La costante del motore aiuta nella scelta dei motori a corrente continua nelle applicazioni di controllo del movimento. I motori a corrente continua con e senza spazzole sono un'ottima scelta per applicazioni che richiedono potenza o efficienza.

Spesso, la scheda tecnica di un motore o di un generatore a corrente continua include la costante del motore Km, ovvero la sensibilità alla coppia divisa per la radice quadrata della resistenza dell'avvolgimento. La maggior parte dei progettisti considera questa proprietà intrinseca del motore come un valore di merito esoterico, utile solo per il progettista del motore, senza alcun valore pratico nella scelta dei motori a corrente continua.

Ma il Km può contribuire a ridurre il processo iterativo nella selezione di un motore a corrente continua, poiché è generalmente indipendente dall'avvolgimento in un dato caso o taglia di telaio. Anche nei motori a corrente continua senza ferro, dove il Km dipende dall'avvolgimento (a causa delle variazioni del fattore di riempimento in rame), rimane uno strumento valido nel processo di selezione.

Poiché il Km non tiene conto delle perdite in un dispositivo elettromeccanico in tutte le circostanze, il Km minimo deve essere maggiore di quello calcolato per compensare tali perdite. Questo metodo è anche un buon metodo di verifica della realtà, perché obbliga l'utente a calcolare sia la potenza in ingresso che quella in uscita.

La costante del motore riguarda la natura elettromeccanica fondamentale di un motore o di un generatore. Selezionare un avvolgimento adatto è semplice dopo aver determinato una custodia o una dimensione del telaio sufficientemente potente.

La costante del motore Km è definita come:

Km = KT/R0,5

In un'applicazione con motore a corrente continua con potenza disponibile limitata e coppia nota richiesta all'albero motore, verrà impostato il Km minimo.

Per una data applicazione motoria i Km minimi saranno:

Km = T / (PIN – POUT)0,5

La potenza immessa nel motore sarà positiva. Il PIN è semplicemente il prodotto di corrente e tensione, supponendo che non vi sia sfasamento tra di esse.

PIN = VXI

La potenza in uscita dal motore sarà positiva, poiché fornisce energia meccanica ed è semplicemente il prodotto della velocità di rotazione e della coppia.

POUT = ω XT

Un esempio di controllo del movimento include un meccanismo di azionamento a portale. Utilizza un motore a corrente continua coreless da 38 mm di diametro. Si decide di raddoppiare la velocità di rotazione senza modificare l'amplificatore. Il punto operativo attuale è di 33,9 mN-m (4,8 oz-in.) e 2.000 giri/min (209,44 rad/sec) e la potenza in ingresso è di 24 V a 1 A. Inoltre, non è accettabile alcun aumento delle dimensioni del motore.

Il nuovo punto operativo sarà al doppio della velocità e con la stessa coppia. Il tempo di accelerazione è una percentuale trascurabile del tempo di movimento e la velocità di rotazione è il parametro critico.

Calcolo dei Km minimi

Km = T / (PIN – POUT)0,5

Km = 33,9 X 10-3 Nm / (24 VX 1A -

418,88 rad/sec X 33,9 X 10-3 Nm) 0,5

Km = 33,9 X 10-3 Nm / (24 W – 14,2 W) 0,5

Km = 10,83 X 10-3 Nm/√W

Considerare le tolleranze della costante di coppia e della resistenza dell'avvolgimento. Ad esempio, se la costante di coppia e la resistenza dell'avvolgimento hanno tolleranze del ±12%, la Km nel caso peggiore sarà:

KMWC = 0,88 KT/√(RX 1,12) = 0,832 Km

o quasi il 17% al di sotto dei valori nominali con avvolgimento freddo.

Il riscaldamento degli avvolgimenti ridurrà ulteriormente il Km poiché la resistività del rame aumenta di quasi lo 0,4%/°C. E per aggravare il problema, il campo magnetico si attenuerà con l'aumentare della temperatura. A seconda del materiale del magnete permanente, questa attenuazione potrebbe arrivare fino al 20% per un aumento di temperatura di 100°C. L'attenuazione del 20% per un aumento di temperatura di 100°C si verifica per i magneti in ferrite. Il neodimio-boro-ferro ne ha l'11% e il samario-cobalto circa il 4%.

È interessante notare che, a parità di potenza meccanica in ingresso, se l'obiettivo è un'efficienza dell'88%, la km/h minima passerebbe da 1,863 Nm/√W a 2,406 Nm/√W. Ciò equivale ad avere la stessa resistenza dell'avvolgimento ma una costante di coppia superiore del 29%. Maggiore è l'efficienza desiderata, maggiore è la km/h richiesta.

Se nel caso dell'applicazione del motore è nota la corrente massima disponibile e il carico di coppia peggiore, calcolare la costante di coppia accettabile più bassa utilizzando

KT = T/I

Dopo aver individuato una famiglia di motori con un chilometraggio sufficiente, selezionare un avvolgimento con una costante di coppia leggermente superiore al minimo. Quindi, iniziare a determinare se l'avvolgimento, indipendentemente dalle tolleranze e dai vincoli applicativi, funzionerà in modo soddisfacente.

Chiaramente, la scelta di un motore o di un generatore basata innanzitutto sulla determinazione del Km minimo nelle applicazioni con motori sensibili alla potenza e generatori con requisiti di efficienza elevati può accelerare il processo di selezione. Il passo successivo sarà quindi selezionare un avvolgimento idoneo e assicurarsi che tutti i parametri applicativi e le limitazioni del motore/generatore siano accettabili, comprese le considerazioni sulla tolleranza degli avvolgimenti.

A causa delle tolleranze di fabbricazione, degli effetti termici e delle perdite interne, si dovrebbe sempre scegliere un Km leggermente superiore a quello richiesto dall'applicazione. È necessaria una certa libertà di scelta, poiché dal punto di vista pratico non sono disponibili infinite varianti di avvolgimento. Maggiore è il Km, più è flessibile nel soddisfare i requisiti di una determinata applicazione.

In generale, efficienze pratiche superiori al 90% potrebbero essere praticamente irraggiungibili. Motori e generatori più grandi presentano maggiori perdite meccaniche. Ciò è dovuto a perdite nei cuscinetti, perdite dovute al vento e perdite elettromeccaniche come isteresi e correnti parassite. Anche i motori a spazzole presentano perdite dovute al sistema di commutazione meccanica. Nel caso della commutazione con metalli preziosi, diffusa nei motori coreless, le perdite possono essere estremamente ridotte, inferiori a quelle dei cuscinetti.

I motori e i generatori a corrente continua senza ferro non presentano praticamente perdite per isteresi e correnti parassite nella versione con spazzole di questo tipo. Nelle versioni senza spazzole, queste perdite, sebbene ridotte, sono comunque presenti. Questo perché il magnete solitamente ruota rispetto al ferro posteriore del circuito magnetico. Questo induce perdite per correnti parassite e isteresi. Tuttavia, esistono versioni senza spazzole in cui il magnete e il ferro posteriore si muovono all'unisono. In questi casi, le perdite sono generalmente ridotte.