Analisi e Modellazione Elettromagnetica di una Macchina Brushless Roto-Traslante

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Introduzione

Applicazioni avanzate che richiedono un controllo di moto caratterizzato da più gradi di libertà meccanici (in inglese Degrees-of-Freedom, DoF), sono ormai una realtà diffusa ed in continua evoluzione. In campi applicativi quali robotica, macchine utensili evolute, strumenti di misura per applicazioni in ambienti non accessibili, sistemi pick and place etc, spesso sono richieste traiettorie di movimento complesse che richiedono un numero di gradi di libertà meccanici superiore ad uno. La modalità standard con cui si realizzano azionamenti in grado di consentire movimentazioni a più gradi di libertà prevede l’utilizzo di un singolo attuatore elettrico per ciascun grado di libertà e di opportuni dispositivi meccanici. Va sottolineato tuttavia, che tali sistemi sono intrinsecamente caratterizzati da peso, dimensioni, costi e tempi di manutenzione piuttosto rilevanti. A fronte di ciò, in alternativa, l’utilizzo di un singolo attuatore elettrico in grado di gestire un numero di gradi di libertà superiore ad uno, potrebbe apportare numerosi benefici in termini di costi, peso, dimensioni e prestazioni. Un esempio di attuatore a molteplici gradi libertà affermato in campo industriale è il motore passo-passo planare Sawyer, la prima macchina multi-DoF entrata in produzione che viene utilizzata per posizionamenti precisi ad alta velocità e con basso carico. Non è un caso che l’impiego in cui trova la massima diffusione sia l’industria dei semiconduttori che, se ha raggiunto tali livelli di sviluppo tecnologico, lo deve anche a queste macchine. Oltre al Sawyer gli attuatori elettromagnetici multi-DoF, presenti nella letteratura tecnica, sono molteplici e possono essere sostanzialmente raggruppati in tre macro-categorie: motori planari, motori roto-traslanti e motori sferici. Nella seconda categoria si colloca la macchina roto-traslante brushless che è stato oggetto di studio in questa tesi. In base a quanto appena esposto, è auspicabile che tale dispositivo possa essere impiegato efficacemente in molteplici applicazioni che richiedono un movimento rotatorio coordinato con uno traslatorio, quali, ad esempio, cambi

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automobilistici sequenziali robotizzati, braccia di robot, macchine utensili a controllo numerico etc. Per tale ragione si è scelto di analizzare, nei suoi vari aspetti, questo attuatore a due DoF, confrontando un modello analitico con uno numerico tridimensionale realizzato con il programma di calcolo agli elementi finiti MagNet®. Tramite il modello numerico è stato possibile valutare l’attendibilità del modello analitico, i suoi limiti di applicabilità e compiere un’analisi elettromagnetica approfondita impiegando materiali non ideali, che ha permesso, tra le altre cose, di mettere in luce alcuni dei parametri progettuali su cui agire per ottimizzare le prestazioni.