Dinamo Tachimetrica: Funzionamento e Impieghi nell'Automazione

La dinamo tachimetrica è un trasduttore di velocità che svolge un ruolo fondamentale in numerosi ambiti industriali e professionali, convertendo la velocità di rotazione di un dispositivo in un segnale elettrico, tipicamente una tensione continua. Questo segnale, proporzionale alla velocità angolare, permette una misurazione estremamente precisa e affidabile, essenziale per il controllo dei motori e la gestione di processi complessi.

Principio di Funzionamento della Dinamo Tachimetrica

Il funzionamento della dinamo tachimetrica si basa su principi elettromagnetici ben consolidati, similari a quelli di una macchina in corrente continua, ma con una finalità specifica: la generazione di un segnale di tensione.

Generazione di Forza Elettromotrice (f.e.m.)

È un trasduttore di velocità, che converte la velocità di rotazione di un dispositivo (generalmente un motore elettrico) in un segnale elettrico (in particolare una tensione continua). In base alla legge dell'induzione elettromagnetica, se un conduttore immerso in un campo magnetico costante si muove, in esso si induce una forza elettromotrice (f.e.m.). Nella dinamo tachimetrica, le spire avvolte sul rotore, ruotando all'interno di un campo magnetico generato da magneti permanenti nello statore (parte fissa della dinamo tachimetrica), "tagliano" le linee di flusso magnetico. La forza elettromotrice indotta nella spira dipende dalla velocità con cui la spira "avverte" le variazioni di flusso magnetico, dove il flusso Φ è determinato dal prodotto dell'intensità B del campo magnetico per la proiezione della sezione S della spira sul piano perpendicolare alle linee di forza. Questa f.e.m. è continua e proporzionale alla velocità di rotazione della dinamo stessa.

Per comprendere qualitativamente il valore della forza elettromotrice indotta, si può osservare il comportamento di una spira singola. Si supponga che il campo magnetico sia uniforme e orientato da sinistra verso destra, mentre la spira, perpendicolare al piano del foglio, ruoti in senso orario. Quando la spira si trova in una posizione in cui la variazione di flusso è minima, la f.e.m. indotta è zero. Dopo una rotazione di 90 gradi, la spira si trova in una posizione in cui la variazione di flusso è massima e di conseguenza anche la f.e.m. indotta è massima. Continuando a ruotare di altri 90 gradi, le variazioni di flusso tornano ad essere minime e la f.e.m. indotta è nuovamente zero. Con una sola spira, si ottiene una f.e.m. alternata.

Raddrizzamento del Segnale

Per ottenere una f.e.m. costante, è necessario renderla unidirezionale. Questo si ottiene adottando un meccanismo che provvede a scambiare i collettori sotto le spazzole nel preciso istante in cui la corrente indotta cambia verso, cioè quando la spira è parallela al piano del campo magnetico. Questo dispositivo agisce come un raddrizzatore meccanico, invertendo la parte negativa della semionda. Aumentando il numero delle spire e quindi dei settori del collettore, le spazzole sono sempre in contatto con la spira in cui la f.e.m. è più alta possibile. In questo modo si preleva una f.e.m. il più possibile continua e costante. La f.e.m. risultante sarà la somma delle f.e.m. nelle spire in contatto con le spazzole, portando a una f.e.m. di uscita che tende ad essere quasi perfettamente continua, grazie alla presenza di numerosi conduttori attivi e all'alternanza dei settori del collettore.

La generazione di f.e.m. in presenza di espansioni polari genera una f.e.m. più stabile. È fondamentale verificare i versi delle f.e.m. nei conduttori, nonché la posizione dei semi-anelli del collettore, per assicurare un raddrizzamento efficace. L'accoppiamento tra dinamo ed albero deve essere molto accurato affinché siano eliminati o ridotti gli errori nella misura. Le dinamo tachimetriche generano una tensione di uscita proporzionale al numero di giri compiuti dall'albero, dove:$$V_u = k \cdot \Phi \cdot n$$dove:

• $k$ è una costante propria della particolare dinamo tachimetrica considerata e dipende dalle soluzioni costruttive scelte;
• $\Phi$ rappresenta il flusso magnetico costante all'interno della dinamo tachimetrica, solitamente generato da magneti permanenti nello statore;
• $n$ rappresenta la velocità di rotazione espressa in giri/minuto.

Il prodotto $k\Phi$ è complessivamente la costante tachimetrica. Dal punto di vista grafico, se disponiamo su un sistema di riferimento cartesiano, sull'asse delle ascisse il numero di giri $n$ e sull'asse delle ordinate la tensione $V_u$, otteniamo una retta. In realtà la dinamo tachimetrica genera una tensione non perfettamente continua, ma con piccole ondulazioni, anche se la precisione della dinamo è dell'ordine del punto percentuale.

Componenti Principali e Loro Criticità

Le dinamo tachimetriche sono essenzialmente macchine a spazzole e, come tali, presentano alcune criticità legate proprio a questi componenti.

Spazzole e Collettore

Il difetto principale è costituito dalla presenza delle spazzole, le quali generano disturbi, in particolare in corrispondenza del loro passaggio sulle zone di isolamento del collettore. Le spazzole, strisciando sui settori del collettore, si usurano riducendo in modo significativo l'affidabilità del dispositivo. L'usura delle spazzole può causare anche un significativo aumento dell'assorbimento di corrente, che deve essere limitato a pochi mA per preservare il corretto funzionamento. I disturbi generati dalle spazzole e dal collettore possono essere problematici, ma possono essere gestiti con tecniche di modulazione di larghezza di impulso (PWM) senza eccessive difficoltà. Il collettore, se particolarmente usurato, può amplificare questi problemi.

Flusso Magnetico e Struttura Statorica

Per generare il flusso magnetico $\Phi$, vengono solitamente utilizzati dei magneti permanenti nello statore. Questa scelta costruttiva contribuisce a mantenere il flusso costante nel tempo, garantendo la linearità della risposta della dinamo. La struttura statorica, insieme alla qualità dei magneti, è cruciale per la stabilità e la precisione del segnale di uscita.

La Costante Tachimetrica

La costante tachimetrica è un parametro fondamentale fornito dal costruttore, che esprime la relazione tra la tensione di uscita e la velocità di rotazione. Ad esempio, un valore di 20.8/1000 rappresenta la costante tachimetrica espressa in Volt/giri/minuto.

Se si ha bisogno di esprimere la relazione rispetto alla velocità angolare $\omega$, cioè $Vu = Kt \cdot \omega$, si deve ricordare che la velocità angolare $\omega$ è, per definizione, uguale a $2\pi f$, dove la frequenza $f$ è il numero di giri al secondo, che si ottiene dividendo $n$ (il numero di giri al minuto) per 60. Quindi, $K_t$ sarà la costante tachimetrica espressa in Volt/(rad/s).

Impieghi e Vantaggi della Dinamo Tachimetrica

La dinamo tachimetrica è stata ampiamente utilizzata e si è affermata in diversi settori grazie alla sua robustezza, affidabilità e precisione.

Sistemi di Retroazione per il Controllo Motori

Grazie alla sua prerogativa di fornire un segnale analogico in uscita proporzionale alla velocità di rotazione, le dinamo tachimetriche sono state utilizzate con successo nei sistemi di retroazione per il controllo dei motori elettrici a corrente continua. In queste applicazioni, il segnale in uscita dalla dinamo viene utilizzato come riferimento di velocità per l'azionamento digitale (il converter DC). La grande diffusione dei motori a corrente continua, tuttora molto diffusi nelle applicazioni di grande potenza dove è richiesto un controllo preciso di coppia e di velocità, ha portato di conseguenza una grande diffusione di dinamo tachimetriche.

Robustezza e Affidabilità Industriale

Questo tipo di prodotto ha dimostrato negli anni di avere tutte le prerogative di robustezza necessarie per poter sopravvivere per anni alle dure condizioni di lavoro degli impianti industriali più gravosi. Esempi di tali applicazioni includono gli impianti siderurgici (laminatoi, trafile e calandre), gli impianti di lavorazione della gomma (bambury) e le cartiere. Queste sono solo alcune delle numerose applicazioni in cui la dinamo tachimetrica ha dimostrato la sua affidabilità e la capacità di fornire costanti nel tempo le prestazioni richieste.

Vantaggi Specifici

• Precisione: L'accoppiamento preciso all'albero del motore permette di misurarne con estrema precisione la velocità. La precisione è dell'ordine del punto percentuale.
• Linearità: La tensione di uscita è continua e proporzionale alla velocità di rotazione, rendendo semplice l'interpretazione del segnale.
• Affidabilità: Nonostante la presenza delle spazzole, la dinamo tachimetrica ha dimostrato di essere estremamente robusta in ambienti industriali gravosi.

Alternative e Evoluzioni: Gli Encoder Digitali

Se da un lato la dinamo tachimetrica fornisce un segnale analogico, esistono alternative digitali che offrono vantaggi in termini di immunità ai disturbi e capacità di determinare il verso di rotazione.

Encoder Ottici e Magnetici

Gli encoder sono trasduttori che, a ciascun giro dell'albero, emettono un impulso digitale. Esistono diverse tipologie di encoder, tra cui:

• Encoder incrementali: Generano una serie di impulsi proporzionali alla rotazione. Per determinare il verso di rotazione, spesso si utilizzano due segnali sfasati tra loro (A e B). Osservando quale segnale è in anticipo sull'altro, è possibile capire il verso di rotazione.
• Encoder assoluti: Forniscono un codice digitale univoco per ogni posizione angolare, eliminando la necessità di azzeramento all'accensione.

Gli encoder digitali, rispetto alle dinamo tachimetriche, offrono una maggiore immunità ai disturbi, in quanto i segnali digitali sono meno suscettibili alle interferenze elettromagnetiche che possono essere trasferite ai cavi di alimentazione. Inoltre, l'assenza di spazzole elimina l'usura e i relativi problemi di affidabilità associati alle macchine a spazzole.

Vantaggi degli Encoder

• Immunità ai Disturbi: I segnali digitali sono meno sensibili ai disturbi elettrici.
• Assenza di Usura: Non avendo spazzole, gli encoder hanno una vita utile maggiore e richiedono meno manutenzione.
• Determinazione del Verso di Rotazione: Gli encoder con due canali sfasati consentono una facile determinazione del verso di rotazione.

Nonostante l'avanzamento degli encoder digitali, la dinamo tachimetrica rimane un prodotto affermato nel mercato, in particolare per la sua robustezza e la sua capacità di fornire un segnale analogico che può essere direttamente utilizzato in molti sistemi di controllo legacy e in applicazioni dove la linearità e la semplicità del segnale analogico sono preferite o sufficienti.

Gamma di Dinamo Tachimetriche e Innovazioni

Diverse aziende offrono una vasta gamma di dinamo tachimetriche per soddisfare le esigenze di svariate applicazioni, dall'automazione industriale ai servomotori. Queste gamme sono spesso categorizzate in base a dimensioni, robustezza e specifiche tecniche.

Esempi di Gamma Prodotti

• REO110/122: Dinamo ultracompatta per applicazioni Servo in corrente continua.
• REO220: Dinamo compatta e robusta per applicazioni su macchine utensili.
• REO315L: Dinamo compatta diffusa nel settore dei piccoli servomotori in corrente continua.
• REO588: Versione con corpo 588, progettata per le applicazioni più gravose nel mondo dell'Heavy Duty, grazie alla sua grande robustezza meccanica.
• REO444L: Prodotto "L" (Leggero), una scelta più economica realizzata in policarbonato.
• REO444N: Prodotto "N" (Normale), lo standard nelle applicazioni industriali.
• REO444NV: Prodotto "NV" (Normale) con uscita per collegamenti a morsettiera, uno standard nelle applicazioni industriali.
• REO444R: Prodotto "R" (Rinforzato) per applicazioni Heavy Duty.
• REO444L KONE: Dinamo sviluppata specificamente per gli ascensori KONE da Radio Energie.

Questo ampio assortimento testimonia l'evoluzione e l'adattamento delle dinamo tachimetriche a diverse esigenze del mercato, consolidando la loro posizione nonostante l'emergere di nuove tecnologie.

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