Come (e perché) scegliere un motore ad aria

La semplicità del principio di design, che consente una facile manutenzione e una maggiore affidabilità grazie al numero ridotto di parti in movimento, è uno dei fattori che rendono i motori ad aria la scelta ideale nella progettazione di una macchina o di un impianto. In questo articolo riassumiamo le caratteristiche di base dei motori pneumatici, i principi di funzionamento e i principali criteri da considerare nella scelta del tipo di motore più adatto alle specifiche esigenze.

di Franck Roussillon

La crescente popolarità dei motori ad aria è ormai un dato di fatto ed è dovuta ai numerosissimi vantaggi rispetto ai modelli elettrici, tra cui dimensioni di montaggio di gran lunga inferiori e possibilità di carico fino allo stallo senza danni. I motori ad aria possono inoltre essere utilizzati in ambienti difficili, soggetti agli effetti di polvere (la maggior parte dei motori è certificata ATEX), vibrazioni e urti e, a seconda dei materiali di costruzione, anche in condizioni operative aggressive o caratterizzate da umidità.
I motori ad aria, tutti reversibili, possono essere arrestati e avviati continuamente senza alcun danno. Tuttavia, la caratteristica più gradita dagli ingegneri e dagli esperti di progettazione è probabilmente la semplicità del principio di design, che consente una facile manutenzione e una maggiore affidabilità, grazie al numero ridotto di parti in movimento. Per sfruttare al massimo questi vantaggi, è fondamentale scegliere il motore ad aria giusto per la specifica applicazione.

Principi di base e di costruzione
Per fare la scelta migliore, si consiglia innanzitutto di esaminare la struttura portante del motore ad aria. I motori ad aria sono disponibili in diversi design, ad esempio con ingranaggi dentati e a turbina, ma in questo articolo vengono approfonditi i modelli a palette, perché più adatti a cicli operativi regolari, che richiedono velocità più basse.
Il motore si basa su un rotore dotato di una serie di palette racchiuse in uno statore e nel corpo cilindrico. L’aria compressa viene erogata ed espulsa attraverso due connessioni dedicate. Per garantire un avvio affidabile, le molle spingono le palette contro il cilindro del rotore, in modo che la pressione dell’aria sulle superfici sia erogata sempre con la giusta angolazione. La coppia del motore viene quindi generata dalla pressione dell’aria sulle superfici delle palette.
Le prestazioni del motore ad aria dipendono dalla pressione di ingresso. Con una pressione di ingresso costante, i motori ad aria esprimono la relazione coppia/velocità di uscita lineare caratteristica. L’uscita, la coppia e la velocità del motore ad aria possono comunque essere modificate facilmente regolando l’aria di alimentazione tramite il regolatore di flusso o di pressione.
I motori pneumatici raggiungono la massima potenza quanto più si avvicinano alla velocità nominale (50% della velocità nominale a vuoto). Il rapporto tra energia ed efficienza è ottimale in questo caso perché l’aria compressa viene utilizzata in modo efficiente e la potenza è massima.

Evitare componenti che richiedono lubrificazione
Oggi in tutti i settori è necessario evitare il più possibile fuoriuscite di olio e nebbia d’olio, per assicurare un ambiente di lavoro pulito. I produttori cercano pertanto di evitare componenti che richiedono lubrificazione. I motori ad aria serie P1V Parker, ad esempio, sono dotati di palette per un funzionamento intermittente senza lubrificazione con potenza inferiore a 1.000 Watt, l’applicazione più comune di questo tipo di motori. L’utilizzo di aria compressa non lubrificata richiede la conformità ai relativi standard di purezza, per garantire la massima durata possibile. Inoltre, se l’aria compressa non lubrificata ha un elevato contenuto d’acqua, è possibile che si formi condensa all’interno del motore, causando la corrosione dei componenti. I cuscinetti a sfera possono deteriorarsi in brevissimo tempo se vengono a contatto anche con una sola goccia d’acqua. Per applicazioni di grado alimentare, con requisiti igienici o che richiedono un ambiente estremamente pulito, i componenti esterni devono essere in acciaio inox. Prendiamo ad esempio la serie P1V-S. Il motore ad aria e l’ingranaggio planetario di riduzione sono montati in una custodia di acciaio inox lucidata. L’albero di uscita, anch’esso realizzato in acciaio inox lucidato, è sigillato da una guarnizione in gomma fluorocarbonica (FKM). Questo design consente di utilizzare i motori anche in acqua, fino a una profondità di circa 8 m.
Grazie alla forma cilindrica, non sono presenti vuoti che possano accumulare sporcizia o batteri. Inoltre, le due parti del corpo del motore sono sigillate mediante un O-ring a pressione positiva per evitare contaminazioni. Il motore è destinato all’uso a intervalli intermittenti in condizioni di non lubrificazione. Per questo motivo, l’aria di scarico è priva di particelle di lubrificante e i costi di manutenzione sono ridotti.

Ambiente di lavoro, potenza, posizione: alcuni dei criteri che guidano la scelta
Innanzitutto, occorre selezionare il principio di azionamento adatto all’applicazione. I motori ad aria a palette sono ideali per cicli operativi regolari che utilizzano basse velocità, ad esempio inferiori a 10.000 giri/min. Al contrario, i motori ad aria con ingranaggi dentati o turbine sono adatti per un funzionamento continuo di 24 ore, con velocità fino a 140.000 giri/min.
La scelta dell’ambiente è un altro fattore fondamentale. Per stabilire quale sia il materiale ottimale, occorre considerare se il motore ad aria funzionerà in un’area di produzione normale o, invece, potenzialmente esplosiva. Naturalmente, in questo caso i motori ad aria sono preferibili, perché i motori elettrici in genere non possono essere utilizzati in ambienti certificati ATEX. Anche il tipo di settore, ad esempio cartario, della lavorazione degli alimenti, medico e farmaceutico, può influire sulla scelta del materiale.
Bisogna poi calcolare la potenza del motore ad aria. Molti fattori vanno considerati, inclusi la direzione di rotazione, il campo, il range di pressione di esercizio, la classe di qualità dell’aria e soprattutto la coppia prevista e la velocità sotto carico.
Per un funzionamento ottimale, si consiglia di scegliere sempre un motore leggermente più veloce e potente e di regolarne poi la velocità e la coppia con un regolatore di pressione e/o di flusso. Per ottenere massime prestazioni, è inoltre importante verificare che la pressione erogata all’attacco di ingresso del motore sia corretta. In un motore di grandi dimensioni, se la valvola di alimentazione è troppo piccola o la linea di alimentazione è sottodimensionata, la pressione all’attacco di ingresso potrebbe essere così bassa da impedirne il funzionamento. Un altro fattore per la scelta di un motore ad aria è la posizione in cui verrà utilizzato. In conclusione, i motori ad aria a palette sono ideali per cicli operativi intermittenti e regolari a basse velocità. In ogni caso, per sfruttarne al massimo i potenziali vantaggi e massimizzare efficienza e durata, è necessario ottimizzare la scelta e l’installazione.

(Franck Roussillon è Product Manager Business Unit Attuatori di Parker Hannifin)