Electric motors and their controls

a strategic component
COVER STORY
Roberto Papeschi
Electric motors
and their controls
Innovative product and process technologies have
deeply innovated one of the historical electrical
components in the household appliance industry,
in particular concerning the electronics use and
new quality control applications.
The electric motor is one of the historical products of the electrotechnical
industry, being the result of several contributions starting from the half of
the Nineteenth century, including the fundamental one provided by
Galileo Ferraris who in 1885 implemented the first electric asynchronous
motor, without applying for the patent. In 1892 the American company
Westinghouse, upon patent by the Croatian engineer Nikola Tesla, started
producing electric motors on industrial scale.
Since then, with the diffusion of the electric energy, the electric motor
has contributed in the company’s development, multiplying its product
typologies and spreading in the most different applications, from
machinery to industrial, civil and sanitary ones, to those
connected with durable consumer products, from cars to
household appliances and computerized systems. It is thanks
to electric motors that fatigue has been eliminated in numerous
applications in factories as well as in houses and that an increasing
number of functions of the most different industrial and civil
applications has been automated.
Electric motors in the household appliance industry
Electric motors have found large use also in the household appliance
industry, both for essential functions, as it happens in the washing
machine case, where the electric motor is the core of the household
appliance, and to carry out auxiliary functions, as in the case of fanned
electric ovens. The same happens in refrigerators, in freezers and in the
products for the environment conditioning, where the electric motor
controls the operation of the compressor, which is the element on which
depend all the performances of these household appliances, as it happens
in kitchen suction hoods.
Same importance, finally, is hold by electric motors in a broad number of
small household appliances, both for their use in kitchen, like food
processors, mixers and juicers and in cleaning products, vacuum cleaners,
electric brooms and steam appliances, as well as small appliances for
shaving, epilation, massage and, more in general, the body care.
In all these products, often the electric motor does not represent the most
expensive component but it often constitutes their most critical element,
whose bad functioning or failure irreparably damages the use by users
while when the defect appears in the production phases in the factory, it
constitutes a heavy economic burden for the manufacturer, compelled to
expensive repair interventions on finished products. For all these reasons,
household appliance manufacturers have always paid utmost attention to
the choice of their suppliers, which in their turn have integrated into their
production plants sophisticated quality control systems, often based on
innovative technologies.
The application field of electric motors in the household appliance
industry is very broad. For this reason, it is natural that these components
are distributed in numerous product families, suitable for each specific
application and very different one another from the technological point of
view.
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I motori elettrici
e i loro controlli
Tecnologie innovative di prodotto e di processo hanno profondamente
innovato uno dei componenti elettrici storici nell’industria degli
elettrodomestici, in particolare per quanto relativo all’impiego
dell’elettronica e alle nuove applicazioni di controllo della qualità.
Il motore elettrico è uno dei prodotti storici dell’industria elettrotecnica
essendo il risultato di numerosi contributi a partire dalla metà dell’800, tra
cui quello fondamentale di Galileo Ferraris che nel 1885 costruì il primo
motore elettrico asincrono, senza richiederne il brevetto. Nel 1892 la società
americana Westinghouse, su brevetto dell’ingegnere croato Nikola Tesla, iniziò
a produrre motori elettrici su scala industriale.
Da allora, con la diffusione dell’energia elettrica, il motore elettrico ha
contribuito allo sviluppo della società, moltiplicando le proprie tipologie di
prodotto e diffondendosi nelle più diverse applicazioni, da quelle dei
macchinari e degli impianti industriali, civili e sanitari a quelle dei prodotti di
consumo durevoli, dalle automobili agli elettrodomestici e ai sistemi
informatici. È grazie ai motori elettrici che è stata eliminata la fatica in
numerose operazioni nelle fabbriche come nelle abitazioni e sono state rese
automatiche in numero sempre crescente le funzionalità delle più diverse
applicazioni industriali e civili.
I motori elettrici nell’industria degli elettrodomestici
Anche nell’industria degli elettrodomestici i motori elettrici hanno travato un
largo impiego, sia per funzioni fondamentali, come avviene nel caso delle
lavabiancheria, in cui il motore elettrico è il cuore dell’elettrodomestico, sia
ha parts & components june 2014
The Ferrari motor for the
Babyliss hair dryer, designed
by Pino Spagnolo Design.
Asynchronous motors
In absolute, the most diffused
electric motor still remains the
traditional asynchronous singlephase motor, whose configuration
recalls the standard electrical
direct current motor, of which it
maintains the high value of static
torque and the high rotation speed.
This type of asynchronous
single-phase motor is also called
“universal motor”, since it can
operate both in alternate and in
direct current. Actually, when the
motor is powered in alternate
current, the commutator and the
rotor brushes allow keeping the
current phases aligned in the two
windings, of the stator and of the
rotor, as it happens in a direct
current motor.
Not being self-starting, these
motors are equipped not only with
the operating winding but also with
an auxiliary starting winding that
behaves like a second phase,
obtained from the same singlephase power supply with the aid of
june 2014 ha parts & components
a condenser and shifted 90° out of
phase from the first. The main
advantages of single-phase
asynchronous motors are
constituted by their compact sizes,
high static torque and high rotation
speed.
Through the use of opportune
electronic devices, in these motors
it is also possible to obtain a
constant regulation of the rotation
speed, particularly important in
some applications like those for the
washing machine drum motion.
Cage motors
It is also worth noticing that for
reduced powers we often use
single-phase asynchronous motors
whose rotor is made with winding
in short circuit, in the
configuration commonly called
“squirrel- cage”. This cage is
obtained by injecting, through a
die casting process, an aluminium
alloy into the slots of a stack of
magnetic laminations opportunely
shaped, in order to form in single
un componente strategico
per svolgere funzionalità ausiliarie,
come nei forni elettrici ventilati.
Lo stesso accade nei frigoriferi, nei
congelatori e nei prodotti per il
condizionamento degli ambienti, in
cui il motore elettrico presiede al
funzionamento del compressore che è
l’elemento da cui dipendono tutte le
prestazioni di questi
elettrodomestici, così come nelle
cappe aspiranti per cucina.
Uguale importanza, infine, è quella
ricoperta dai motori elettrici in un
gran numero di piccoli
elettrodomestici (Ped) sia d’impiego
in cucina, come i robot di cucina, i
pimer e gli spremiagrumi, che nei
prodotti per la pulizia, aspirapolvere,
scope elettriche e apparecchi a
vapore, per finire poi con i piccoli
elettrodomestici per la rasatura,
l’epilazione, il massaggio e più in
generale per la cura della persona.
In tutti questi prodotti, il motore
elettrico non rappresenta spesso il
componente più costoso, ma ne
costituisce l’elemento più critico, il
cui malfunzionamento o guasto
In the domestic ambit electric motors
are used in both big and small
appliances for the food preparation,
the house cleaning and the body care
pregiudica irreparabilmente l’utilizzo
da parte dell’utente mentre, quando
il difetto si manifesta nelle fasi di
produzione in fabbrica, costituisce un
pesante aggravio economico per il
costruttore, costretto a costosi
interventi di riparazione sul prodotto
finito. Per tutti questi motivi, i
produttori di elettrodomestici hanno
da sempre rivolto una grande
attenzione alla scelta dei fornitori, i
quali da parte loro hanno introdotto
nei propri sistemi produttivi
sofisticati sistemi di controllo di
qualità, basati spesso su tecnologie
innovative.
Il campo di applicazione dei motori
elettrici nell’industria degli
elettrodomestici è molto ampio.
Per questo è naturale che questi
componenti siano distribuiti in
numerose famiglie di prodotti, adatti
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COVER STORY
a strategic component
body both axial bars and the two
short circuit loops, upper and
lower. The main advantages of
these motors, against a minor
energy efficiency in comparison
with universal motors, are their
low cost and the simple
maintenance, due to the absence
of brushes.
Brushless motors
Today the electric asynchronous
motor is more and more often
replaced by new brushless motors
that, as their name indicates, are
without brushes, as well as with
independent excitation. In these
motors, the current commutation
in windings no more occurs
mechanically, through contacts
sliding on the bars of a commutator
positioned on the rotor, but
electronically through power
transistors controlled by a
microcontroller. Involving a higher
price than standard production,
brushless motors are characterized
by minor overall dimensions with
equal power, by minor mechanical
resistance and by higher energy
efficiency, as well as by lower
noise, reduced vibrations and
especially minor maintenance
needs. It is also worth noticing
that in this type of motor, the
permanent magnets, positioned on
the rotor and replacing the winding
under excitation, are made of
special materials that allow a very
low rotor inertia, thus permitting
to achieve a very precise control of
the motor, both in speed and in
acceleration. Due to the whole of
all these characteristics, the
brushless motor is mainly used in
those applications where are
important the energy saving, the
low noise and the absence of
vibrations, as well as naturally the
constant speed regulation. The
typical use examples are those in
washing, refrigeration, suction and
domestic ventilation appliances, as
well as in the environment
conditioning. Among the most
recent applications, in which the
low energy consumption favours
the use of brushless motors, we
should finally remind those of
“wireless” household appliances,
first of all vacuum cleaners’ and
electric brooms’.
The washing machine motor
Among all electrical motors that
find applications in the household
appliance industry, the one used in
washing machines is undoubtedly
the most important, both due to
the power at stake and the
complexity of the functions
characterizing it. In washing
machines, in fact, the electrical
motor that operates the drum
a ciascuna specifica applicazione e
tecnologicamente assai diversi tra
loro.
I motori asincroni
In assoluto, il motore elettrico più
diffuso resta ancora il tradizionale
motore monofase asincrono, che si
richiama nella sua configurazione al
classico motore elettrico a corrente
continua, di cui mantiene l’elevato
valore della coppia di spunto e
l’elevata velocità di rotazione.
Questo tipo di motore monofase
asincrono è anche chiamato “motore
universale”, potendo funzionare sia
in corrente alternata che in corrente
continua. Infatti, quando il motore è
alimentato in corrente alternata, il
collettore a lamelle e le spazzole del
rotore consentono di mantenere
allineate le fasi della corrente nei
due avvolgimenti, dello statore e del
rotore, così come avviene in un
motore a corrente continua.
Non essendo auto-avvianti,
generalmente questi motori sono
dotati, in parallelo all’avvolgimento
di lavoro, di un avvolgimento
ausiliario di avviamento che si
comporta come una seconda fase,
ricavata dalla stessa alimentazione
monofase con l’ausilio di un
condensatore e sfasata rispetto alla
prima di 90°. I principali vantaggi dei
motori asincroni monofase sono
costituiti dalle dimensioni compatte,
da una coppia elevata allo spunto e
dall’alta velocità di rotazione. Con
l’impiego di opportuni dispositivi
elettronici, è anche possibile
ottenere in questi motori una
regolazione continua della velocità di
rotazione, particolarmente
importante in alcune applicazioni
come quelle della movimentazione
del cestello delle lavabiancheria.
I motori a gabbia
Si deve anche osservare come, per
potenze ridotte, si utilizzano spesso
motori asincroni monofase il cui
rotore è realizzato con un
avvolgimento in corto circuito, nella
configurazione chiamata
comunemente “a gabbia di
scoiattolo”. Questa gabbia è ottenuta
iniettando con un processo di
pressofusione una lega di alluminio
nelle cave di un pacco di lamierini
magnetici opportunamente
sagomato, così da formare in un solo
corpo sia le barre assiali sia i due
anelli di corto circuito, superiore e
inferiore. I principali vantaggi di
questi motori, a fronte di una minore
efficienza energetica rispetto ai
motori universali, sono il basso costo
e la semplicità di manutenzione, per
via dell’assenza delle spazzole.
I motori brushless
Sempre più spesso il motore elettrico
asincrono è oggi sostituito dai nuovi
The most diffused electric motor in household applications is the
standard single-phase asynchronous motor, in the execution with
both wound rotor and “squirrel cage” rotor.
Detail of a “squirrel cage” rotor, where the rotor winding is formed
by a die-cast aluminium structure, embedded into a stack of
magnetic laminations.
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ha parts & components june 2014
un componente strategico
together with the related
electronic devices for its
regulation, constitutes the core of
the product.
In most cases it is a universal
alternate current motor, with
commutator with bars and brushes,
generally positioned in the lower
part of the washing machine and
mechanically connected with the
linen drum by means of pulleys and
transmission belt. In some cases,
however, in high-end washing
machines recently designed, also
brushless motors with permanent
magnets, directly assembled on the
rotation axis of the machine drum,
find application.
In any case, to assure the various
functions of the washing
machine, it is necessary to
make use of an effective
system for the regulation of
the drum speed and then
of the motor. This is
important not only to
generate the various
washing and spin-drying
speeds, but also to allow a
gradual start and stop of the
rotation, in order to limit machine
vibrations. Besides, once the drum
is moving, with the characteristics
provided for by each programme
phase, the control system must
provide for stabilizing the rotation
rate, compensating the fluctuations
that derive from the variable load
and from the interaction of the
drum agitators with the linen and
with the washing water. The
regulation of the rotation speed of
the universal motor in the various
phases of the operation cycle
(start, stop, washing and spindrying), is obtained by modulating
the alternate electrical current of
the power supply by means of
electronic power devices (triacs),
in their turn controlled by the
microprocessor that controls the
washing machine programming.
The electronic control system, in
most cases, is of “closed loop” type
(feedback system), using for this
the signal of a tachometer sensor.
The quality control
Over the years, quality control
systems in the household appliance
industry have undergone a constant
evolution, involving innovative
technologies both in relation to the
finished product manufacturing and
the component supply, among
june 2014 ha parts & components
Typical
asynchronous
motor for washing
machine,
entrusted with
the function of
moving the
machine drum.
which the electric motor
undoubtedly holds the highest
importance. We talked with Marco
Pacenti and with Lucia Arcaleni,
respectively Business Unit Manager
and R&D Engineer of Loccioni
Group, which has been operating in
this field for over forty years, about
the latest technological
developments and the applications
of measuring and control systems in
the household appliance industry.
What are the current market
trends?
Even if gradually, the investments
in process technologies by the
industries producing household
appliances have started growing
again. In particular, in the sector of
quality control systems, besides the
standard systems concerning safety
and functional tests, new
requirements are more and more
often emerging.
In this case, what are the tests
most frequently demanded?
Besides the main appliance
functions, producers are interested
in testing the user interface,
concerning for instance the
pushbutton sensitivity and more in
general all that can be included in
the definition of “perceived
quality” by customers.
motori brushless, che come dice il
loro nome sono motori elettrici privi
di spazzole, oltre che a eccitazione
indipendente. In questi motori, la
commutazione della corrente negli
avvolgimenti non avviene più per via
meccanica tramite contatti striscianti
sulle lamelle di un collettore posto
sul rotore, ma elettronicamente
tramite transistori di potenza
comandati da un microcontrollore.
A prezzo di un maggior costo rispetto
alla soluzione tradizionale, i motori
brushless sono caratterizzati da
minori ingombri a pari potenza, da
una minore resistenza meccanica e
da una maggiore efficienza
energetica, oltre che da un minor
rumore, ridotte vibrazioni e
soprattutto da una minore esigenza
di manutenzione.
Si deve anche notare come in questo
tipo di motore i magneti permanenti,
posizionati sul rotore e che
sostituiscono l’avvolgimento di
eccitazione, sono realizzati con
speciali materiali che consentono di
avere un’inerzia rotorica molto
bassa, cosa che permette di avere un
controllo estremamente preciso del
motore, sia in velocità che in
accelerazione.
Per l’insieme di tutte queste
caratteristiche, il motore brushless è
utilizzato soprattutto in quelle
applicazioni in cui sono importanti il
risparmio energetico, la bassa
rumorosità e l’assenza di vibrazioni,
oltre naturalmente la regolazione
continua della velocità. Gli esempi
tipici d’impiego sono quelli degli
elettrodomestici del lavaggio, del
freddo, dell’aspirazione e della
ventilazione domestica, oltre che del
condizionamento degli ambienti.
Tra le applicazioni più recenti, in cui
il basso consumo energetico favorisce
l’impiego di motori brushless, si
devono infine ricordare quelle degli
elettrodomestici “wireless”, primi
fra tutti quelli degli aspirapolvere e
delle scope elettriche.
Il motore della lavatrice
Fra tutti i motori elettrici che
trovano impiego nell’industria degli
elettrodomestici, quello utilizzato
nelle lavatrici è senza dubbio il più
importane, sia per la potenza in
gioco che per la complessità delle
funzioni che lo caratterizzano. Nella
lavatrice, infatti, il motore elettrico
che movimenta il cestello insieme ai
relativi dispositivi elettronici per la
sua regolazione, costituisce il cuore
del prodotto.
Nella maggioranza dei casi si tratta
di un motore universale a corrente
alternata, con collettore a lamelle e
spazzole, generalmente posizionato
nella parte inferiore della lavatrice e
collegato meccanicamente al cestello
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COVER STORY
a strategic component
In comparison with the past, what
are the differences in current
control methodologies?
Today, “contactless” measuring
systems are gaining more and
more space, like vision systems,
laser systems and thermography
systems, which have proved to be
particularly suitable for the new
high-automation process systems.
In these instruments, the data
collection phase is accompanied
by a processing and analysis
phase, with the use of cuttingedge software able to permit an
integrated management of the
“on process” quality and
accelerated testing of finished
products.
This bench, for tests on stators for
refrigerator compressor motors, provides
for tests of electrical safety,
magnetization and rotation control
(Loccioni Group implementation).
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What do you mean with
“integrated quality
management”?
We can find the most significant
example of this concept in the
European project “Grace”, ended
in June last year. This project, of
which prof. Paone of Marche
Polytechnic University was
coordinator and Cristina Cristalli,
engineer and Loccioni Innovation
Director, was the technicalscientific manager, involved three
scientific partners (Marche-Italy
Polytechnic University, Polytechnic
Institute in Braganca-Portugal and
the Sintef Research CentreNorway), together with three
industrial partners (Loccioni-Italia
Group, Whirlpool Europe- Italia and
Siemens AG-Germany).
Grace is a modular production line
control system, with particular
characteristics of intelligence,
flexibility and re-configurability.
della biancheria tramite pulegge e
cinghia di trasmissione. In alcuni casi,
tuttavia, nelle lavatrici di alta
gamma e di più recente
progettazione, trovano impiego
anche motori brushless a magneti
permanenti, montati direttamente
sull’asse di rotazione del cestello
della macchina.
In ogni caso, per assicurare le varie
funzionalità della lavatrice è
necessario disporre di un efficace
sistema di regolazione della velocità
del cestello e quindi del motore.
Questo è importante non soltanto per
generare le diverse velocità di
lavaggio e di centrifuga, ma anche
per consentire un avvio e un arresto
graduale della rotazione così da
limitare le vibrazioni della macchina.
Inoltre, una volta che il cestello è in
movimento, con le caratteristiche
previste da ciascuna fase del
programma, il sistema di controllo
deve provvedere a stabilizzarne il
regime di rotazione compensando le
fluttuazioni che derivano dal carico
variabile e dall’interazione degli
agitatori del cestello con la
biancheria e con l’acqua di lavaggio.
La regolazione della velocità di
rotazione del motore universale nelle
diverse fasi del ciclo di lavoro (avvio,
arresto, lavaggio e centrifuga), è
ottenuta modulando la corrente
elettrica alternata di alimentazione
per mezzo di dispositivi elettronici di
potenza (triac), a loro volta
controllati dal microprocessore che
presiede alla programmazione della
lavatrice. Il sistema di controllo
elettronico, nella maggior parte dei
casi, è del tipo “ad anello chiuso”
(sistema in retroazione), utilizzando
per questo il segnale di un sensore
tachimetrico.
Il controllo della qualità
I sistemi di controllo della qualità
nell’industria degli elettrodomestici
hanno subito nel corso degli anni una
continua evoluzione, coinvolgendo
tecnologie innovative sia in relazione
alla fabbricazione del prodotto finito
che alla fornitura dei componenti,
tra i quali il motore elettrico è
indubbiamente quello di maggiore
rilevanza. Degli sviluppi tecnologici
più recenti e delle applicazioni dei
sistemi di misura e controllo
nell’industria degli elettrodomestici
abbiamo parlato con Marco Pacenti e
con Lucia Arcaleni, rispettivamente
Business Unit Manager e R&D
Engineer del Gruppo Loccioni, che in
questo campo opera da oltre
quarant’anni.
Quali sono le attuali tendenze del
mercato?
Sia pure gradualmente, gli
investimenti in tecnologie di processo
da parte delle industrie produttrici di
elettrodomestici hanno ripreso a
crescere. In particolare, nel
comparto dei sistemi di controllo
della qualità, accanto ai sistemi
tradizionali relativi ai test di
sicurezza e ai test funzionali, si
manifestano sempre più spesso nuove
esigenze.
In questo caso quali sono i test
richiesti più frequentemente?
Oltre alle principali funzionalità
degli apparecchi, i produttori sono
interessati a verificare l’interfaccia
con l’utente, relativa ad esempio alla
sensibilità dei pulsanti e più in
generale a tutto ciò che può
rientrare nella definizione di “qualità
percepita” dal cliente.
ha parts & components june 2014
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a strategic component
Thanks to the development and the
implementation of a Multi-Agent
System (MAS) of collaborative type,
the factory automation succeeds in
integrating the process control with
the quality control, improving the
performances of the productive
system in its whole, also thanks to
the implementation of selfadaptation and self–learning
mechanisms.
The production control of electric
motors
The complete production control
belongs to today’s consolidated
tendency of assembling finished
products, for which motors
themselves are intended, starting
from absolutely defect-free
components and subsystems and
fully complying with designers’
specifications. The replacement
cost of the defective component
at the end of the assembly
process, in fact, would be
economically very burdensome,
as well as cause of various
managerial and logistic problems.
It also for this reason that electric
motors undergo severe controls
during the production process.
Controls that start with the
preliminary tests of their parts:
stator and rotor. Stator and rotor
are subjected to electrical safety
tests and to the check of the
absence of insulation problems,
winding defects and short
circuits, as well as the control of
the correct winding of coils and of
the magnetization state of
possible magnets. These tests are
then followed by the testing of
the assembled electric motor,
whose most innovative
technologies were discussed with
Lucia Arcaleni, R&D Engineer of
Loccioni Group.
How much is this industrial
ambit important for Loccioni
Group?
It is in absolute terms, both for the
relevance of the electric motor
production on a world scale and for
the transversal character of
applications, which range from the
household appliance sector to the
automotive industry, just to
mention the most important ones.
What are the most innovative
technologies that you use in this
field?
To understand the innovation level
that the market exacts from us, it
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Marco Pacenti and Lucia Arcaleni are
respectively Business Unit Manager
and R&D Engineer of Loccioni Group.
is first of all necessary to consider
that, due to the high quality
requested at the line end, the
step-by-step control of the motor
during its production is more and
more important, from single
components up to the finished
product. For this reason, a couple
of years ago Loccioni Group started
Rispetto al passato, quali sono le
differenze nelle attuali
metodologie di controllo?
Oggi, trovano sempre più spazio
sistemi di misura “senza contatto”,
come i sistemi di visione, i sistemi
laser e i sistemi termografici, che si
sono dimostrati essere
particolarmente adatti ai nuovi
sistemi di processo ad alta
automazione. In questi sistemi, la
fase di raccolta dei dati si
accompagna a una fase di
elaborazione e analisi, con l’impiego
di software evoluti in grado di
consentire una gestione integrata
della qualità “on process” e collaudi
accelerati dei prodotti finiti.
Che cosa s’intende per “gestione
integrata della qualità”?
L’esempio più significativo di questo
concetto lo si ritrova nel progetto
europeo “Grace”, concluso nel giugno
dello scorso anno. Questo progetto,
di cui era coordinatore il prof. Paone
dell’Università Politecnica delle
Marche e responsabile tecnico
scientifico l’ing. Cristina Cristalli,
Direttore Innovazione Loccioni, ha
coinvolto tre partner scientifici
(Università Politecnica delle
Marche-Italia, Istituto Politecnico di
Braganca-Portogallo e il Centro di
Ricerca Sintef- Norvegia), insieme a
tre partner industriali (Gruppo
Loccioni-Italia, Whirlpool EuropeItalia e Siemens AG-Germania).
Grace è un sistema di controllo della
Measuring chain for lab bench,
equipped with magnetic induction
brake, with electric motor under test
(Loccioni Group implementation)
linea di produzione modulare, con
particolari caratteristiche di
intelligenza, flessibilità e
riconfigurabilità. Grazie allo sviluppo
e all’implementazione di un Sistema
Multi-Agente (MAS) di tipo
collaborativo, l’automazione a livello
di fabbrica riesce a integrare il
controllo di processo con il controllo
di qualità, migliorando le
performance del sistema produttivo
nel suo complesso, grazie anche
all’implementazione di meccanismi
di auto-adattamento e self–learning.
Il controllo di produzione
dei motori elettrici
Il completo controllo di produzione
dei motori elettrici rientra nella
tendenza ormai consolidata di
assemblare i prodotti finiti, cui gli
stessi motori sono destinati,
partendo da componenti e
sottosistemi assolutamente privi di
difetti e rispondenti in tutto alle
specifiche dei progettisti. Il costo di
sostituzione del componente
difettoso alla fine del processo di
assemblaggio, infatti, risulterebbe
economicamente molto gravoso,
oltre che motivo di vari problemi
gestionali e logistici.
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directly supplying the whole
assembly line and no more single
test benches, in order to grant the
continuous measuring-assembling
integration. With this preliminary
condition, talking of technology, a
production line generally starts
with the standard tests of winding
insulation and electrical safety
verification (on the stator, on the
rotor and on the finished product)
and it finally ends with noise and
vibration measurements for the
identification of mechanical
defects (bearings, air gap defects,
unbalances), acquisition of
current/voltage in absorption or in
generation (counter electromotive
force), of the characteristic
torque/speed and then of
efficiency. As far as the assembly is
concerned, the controls to be
carried out clearly vary from
customer to customer, depending
on the needs and the reference
market.
Do you use innovative
technologies for these
measurements?
The direct noise measuring would
require the use of an anechoic
chamber to reduce the background
noise of the production
environment, whose installation is
not however simple in line. For this
reason we turn to the measurement
of different parameters, like
vibrations, which are anyway
strictly related to the noise ones,
considering also that the
parallelism between vibration
measurements and acquisition of
current/voltage data is of great
interest.
How does measuring take place in
practice?
For measuring the vibrations of a
motor while in operation we turn
to the use of an accelerometer or
of a Laser-Doppler vibrometer, with
which, projecting a laser beam on
the surface of interest, we evaluate
the vibration of the same through
the interference between laser
beam emitted and the reflected
one. The detected data then
undergo either time or frequency
analyses, FFT, Power Spectrum,
STFT, and so on.
How do you proceed concerning
performances?
Among the various tests, the motor
torque measuring is very
significant. This measurement can
be executed in lab with the use of
a brake. This is not always possible
in production, for instance due to
the limits of the cycle time, or
because the customer interfaces of
the piece are not accessible. For
this reason we turn to alternative
methods with which to survey the
torque information from the
measurement of the same in
starting phase without braking load
(with all the limits connected with
the low inertia), or from the motor
voltage/current measuring. Still
remaining in the torque
measurement, it is of particular
interest the assessment of the
torque ripples (oscillations)
connected for instance with the
magnetic field interactions at the
air gap with the motor geometry, or
with the mechanic unbalance or
the possible deformations of the
magnetic field.
È anche per questo che i motori
elettrici sono oggi oggetto di severi
controlli durante il processo di
produzione. Controlli che iniziano
con i test preliminari delle loro
parti: statore e rotore. Statore e
rotore sono sottoposti a prove di
sicurezza elettrica e alla verifica
dell’assenza di problemi
d’isolamento, difetti sugli
avvolgimenti e cortocircuiti, oltre
alla verifica del corretto
avvolgimento delle bobine e dello
stato di magnetizzazione degli
eventuali magneti. A queste prove
segue quindi il collaudo del motore
elettrico assemblato, le cui
tecnologie più innovative sono state
discusse con Lucia Arcaleni, R&D
Engineer del Gruppo Loccioni.
Quanto è importante per il Gruppo
Loccioni questo comparto
industriale?
Lo è in termini assoluti, sia per la
rilevanza a livello mondiale della
produzione di motori elettrici, sia
per la trasversalità delle
applicazioni, che vanno dal settore
degli elettrodomestici a quello
dell’industria automotive, solo per
citare le più importanti.
Quali sono le tecnologie più
innovative che voi impiegate in
questo campo?
Per comprendere il livello innovativo
che il mercato ci richiede, occorre
prima di tutto considerare che, data
l’elevata qualità richiesta a fine
linea, è sempre più importante il
controllo step-by-step del motore
durante la sua produzione, dai
singoli componenti fino al prodotto
finito. Per questo motivo il Gruppo
Loccioni ha iniziato da un paio di
anni a fornire direttamente tutta la
linea di assemblaggio e non più solo
i singoli banchi di test, in modo tale
da garantire l’integrazione continua
misura-assemblaggio. Con questo
presupposto, passando alla
tecnologia, una linea di produzione
parte in genere con i test classici di
verifica dell’isolamento degli
avvolgimenti e di sicurezza elettrica
(sullo statore, sul rotore quando
necessario, e sul prodotto finito) e si
conclude con le misure di rumore e
vibrazioni per l’individuazione di
difetti meccanici (cuscinetti, difetti
al traferro, sbilanciamenti),
acquisizione di corrente/tensione in
assorbimento o in generazione
(forza controelettromotrice), della
caratteristica coppia/velocità e
quindi dell’efficienza. Riguardo
l’assemblaggio chiaramente i
controlli da effettuare variano da
cliente a cliente, in base alle
esigenze e al mercato di
riferimento.
Per queste misurazioni utilizzate
tecnologie innovative?
La misura diretta del rumore
richiederebbe l’utilizzo di una
camera anecoica per ridurre il
rumore di fondo dell’ambiente di
produzione, la cui installazione
tuttavia non è sempre semplice in
linea. Per questo ricorriamo alla
misura di parametri diversi, come le
vibrazioni, che sono tuttavia
strettamente correlati a quelli del
rumore, considerando oltretutto che
è di grande interesse il parallelismo
tra misure vibrazionali e acquisizione
dei dati corrente/tensione.
Come avviene praticamente la
misura?
Per la misura delle vibrazioni di un
motore in funzionamento si ricorre
all’impiego di un accelerometro o di
un vibrometro Laser-Doppler, con cui
proiettando un raggio laser sulla
superficie di interesse si valuta la
vibrazione della stessa attraverso
l’interferenza tra il raggio laser
emesso e quello riflesso. I dati
rilevati sono quindi sottoposti o ad
analisi nel tempo o ad analisi in
frequenza, FFT, Power Spectrum,
STFT, e così via.
Come procedete per quanto
relativo alle prestazioni?
Tra le diverse prove è
particolarmente significativa la
misura della coppia del motore.
Questa misura può essere effettuata
in laboratorio con l’impiego di un
freno. Ciò non è sempre possibile in
produzione, ad esempio a causa dei
limiti nel tempo ciclo, oppure perché
non sono accessibili le interfacce
cliente del pezzo. Per questo si
ricorre a metodi alternativi con cui
rilevare le informazioni di coppia
dalla misura della stessa in fase di
avvio senza carico frenante (con tutti
i limiti legati alla bassa inerzia),
oppure dalle misure di tensione/
corrente del motore. Di particolare
interesse, rimanendo nelle misure di
coppia, è la valutazione dei ripple
(oscillazioni) di coppia legati ad
esempio alle interazioni del campo
magnetico al traferro con la
geometria del motore, o allo
sbilanciamento meccanico e alle
eventuali deformazioni del campo
magnetico.
© RIPRODUZIONE RISERVATA
ha parts & components june 2014

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