dell’azienda si distinguono per la lunga durata e le basse vibrazioni (silenziosità), il che li rende ideali per apparecchiature industriali e sistemi di sicurezza.

Se lo spazio lo permette, aumentando le dimensioni del motore è possibile ridurre la corrente a parità di potenza, limitando così la generazione di calore.

Quando si progetta un nuovo sistema o si migliorano quelli esistenti, valutare la possibilità di passare a questi motori a bassa emissione di calore permette di semplificare il sistema di raffreddamento e ridurre la frequenza degli interventi di manutenzione.

Riepilogo

Il surriscaldamento del motore deriva da tre tipi di perdite: perdite nel rame, perdite nel ferro e perdite meccaniche, che causano gravi conseguenze come il deterioramento dell’isolamento, il surriscaldamento dei cuscinetti e il calo delle prestazioni.

Come misure preventive, sono efficaci l’introduzione di un sistema di raffreddamento, l’ottimizzazione delle condizioni di funzionamento e il passaggio a tipi di motori che generano meno calore. In particolare, i motori senza nucleo e quelli senza spazzole sono in grado, grazie alla loro struttura, di ridurre la generazione di calore e contribuiscono anche a prolungarne la durata.

Noi di C.I. Takiron offriamo motori senza nucleo, privi di perdite nel ferro, e motori brushless con un’eccellente dissipazione del calore, proponendo soluzioni ottimali su misura per le tue esigenze.

Grazie a una corretta gestione del surriscaldamento, potrai migliorare la sicurezza e l’affidabilità del motore e garantire un funzionamento stabile del prodotto.

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.

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