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Un motore o un azionamento sovradimensionato lavora spesso a carico parziale, con un rendimento inferiore e maggiori costi di esercizio. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) evidenzia, nelle proprie linee guida sulla sostituzione dei motori sovradimensionati, che un motore utilizzato stabilmente a basso carico può essere sostituito con un modello di potenza inferiore e ad alta efficienza, ottenendo risparmi energetici significativi. L’entità del beneficio dipende dalle ore di funzionamento, dal profilo di carico e dall’efficienza dei due motori, ma nei casi analizzati dal DOE si possono conseguire risparmi dell’ordine di 800-1.200 kWh all’anno per singolo motore.
Ad esempio, se un motore da 11 kW lavora stabilmente intorno a 5 kW (circa il 45% del carico nominale), è opportuno verificare se una macchina da 5,5-7,5 kW sia sufficiente a soddisfare le esigenze dell’applicazione, mantenendo gli opportuni margini di sicurezza. In generale, un corretto dimensionamento migliora il rendimento del sistema, riduce i consumi energetici, limita i costi di acquisto e diminuisce gli ingombri. Nei paragrafi seguenti analizziamo gli errori più frequenti nel dimensionamento e come evitarli, basandoci sulle linee guida dei produttori e sulla documentazione tecnica di settore. Nei paragrafi seguenti analizziamo gli errori più frequenti nel dimensionamento e come evitarli, basandoci sulle linee guida dei produttori e casi reali.
Cosa imparerai in questo articolo:
Nel progetto di un azionamento è fondamentale scegliere componenti scalabili rispetto alle reali esigenze dell’applicazione. I servomotori sincroni Lenze m850 e MCS, così come le serie Parker SMB/SME/SMH e MB/ME/MH, sono disponibili in diverse taglie, lunghezze e configurazioni, permettendo di selezionare con precisione la coppia, la velocità e la potenza necessarie. Questa modularità consente di dimensionare correttamente il motore in funzione delle prestazioni dinamiche richieste, evitando sovradimensionamenti che aumenterebbero inutilmente costi, ingombri e consumi.
Un esempio distinto è rappresentato dai motori Parker GVM (Global Vehicle Motor), sviluppati specificamente per trazione, pompe elettroidrauliche (EHP) e comandi ausiliari in applicazioni mobili e veicoli elettrificati. La loro elevata densità di potenza e la disponibilità di differenti configurazioni permettono di adattare il sistema di trazione o di azionamento alle caratteristiche del veicolo e al profilo operativo previsto.
Analogamente, le gamme di inverter moderni (come i Lenze i550 o i Parker AC15/AC20/AC30) sono disponibili in tre taglie principali con correnti di picco altamente configurabili. Tale modularità consente di scegliere la potenza di azionamento necessaria senza eccessi, evitando l’uso di un drive molto più grande del necessario. In entrambi i casi la parola d’ordine è l’uso di design “scalabili in diverse taglie e dimensioni” per non incorrere in sovradimensionamento.
Un errore frequente consiste nel dimensionare motore e inverter esclusivamente sulla coppia di spunto o sul picco massimo di carico, trascurando il funzionamento reale della macchina durante il ciclo di lavoro. In questo modo si tende a scegliere componenti con potenza e coppia nominale superiori al necessario, che per la maggior parte del tempo operano a carico parziale, con conseguente aumento dei costi di acquisto e una minore efficienza complessiva del sistema.
Per evitare questo errore è fondamentale analizzare il profilo di funzionamento dell’applicazione, considerando il duty cycle, la coppia efficace (RMS), la velocità e i tempi di accelerazione e decelerazione. I principali produttori mettono a disposizione software di dimensionamento che consentono di simulare il ciclo macchina e verificare che il motore soddisfi i picchi di coppia senza essere inutilmente sovradimensionato. In questo modo è possibile individuare la taglia ottimale dell’azionamento, migliorando efficienza energetica, affidabilità e costo totale di esercizio.
Al contrario, conviene raccogliere i dati reali di funzionamento e utilizzare software dedicati: si possono usare i tool di Festo o Parker per inserire coppia di spunto e velocità massima e visualizzare un primo dimensionamento. Conoscere il profilo di coppia e calcolare il valore efficace della coppia (coppia media ponderata sul ciclo) aiuta a capire se la scelta è corretta. In sintesi, dimensionare sempre sul carico dinamico reale, non solo su un picco momentaneo, per evitare oversize eccessivi.
Spesso il progettista aggiunge al calcolo un comfort factor troppo generoso (ad esempio +20-50% di potenza nominale) per timore di sovraccarico. Questo margine elevato garantisce affidabilità ma introduce sprechi: un motore con potenza nominale molto superiore al carico medio lavorerà costantemente a bassi carichi, dove l’efficienza cala notevolmente.
Un motore moderno, se supportato da un azionamento configurato correttamente, è molto più efficiente di uno sovradimensionato al 45%. Per non esagerare con i margini, bisogna basarsi su analisi termiche e cicli di lavoro. Lenze spiega che, una volta noti i dati quali velocità e forza di picco, si possono effettuare simulazioni termiche e calcolare il valore efficace della coppia. Questi dati permettono di tarare il fattore di sicurezza in modo realistico. In pratica, applicate margini non arbitrari ma basati su calcoli affidabili per bilanciare sicurezza e efficienza.
Trascurare la classe di efficienza del motore e del drive è un altro errore costoso. I motori a induzione moderni devono ormai soddisfare regole rigorose (IE3/IE4 obbligatori per leggi UE) e da metà 2021 anche gli inverter devono rispettare requisiti minimi. Utilizzare componenti datati o di classe inferiore significa consumare energia in più.
Lenze evidenzia che la combinazione di motori trifase IE5/IE6 con riduttori compatti ad alta efficienza e inverter dedicati realizza un sistema di azionamento efficiente, garantendo “risparmio immediato e duraturo” di energia. Dunque è opportuno integrare motori sincroni a magneti permanenti ad alta efficienza e drive moderni con controllo vettoriale: ne risulta un sistema più efficiente anche a carichi parziali. Tenete conto inoltre delle direttive in vigore (es. UE 2019/1781), che per la prima volta regolano gli azionamenti a velocità variabile, spingendo a impiegare inverter e motori “verdi”: in breve, puntate su IE elevati e tecnologia recente per ridurre i consumi complessivi.
Negli azionamenti con frequenti fasi di frenatura si commette spesso l’errore di non considerare sistemi di recupero. Se l’Inverter non è rigenerativo, l’energia cinetica in eccesso viene dissipata in resistenze di frenatura, costringendo a dimensionare resistori più grandi o ad accettare sbalzi di tensione DC. Questo aumenta la potenza necessaria di motori e drive.
Al contrario, soluzioni con rigenerazione salvaguardano l’energia: ad esempio, Lenze illustra che il convertitore decentralizzato i550 Motec reinseriscono automaticamente l’energia di frenatura nel sistema o nella rete, anziché sprecarla. Ciò riduce la potenza tecnica da gestire e può permettere di usare motori più piccoli. In sintesi, per applicazioni con decelerazione rapida preferite inverter con funzione di recupero o accumulatori di energia, così eviterete di dover sovradimensionare i componenti per compensare perdite inutili.
Infine, un errore di “dimensionamento” strategico è ignorare il ciclo di vita del prodotto. Investire su piattaforme prossime al phase-out può tradursi in costi elevati di manutenzione o sostituzione futura. Conviene invece adottare tecnologie con supporto a lungo termine o piani di migrazione.
Ad esempio, come accennato, Lenze segnala che il sistema di azionamento con servo 9300 e inverter EVS8200 è in phase-out entro agosto 2026. I clienti di queste soluzioni devono quindi programmare il passaggio a nuovi moduli o piattaforme moderne prima che scoprano che non esistono più pezzi di ricambio. Tenete d’occhio gli avvisi ufficiali di lifecycle management dei fornitori e prendete decisioni di acquisto che massimizzino la disponibilità futura. In questo modo eviterete che un motore/drive “perfettamente dimensionato” diventi a breve inutilizzabile, costringendovi a un riprogetto imprevisto e costoso.
D: Perché è importante dimensionare correttamente motore e azionamenti?
R: Un corretto dimensionamento garantisce affidabilità e minori costi di esercizio. Sovradimensionare comporta costi maggiori in acquisto e soprattutto in energia: un motore di potenza eccessiva lavorerà spesso a carichi ridotti, dove il rendimento è basso. Viceversa un motore sottodimensionato si surriscalda e si guasta. Perciò vanno analizzati i dati reali (carico, spunto, duty cycle) e utilizzati software di calcolo (come quelli di Festo o Lenze EASY System Designer) per trovare la taglia ideale.
D: Come posso sapere se un motore è sovradimensionato?
R: Una regola pratica è confrontare la potenza utilizzata con quella nominale. Se l’energia media richiesta è molto inferiore (es. 30-50%) alla potenza nominale, il motore è probabilmente troppo grande. Come evidenziato dai DOE, riadattando un motore sovradimensionato a uno giusto si risparmia fino al 50% dell’energia. Anche strumenti di monitoraggio moderni possono segnalare inefficienze: motori sovradimensionati mostrano fattore di potenza e scivolamenti anomali. Per la prevenzione, però, il punto di partenza è il dimensionamento in base al profilo effettivo di carico come spiegato sopra.
D: Quali strumenti posso usare per il dimensionamento?
R: Oltre ai calcoli manuali, esistono diversi tool forniti dai produttori. Festo propone Electric Motion Sizing per le applicazioni meccaniche ed elettriche combinati, mentre Lenze offre il software EASY System Designer. In passato si usavano anche altri sistemi proprietari, ma questi programmi moderni permettono di simulare il ciclo macchina, confrontare soluzioni e stimare i risparmi energetici ottenibili. Vi aiuteranno a evitare scelte “a occhio” e a ottenere un dimensionamento ottimale.
D: Cosa succede se dimensiono male un riduttore?
R: Analogamente ai motori, un riduttore sovradimensionato porta a perdite maggiori per attrito interno e può aumentare il peso e l’ingombro della macchina. Meglio scegliere rapporti adeguati al carico e componenti a basso attrito (es. ingranaggi elicoidali ad alta efficienza). In ogni caso, la strategia è integrare il dimensionamento del riduttore con quello del motore: qualche volta conviene aumentare leggermente la velocità del motore e ridurre la velocità del riduttore, mantenendo potenza uguale ma ottenendo un ingombro minore e minori perdite.
D: Come evitare problemi di obsolescenza?
R: Consultate le informazioni di product lifecycle fornite dai costruttori. Molte aziende garantiscono ricambi per almeno 10 anni dall’EOL e pubblicano date di phase-out. Ad esempio, se un modello di inverter è in “final call” come i vecchi Lenze 9300/EVS8200, pianificate subito le sostituzioni. Molti costruttori offrono guide di migrazione per passare a modelli più nuovi compatibili. Anticipare questi cambi evita di trovarsi con un dispositivo critico fuori produzione nel momento peggiore.
Fonti: Le informazioni riportate si basano su documentazione tecnica e casi reali di produttori quali, Parker, Festo e Lenze, oltre a studi di settore su efficienza e dimensionamento motori.