Una macchina proveniente dagli USA è da anni nel Suo capannone. Ora il motore di azionamento è guasto. Sulla targhetta compaiono «5 HP» invece dei kW, «FRAME 184T», «460 V, 60 Hz», «SF 1.15» e «TEFC». L’elettricista guarda la targhetta e chiede: «Non possiamo semplicemente montare un motore normalizzato da 4 kW?»
La risposta breve: a volte sì, ma non così semplicemente. I motori NEMA secondo la norma statunitense e i motori IEC secondo la norma internazionale differiscono per grandezze, dimensioni d’albero, gradini di potenza, frequenza di rete e per il modo in cui vengono indicati protezione ed efficienza. Chi lo trascura si ritrova con un motore che non entra nel basamento o non eroga la potenza necessaria.
Questo articolo spiega le principali differenze tra un motore NEMA e un motore IEC e mostra come sostituire in sicurezza un motore americano nel Suo impianto.
Avvertenza di sicurezza: gli interventi su impianti elettrici e collegamenti dei motori possono essere eseguiti solo da elettricisti qualificati, in linea con la prescrizione antinfortunistica tedesca (DGUV Vorschrift 3) e la norma tedesca sull’esercizio degli impianti elettrici (DIN VDE 0105-100). Le indicazioni del produttore e la documentazione della macchina hanno la precedenza.
Due mondi normativi: NEMA MG 1 e IEC 60034
NEMA sta per National Electrical Manufacturers Association, l’associazione statunitense dei produttori elettrici. La sua norma NEMA MG 1 definisce per i motori, tra l’altro, grandezze, quote di montaggio e dati di potenza. In Europa e nella maggior parte degli altri paesi valgono le norme IEC: la serie IEC 60034 descrive le caratteristiche elettriche delle macchine rotanti, la IEC 60072-1 le grandezze e le quote di montaggio.
Entrambi i sistemi sono coerenti al loro interno. Non sono però armonizzati tra loro. Un motore NEMA e un motore IEC di potenza simile non sono quindi quasi mai direttamente intercambiabili.
Grandezze: numero di frame contro altezza d’asse in mm
Nei motori IEC la grandezza corrisponde all’altezza d’asse in millimetri: la grandezza 112 ha 112 mm di altezza d’asse, integrata da una lettera per la lunghezza della carcassa (S, M, L). Nei motori NEMA il numero di frame codifica le dimensioni in pollici. Nei frame a tre cifre le prime due cifre divise per 4 danno l’altezza d’asse in pollici. Esempio di calcolo fittizio: il frame 184T ha 18 / 4 = 4,5 pollici di altezza d’asse, cioè 114,3 mm. La lettera T contraddistingue la serie dimensionale oggi usuale, un’aggiunta C ad esempio una flangia di montaggio («C-Face»).
| Frame NEMA | Altezza d’asse | Ø albero | Grandezza IEC più vicina | Altezza d’asse IEC | Ø albero IEC |
|---|---|---|---|---|---|
| 56 | 3,5 pollici (88,9 mm) | 5/8 di pollice (15,9 mm) | 90 | 90 mm | 24 mm |
| 143T / 145T | 3,5 pollici (88,9 mm) | 7/8 di pollice (22,2 mm) | 90 S/L | 90 mm | 24 mm |
| 182T / 184T | 4,5 pollici (114,3 mm) | 1 1/8 pollici (28,6 mm) | 112 M | 112 mm | 28 mm |
| 213T / 215T | 5,25 pollici (133,4 mm) | 1 3/8 pollici (34,9 mm) | 132 S/M | 132 mm | 38 mm |
| 254T / 256T | 6,25 pollici (158,8 mm) | 1 5/8 pollici (41,3 mm) | 160 M/L | 160 mm | 42 mm |
La tabella mostra il problema di fondo: le altezze d’asse sono vicine, ma non uguali. Anche diametri d’albero, linguette, interassi dei fori dei piedi e quote delle flange sono diversi. L’abbinamento è un orientamento basato sull’altezza d’asse, non una garanzia che il motore si adatti. Quale grandezza IEC abbia una certa potenza lo indica il catalogo del rispettivo produttore.
Flange e filettature
Le flange NEMA C-Face hanno fori filettati, in linea di principio paragonabili alla flangia IEC B14. Esistono poi le flange NEMA D con fori passanti, in linea di principio paragonabili alla B5. Le quote però sono diverse. A ciò si aggiungono filettature in pollici su fissaggio e morsettiera: i motori americani hanno spesso filettature per raccordi di tubo protettivo NPT, i motori europei pressacavi metrici come M20 o M25.
60 Hz contro 50 Hz: velocità e potenza
Negli USA la frequenza di rete è di 60 Hz, in Europa di 50 Hz. La velocità di sincronismo di un motore trifase si ricava da n = 120 · f / p (p = numero di poli). Un motore a quattro poli ha a 60 Hz una velocità di sincronismo di 1.800 min⁻¹, a 50 Hz di 1.500 min⁻¹. La velocità nominale è in entrambi i casi leggermente inferiore a causa dello scorrimento.
Se un motore a 60 Hz funziona su una rete a 50 Hz, la velocità diminuisce di un sesto. A parità di coppia diminuisce quindi anche la potenza erogata, circa nella stessa proporzione. Allo stesso tempo la tensione deve essere proporzionata alla frequenza, altrimenti il motore si sovramagnetizza e scalda. Inoltre la ventola gira più lentamente e raffredda peggio. Se un motore a 60 Hz possa essere usato a 50 Hz lo stabiliscono la targhetta o il produttore. Alcuni motori americani sono espressamente progettati per 50 e 60 Hz e riportano entrambi i set di dati.
Al contrario: se la Sua macchina è stata progettata negli USA per 60 Hz e in Europa funziona a 50 Hz, il processo è forse già più lento di quanto previsto in origine. Un nuovo motore dovrebbe fornire la velocità effettivamente necessaria, non quella della vecchia targhetta.
Tensione e potenza: HP, kW e i gradini intermedi
Le tensioni di rete tipiche dei motori industriali americani sono 230 V e 460 V a 60 Hz; molti motori sono commutabili per entrambe (230/460 V). In Canada è diffusa anche la 575 V. I motori europei in bassa tensione sono per lo più progettati per 230/400 V o 400/690 V a 50 Hz con collegamento a triangolo o a stella.
Nei motori NEMA la potenza è indicata in horsepower (HP), nei motori IEC in kW. Vale: 1 HP = 0,746 kW. Esempio di calcolo fittizio: un motore da 10 HP corrisponde a 7,46 kW, la potenza normalizzata IEC più vicina è 7,5 kW. Con 5 HP (3,73 kW) il gradino IEC più vicino è 4 kW. Le serie di potenza quindi non coincidono esattamente. Verifichi sempre che il gradino IEC più vicino copra davvero il fabbisogno.
Fattore di servizio: la riserva nascosta
Molti motori NEMA riportano un fattore di servizio, ad esempio SF 1.15. Indica che il motore, nelle condizioni stabilite dalla NEMA MG 1, cioè a tensione e frequenza nominali, può essere caricato in modo continuativo a 1,15 volte la sua potenza nominale, con un riscaldamento maggiore. I motori IEC vengono invece descritti tramite la potenza nominale e il servizio secondo IEC 60034-1, ad esempio S1 per il servizio continuo. Un fattore di servizio lì non è usuale.
Per la sostituzione significa: se il vecchio motore lavorava stabilmente nel campo del suo fattore di servizio, un motore IEC con la stessa potenza nominale potrebbe non bastare. Nel dubbio misuri la corrente effettiva in esercizio e scelga la potenza IEC in modo che questo punto di lavoro sia coperto con sicurezza.
Gradi di protezione: TEFC e ODP contro IP
I motori americani vengono per lo più designati in base al tipo di carcassa e di raffreddamento:
- ODP (Open Drip-Proof): motore aperto, protetto contro lo stillicidio, l’aria di raffreddamento attraversa il motore.
- TEFC (Totally Enclosed Fan-Cooled): motore chiuso con ventola esterna.
- TENV (Totally Enclosed Non-Ventilated): chiuso, senza ventola.
- TEAO (Totally Enclosed Air-Over): chiuso, raffreddato da un flusso d’aria esterno, ad esempio nei ventilatori.
I motori IEC indicano il grado di protezione come codice IP secondo IEC 60034-5, basato sul sistema IP della IEC 60529, ad esempio IP55. Un motore TEFC corrisponde nella pratica spesso a un grado di protezione intorno a IP54 o IP55, un motore ODP piuttosto a un grado basso come IP23. Una corrispondenza ufficiale uno a uno però non esiste. Determinante è il grado di protezione richiesto dal Suo ambiente.
Da non confondere: i tipi di involucro NEMA come Type 1, Type 4X o Type 12 secondo NEMA 250 valgono per involucri elettrici come quadri e cassette di derivazione, non per la costruzione del motore. Anche questi non si convertono esattamente in codici IP.
Efficienza: NEMA Premium contro classi IE
La IEC 60034-30-1 suddivide i motori alimentati da rete in classi di efficienza, da IE1 a IE4. Negli USA è diffusa la denominazione NEMA Premium. Il suo livello di efficienza corrisponde per molte potenze all’incirca alla classe IE3. I valori vengono però determinati con procedure diverse e per 60 Hz, quindi non sono confrontabili uno a uno.
Importante per la sostituzione nell’UE: il regolamento sull’ecodesign (UE) 2019/1781 prescrive classi minime per molti motori trifase immessi sul mercato dell’UE, per la maggior parte delle potenze a partire da 0,75 kW almeno IE3 e per una parte delle potenze maggiori IE4. Un motore di ricambio di nuovo acquisto deve di norma soddisfare questi requisiti. Esistono eccezioni, ma vanno verificate e documentate. Altrettanto importante è la marcatura CE, che non tutti i motori costruiti per il mercato statunitense riportano.
Tre strade per la sostituzione
- Stesso motore NEMA: la soluzione meccanicamente più semplice. Verifichi però frequenza di rete, tensione, classe di efficienza e marcatura CE per l’esercizio nell’UE.
- Motore IEC con adattamento: un motore normalizzato IEC viene montato tramite piastra adattatrice, basamento modificato, bussola sull’albero o nuovo semigiunto. Spesso è la soluzione più duratura, perché le sostituzioni successive diventano più semplici. L’adattamento però deve essere progettato e allineato correttamente.
- Motore in dimensioni NEMA per 50 Hz: alcuni motori sono offerti in esecuzione NEMA con dati a 50 Hz. Così si evitano modifiche meccaniche, ma la disponibilità varia a seconda della grandezza.
Se il motore è alimentato da un inverter, le differenze di velocità si possono compensare elettricamente. Quote meccaniche, grado di protezione ed efficienza restano comunque un tema.
Cosa indicare per la sostituzione
- foto della targhetta completa
- produttore, numero di modello o di catalogo, numero di serie
- potenza in HP, tensione, frequenza, corrente nominale (FLA), velocità
- designazione del frame comprese le lettere, ad esempio 184TC
- fattore di servizio, tipo di carcassa (TEFC, ODP …), classe di isolamento
- forma costruttiva: piedi, C-Face o flangia D, quote dell’albero e linguetta
- dati dell’impianto: rete sul luogo d’impiego, funzionamento con inverter sì o no, velocità necessaria
Maggiori dettagli su una richiesta completa nella checklist per la richiesta di ricambi. Come regolare correttamente la protezione del motore sulla nuova corrente nominale dopo la sostituzione lo mostra l’articolo Come regolare correttamente l’interruttore salvamotore. Approfondimenti sui componenti americani negli stabilimenti europei li trova in Perché i componenti di automazione americani dominano il mercato europeo.
Quando il motore americano è difficile da trovare
I motori NEMA e i relativi ricambi non sono sempre disponibili a breve in Europa. KTB Europe, azienda familiare di Amburgo, procura dal 1976 in tutto il mondo ricambi industriali di tutte le marche, anche dal mercato statunitense. Lei ci invia una foto della targhetta, il codice del pezzo o una descrizione. Noi cerchiamo il motore originale o un’alternativa adatta e controlliamo la merce nel nostro magazzino centrale. Maggiori informazioni sugli acquisti MRO e sui componenti fuori produzione. Può inviare la Sua richiesta dalla pagina dei contatti.
Conclusione
NEMA e IEC sono due mondi a sé. I numeri di frame codificano quote in pollici, le grandezze IEC millimetri. I motori a 60 Hz funzionano a 50 Hz più lentamente ed erogano meno potenza. Fattore di servizio, tipo di carcassa e classe di efficienza si traducono solo in modo approssimativo. Chi sostituisce un motore americano dovrebbe quindi rilevare completamente i dati di targa, conoscere il punto di lavoro effettivo e decidere consapevolmente tra lo stesso motore NEMA e un motore IEC adattato.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra motori NEMA e motori IEC?
I motori NEMA seguono la norma statunitense NEMA MG 1 con numeri di frame, quote in pollici e potenze in HP, per lo più per 60 Hz. I motori IEC seguono le serie IEC 60034 e IEC 60072-1 con altezze d’asse in millimetri e potenze in kW. Grandezze, alberi, flange e gradini di potenza quindi non corrispondono direttamente.
Posso far funzionare un motore a 60 Hz su una rete a 50 Hz?
Spesso è tecnicamente possibile, ma solo con il via libera della targhetta o del produttore. La velocità diminuisce di un sesto e, a parità di coppia, diminuisce in proporzione anche la potenza. Tensione e frequenza devono essere nel giusto rapporto, altrimenti il motore si sovramagnetizza e scalda.
Cosa significa il fattore di servizio 1.15 su un motore NEMA?
Il fattore di servizio 1.15 indica che il motore, a tensione e frequenza nominali, può essere caricato in modo continuativo a 1,15 volte la sua potenza nominale, con un riscaldamento maggiore. I motori IEC non prevedono un fattore di servizio. Se il vecchio motore lavorava in questo campo, il ricambio IEC va scelto di potenza adeguatamente maggiore.
Quale grado di protezione IP corrisponde a un motore TEFC?
Non esiste un’equiparazione ufficiale. TEFC indica un motore chiuso con ventilazione esterna, che nella pratica corrisponde spesso a un grado di protezione intorno a IP54 o IP55 secondo IEC 60034-5. Per la sostituzione è determinante il grado di protezione richiesto dall’ambiente nel punto di installazione.
NEMA Premium corrisponde alla classe di efficienza IE3?
Il livello di efficienza NEMA Premium per molte potenze è all’incirca al livello IE3 secondo IEC 60034-30-1. I valori però vengono determinati per 60 Hz e con procedure proprie. Per un motore di ricambio nell’UE contano i requisiti del regolamento (UE) 2019/1781.