Scelta del motore elettrico passo passo: da due righe di dati macchina alla riga d'ordine

Un mangimificio installa un nuovo mescolatore orizzontale. Le informazioni fornite dall'azienda che ha progettato la macchina sono due righe: l'albero del mescolatore girerà a 45 giri al minuto e con la vasca completamente piena servirà sull'albero una coppia di circa 1600 Nm. Il responsabile della manutenzione non ha né la potenza del motore, né la velocità, né la forma costruttiva. In questo articolo seguiamo il percorso che parte da queste due righe e arriva alla descrizione completa del motore da scrivere nell'ordine, mostrando come ogni decisione influisce sulla successiva.

Un mescolatore come esempio, ma la logica è la stessa per un trasportatore, una pompa o un ventilatore: prima ciò che chiede la macchina, poi a quale velocità e con quale potenza il motore lo fornirà, quindi la compatibilità elettrica e meccanica, infine ambiente e documentazione.

Cosa chiede la macchina: velocità, coppia e natura del carico

La prima domanda nella scelta del motore non è "quanti kW?", ma "quale coppia chiede la macchina all'albero e a quale velocità?". La potenza si ricava da questi due valori. La formula generale è P (kW) ≈ M (Nm) × n (giri/min) / 9550. Per il mescolatore si ottiene 1600 × 45 / 9550 ≈ 7,5 kW. Questa è la potenza richiesta dall'albero del mescolatore, non quella che deve erogare il motore.

Nella stessa fase va annotata anche la natura del carico. Il mescolatore è un carico a coppia costante: anche se la velocità cala, la coppia richiesta diminuisce poco. Inoltre, dopo un'interruzione di corrente, può dover ripartire con la vasca piena. Queste due informazioni determineranno più avanti sia il margine di potenza sia il metodo di avviamento. Come trovare la potenza richiesta all'albero da pompe, ventilatori e trasportatori è spiegato con esempi nell'articolo sul calcolo della potenza del motore.

Il ponte tra la velocità del motore e quella della macchina

Nessun motore asincrono gira a 45 giri al minuto; la differenza viene colmata da un riduttore, da una trasmissione a cinghia e pulegge o da una combinazione dei due. Qui entra in gioco la scelta del numero di poli. Su rete a 50 Hz un motore a 4 poli gira a una velocità sincrona di circa 1500 giri/min, uno a 6 poli a circa 1000 giri/min; la velocità reale sotto carico è leggermente inferiore.

• Con un motore a 4 poli, assumendo una velocità di targa di circa 1460 giri/min, il rapporto di riduzione necessario è di circa 1460 / 45 ≈ 32,4.
• Con un motore a 6 poli e una velocità di targa di circa 970 giri/min, il rapporto scende a circa 21,6.

A parità di potenza il motore a 6 poli è più grande e in genere più costoso; il motore a 4 poli è la serie più diffusa e anche il ricambio si trova facilmente. La decisione si prende spesso sul lato riduttore: il numero di poli del motore si adegua al rapporto standard della famiglia di riduttori scelta. La scelta di rapporto, coppia in uscita e tipo di riduttore è trattata a parte nella guida alla scelta del riduttore. In questo esempio proseguiamo con un motore a 4 poli e un riduttore coassiale a ingranaggi elicoidali.

Decidere il gradino di potenza

Ai 7,5 kW dell'albero del mescolatore vanno aggiunte le perdite del riduttore. Nei riduttori a ingranaggi elicoidali il rendimento è in genere elevato; assumendo per semplicità di calcolo il 95%, all'albero motore servono circa 7,9 kW. Poiché i gradini standard di potenza sono 7,5 e 11 kW, il motore da 7,5 kW risulta insufficiente già sulla carta.

C'è un ulteriore motivo per salire a 11 kW: l'avviamento a vasca piena. Questo carico può richiedere al motore, all'avviamento, una coppia superiore a quella nominale. La coppia nominale di un motore a 4 poli da 11 kW è di circa 9550 × 11 / 1460 ≈ 72 Nm. L'adeguatezza della coppia di avviamento si verifica confrontando il rapporto di coppia di spunto indicato nel catalogo del motore con il fabbisogno di avviamento fornito dal costruttore della macchina. Il rapporto tra coppia di avviamento e metodo di avviamento è trattato nell'articolo sulle classi di coppia e sulla coppia di spunto.

Nel definire il margine di potenza anche l'errore opposto va evitato. Scegliere 15 kW "tanto meglio abbondare" fa lavorare il motore costantemente a basso carico; rendimento e fattore di potenza calano, quadro e cavi diventano inutilmente grandi.

Classe di efficienza: in base alle ore di funzionamento

Il mescolatore lavorerà su due turni al giorno, circa 4000 ore all'anno. Per un motore a 4 poli da 11 kW i limiti di rendimento secondo IEC 60034-30-1 sono 91,4% in IE3, 93,3% in IE4 e 94,6% in IE5. Con il motore che lavora a un carico di circa 8 kW, in queste ore di funzionamento la differenza tra IE3 e IE4 è, con un calcolo approssimativo, dell'ordine di 700–1000 kWh all'anno; non così marcata come in un ventilatore che lavora su tre turni. La decisione si prende insieme alla differenza di prezzo e agli obiettivi energetici dello stabilimento. Poiché le serie trifase HEM Motor sono offerte in IE3, IE4 e IE5 con lo stesso sistema di carcasse, la scelta della classe di efficienza non cambia le quote meccaniche.

Compatibilità elettrica: tensione, collegamento e avviamento

La rete dello stabilimento è a 400 V. Secondo le informazioni di catalogo, su rete a 400 V i motori fino a 3 kW si collegano a stella, quelli da 4 kW in su a triangolo; il motore da 11 kW lavorerà quindi a triangolo. Qui occorre guardare il quadro:

• Se il quadro sarà realizzato con avviatore stella-triangolo, il motore deve essere avvolto per lavorare a triangolo a 400 V, cioè avere targa 400/690 V. Un motore con avvolgimento 230/400 V non può avviarsi correttamente con questo quadro.
• Se si usano un soft starter o un convertitore di frequenza, la tensione dell'avvolgimento deve comunque corrispondere alla rete, ma il collegamento resta fisso in morsettiera.

Poiché il carico all'avviamento è pesante, qui lo stella-triangolo va valutato con attenzione: nella fase a stella la coppia del motore scende a circa un terzo e può non bastare a far girare la vasca piena. In questo esempio un metodo con coppia di avviamento regolabile (soft starter o azionamento) è una scelta più sicura. Per i dettagli del collegamento può consultare lo schema di collegamento stella-triangolo.

Compatibilità meccanica: forma costruttiva, carcassa e albero

Se il motore si collega direttamente al riduttore, la forma costruttiva la stabilisce il riduttore. Il motore collegato alla flangia d'ingresso IEC di un riduttore a ingranaggi elicoidali con piedi è di solito flangiato B5; il motore non ha piedi propri e il suo carico è sostenuto dal riduttore. Se il motore poggia su un basamento separato e si collega con un giunto, si sceglie un motore B3 con piedi. Se servono sia piedi sia flangia, si considera il B35.

Secondo le tabelle IEC, un motore a 4 poli da 11 kW ha di solito grandezza 160; il numero di grandezza indica in millimetri l'altezza dell'asse dell'albero dalla base. Diametro dell'albero motore, linguetta e dimensione della flangia devono corrispondere esattamente al foro d'ingresso del riduttore. Questa corrispondenza si verifica affiancando i disegni dimensionali di riduttore e motore; dire solo "grandezza 160 B5" non basta.

In questa fase si chiarisce anche su quale lato resterà la morsettiera. Se il mescolatore viene installato vicino a una parete, l'ingresso cavi non deve essere rivolto verso la parete.

Ambiente: polvere, temperatura e pulizia

Nel mangimificio ci sono polvere di farina e crusca, il mescolatore è in un edificio chiuso e nei mesi estivi la temperatura del reparto arriva a 35 °C. La serie trifase standard è progettata sulla base della protezione IP55 e di una temperatura ambiente tra −15 °C e +40 °C; queste condizioni rientrano nei limiti standard. Due punti vanno comunque annotati nell'ordine:

• Se la polvere si accumula tra le alette della carcassa e sul copriventola, il raffreddamento diminuisce. Il piano di pulizia fa parte della scelta del motore.
• Se la temperatura ambiente supererà i 40 °C o lo stabilimento si trova oltre i 1000 m, può essere necessario un declassamento o una potenza superiore; questa informazione va fornita prima dell'ordine.

Se nello stabilimento è definita una zona con atmosfera esplosiva a causa di polveri combustibili, il motore standard non può essere usato in quella zona. Il motore Ex è un prodotto con certificazione separata e questa esigenza va discussa a parte con il team tecnico.

La descrizione da scrivere nell'ordine

Al termine di queste decisioni la riga d'ordine è simile a questa: 11 kW, 4 poli (≈1500 giri/min), IE3, 400/690 V (triangolo a 400 V), 50 Hz, flangia B5, grandezza 160, IP55, classe di isolamento F, S1, morsettiera lato destro; si allega il disegno dimensionale di flangia d'ingresso e foro albero del riduttore. Nella descrizione si aggiunge anche che funzionerà con soft starter o azionamento e che l'avviamento può avvenire a vasca piena.

Quali informazioni vanno assolutamente comunicate nella richiesta d'offerta lo abbiamo raccolto nell'articolo dati da fornire nella richiesta d'offerta, mentre gli esempi di ordini incompleti frequenti sul campo sono nell'articolo cosa considerare quando si acquista un motore.

Conclusione

La scelta del motore non è compilare un modulo, ma una catena di decisioni collegate: coppia e velocità della macchina determinano il rapporto del riduttore, il rapporto del riduttore il numero di poli, la condizione di avviamento la potenza e il metodo di avviamento, l'ingresso del riduttore la forma costruttiva. Se le due informazioni all'inizio della catena sono corrette, il resto si ricava con il calcolo. Per le applicazioni con riduttore può dare un'occhiata ai riduttori coassiali a ingranaggi elicoidali con piedi serie M-HEM e definire la descrizione della Sua applicazione insieme al nostro team tecnico.

Domande frequenti

Se il costruttore della macchina fornisce solo i kW, come scelgo il motore?

Oltre ai kW chieda anche la velocità richiesta all'albero della macchina; insieme danno la coppia. Un motore acquistato solo in base ai kW, senza conoscere la velocità, fa girare la macchina alla velocità sbagliata quando il rapporto del riduttore o delle pulegge non corrisponde.

Se la potenza calcolata cade tra due gradini, quale devo scegliere?

Di norma si sceglie il gradino superiore, soprattutto con avviamenti pesanti o carichi a urti. Scegliere però un motore molto più grande della potenza calcolata riduce rendimento e fattore di potenza a causa del funzionamento a basso carico.

Devo scegliere un motore a 4 poli o a 6 poli?

Se la macchina gira lentamente, entrambe le opzioni sono possibili con un riduttore. Il motore a 4 poli è l'opzione più diffusa, più piccola e con ricambi facili da trovare; il motore a 6 poli riduce invece il rapporto del riduttore. La decisione si prende spesso in base ai rapporti standard del riduttore.

Se il motore si collega a un riduttore, chi stabilisce la forma costruttiva?

La stabilisce il tipo di ingresso del riduttore. Con ingresso a flangia IEC il motore è di solito flangiato B5 o B14; quale flangia e quale dimensione d'albero servono si legge dal disegno dimensionale del riduttore.

Valori da usare nella scelta: tabella delle coppie (carico della macchina), tabella delle correnti (quadro e cavi), tabella grandezza – potenza (montaggio). Una volta individuato il Suo motore può vedere il prezzo e ordinarlo.