Motori

Motori

Introduzione

Un generico attuatore è un oggetto che attua una funzione (nel caso di un motore, una movimentazione).

Tutte le macchine automatiche hanno attuatori elettrici a bordo. Sono diffusi anche gli attuatori pneumatici (ad aria compressa) e (meno diffusi) quelli oleodinamici.

Il PLC non è un oggetto di potenza: non è adatto ad erogare le giuste tensioni e correnti di cui ha bisogno il motore per muoversi. Il PLC comunica i riferimenti ad un azionamento: un driver di potenza. Un azionamento è un dispositivo in grado di generare i giusti segnali di corrente e tensione, alla giusta frequenza per far muovere il motore nel modo desiderato.

Il PLC può comunicare con l’azionamento attraverso: bus di campo, segnali analogici, segnali digitali.

$$\begin{matrix} & \bold{PLC} & \\ \swarrow & \downarrow & \searrow \\ \text{segnale digitale} & \text{bus di campo} & \text{segnale analogico} \\ \searrow & \downarrow & \swarrow \\ & \bold{azionamento} & \\ & \downarrow & \\ & \bold{attuatore} & \\ \end{matrix}$$

Motore Elettrico

Il motore elettrico converte energia elettrica in energia meccanica. È costituito da:

• parte elettrica: equazioni dei circuiti elettrici,
• parte meccanica: equazioni della fisica meccanica.

Le due parti sono collegate dalla equazione di coppia, cioè dalla relazione che sussiste tra una variabile della parte elettrica e la coppia della parte meccanica. La relazione è di tipo bidirezionale, cioè i motori elettrici possono essere usati sia come:

• motori: trasformatori da energia elettrica in energia meccanica,
• generatori: trasformatori da energia meccanica in energia elettrica.

Classificazioni di motori elettrici:

• a collettore: al loro interno hanno il collettore,
• DC: si alimentano con una tensione costante,
• AC: si alimentano con correnti alternate,
• brushless: non sono dotati di spazzole,
• brush o brushed: hanno le spazzole,
• sincroni: la loro velocità di rotazione è sincrona con quella dell’alimentazione,
• asincroni: la loro velocità di rotazione è non sincrona con quella dell’alimentazione,
• passo passo (stepper): ogni rotazione del motore è la somma di un numero di “rotazioni base” chiamate step (passo).

Le categorie di motori non sono tutte disgiunte.

Il funzionamento dei motori elettrici si basa sui fenomeni dell’elettromagnetismo e sull’interazione tra campi magnetici (attrazione e repulsione).

Magnetismo e induzione elettromagnetica

Un campo magnetico è prodotto da:

• calamita: intensità costante,
• conduttore percorso da corrente: intensità legata alla corrente che scorre (maggiore è la corrente, maggiore è il campo magnetico).

Un solenoide è un filo costituito da diverse spire. La corrente scorre nel solenoide e genera un polo sud (corrente entrante) ed un polo nord (corrente uscente). I poli magnetici di due campi magnetici diversi tendono ad allinearsi: poli uguali si respingono mentre poli opposti si attraggono.

Per indurre la rotazione di un albero di un motore elettrico rotativo si usa l’interazione tra due diversi campi magnetici: uno generato dalla parte fissa del motore (statore), l’altro generato dalla parte mobile del motore (rotore). Si utilizza l’induzione elettromagnetica per creare o indurre l’interazione tra questi campi magnetici.

L’induzione elettromagnetica si genera solo in presenza di un campo magnetico variabile e si ottiene in due modi.

Primo caso: si muove nello spazio un campo magnetico di intensità costante (come un magnete) e si lascia fermo l’oggetto sul quale si vuole risentire di un campo magnetico variabile (es. un solenoide) . Quando il magnete si avvicina, aumentano le linee di flusso che escono dal nord N e investono le spire indotte. L’aumento del flusso induttore deve essere contrastato: il campo indotto deve avere il verso tale da respingere quello che aumenta.

Quando il magnete si allontana, le spire sono interessate da una diminuzione del flusso: per contrastare la diminuzione delle linee che si stanno riducendo, il campo indotto deve avere il verso tale da contrastarne la diminuzione. Ciò implica la produzione di linee con stesso verso del campo che si sta riducendo.

Dato un solenoide con N spire percorse dal flusso $\Phi$, il flusso concatenato è: $\Phi_C = N \Phi$.

Secondo caso: si usa una corrente variabile (es. sinusoidale) che genera direttamente un campo magnetico di intensità variabile.

Movimento del motore

Si consideri un conduttore rettilineo di lunghezza l immerso in un campo magnetico B e percorso da corrente i. Grazie alla Seconda Legge di Laplace, si ottiene che la forza che agisce sul filo è:

$$\overline{F} = i \cdot \overline{l} \times \overline{B}$$

Si utilizza la regola della mano sinistra:

• sul medio il vettore della corrente,
• sull’indice il vettore del campo magnetico,
• sul pollice la forza agente.

Quando la corrente elettrica attraversa il solenoide (detto anche bobina o coil), il campo magnetico produce coppia (momento torcente o torque) che accende e muove il motore a corrente continua DC.

Motori rotativi e lineari

La maggior parte dei motori è di tipo rotativo:

1. statore: parte fissa,
2. rotatore: parte rotante.

Esistono anche dei motori elettrici lineari (tubolari o a binario). Fanno scorrere un carrello mobile su un binario (o uno stelo dentro ad un cilindro).

Motore Corrente Continua

Il motore CC (o motore DC) è alimentato da una corrente continua. Può essere brushed (a collettore) o brushless.

Motore DC brushed

Basa il suo funzionamento sui fenomeni di attrazione e repulsione di due campi magnetici. È costituito da:

1. statore: crea un campo magnetico costante generato da:
   1. due avvolgimenti percorsi da corrente,
   2. o due magneti permanenti.
2. rotore con avvolgimenti sopra (spire).

Il campo magnetico di intensità e direzione costante è generato da un polo nord e un polo sud magnetici che si trovano fissati allo statore. Sul rotore invece sono presenti degli avvolgimenti (delle bobine, le induttanze) percorsi da corrente. La corrente viene dall’esterno ed è veicolata all’interno, sul rotore che ruota per mezzo di contatti striscianti: le spazzole. Il cosiddetto circuito di armatura è il circuito in cui risiedono le spazzole e il quale veicola la corrente sul rotore, mentre esso ruota.

Il rotore è immerso nel campo magnetico creato dallo statore. Il rotore ha su di sé degli avvolgimenti sui quali scorre la corrente di armatura. Si crea un altro campo magnetico (di rotore), che tenta di allinearsi con quello generato dallo statore. L’attrazione e repulsione tra i campi di rotore e statore crea la rotazione.

La parte del rotore su cui strisciano le spazzole e sulla quale sono presenti i contatti degli avvolgimenti è chiamata collettore: agisce come un commutatore meccanico per alcuni angoli specifici.

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Il campo di statore ha direzione fissa poiché lo statore è immobile.

Il campo di rotore ha direzione variabile (il rotore ruota, quindi la posizione dei suoi avvolgimenti cambia nel tempo). I due campi tendono ad allinearsi N-S. Il rotore gira fino a cercare di allineare il suo campo a quello dello statore. Il collettore, girando, continua a cambiare la direzione del suo campo: l’allineamento tra il campo del rotore e quello di statore dunque, non si raggiunge mai. Il rotore continua a girare finché il motore è allineato. Il motore gira perché i due campi sono sempre disallineati e si rincorrono perennemente: il rotore rincorre lo statore).

Il commutatore meccanico converte la corrente continua in ingresso alle spazzole in una corrente a onda quadra nei conduttori rotorici, la cui frequenza è legata alla velocità di rotazione del rotore. La distribuzione del campo rotorico si mantiene sempre mediamente perpendicolare a quella del campo statorico, sviluppando una coppia quasi costante.

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La velocità di rotazione del brushed DC dipende da:

• tensione applicata,
• corrente assorbita dal rotore,
• carico applicato (coppia di carico).

La coppia motrice generata dal motore, ovvero la forza che esso ha per mettere in rotazione un carico collegato al suo albero, dipende dalla corrente del circuito di armatura.

Punti deboli del motore DC brushed

I principali punti deboli del motore DC brushed sono:

1. l’esistenza del collettore,
2. gli avvolgimenti sul rotore.

L’esistenza del collettore causa il problema spiegato nel paragrafo che segue.

Le spazzole sono in grafite. Questo consente un buon contatto elettrico minimizzando gli attriti. La loro usura richiede interventi di manutenzione periodica. Le spazzole pongono un limite alla massima velocità di rotazione: maggiore è la velocità e più forte è la pressione che bisogna esercitare su di esse per mantenere un buon contatto. A velocità elevate non si realizza un buon contatto. Tra spazzole e collettore, nei momenti di commutazione, si hanno transitori di apertura degli avvolgimenti induttivi e quindi scintillio (attenuabile ma non eliminabile). Queste scintille comportano disturbi elettrici sia irradiati nell’ambiente circostante che trasmessi al generatore di tensione (che alimenta il motore). Questi disturbi possono causare problemi di compatibilità elettromagnetica (in determinati settori di impiego).

Gli avvolgimenti sul rotore causano il problema spiegato nel paragrafo che segue.

Se il motore è di grossa potenza, si hanno dei problemi di smaltimento del calore: gli avvolgimenti si riscaldano per effetto Joule e il campo magnetico alternato nel nucleo del rotore genera altre perdite e quindi altro calore. Per avere una buona coppia, il rotore deve avere molti poli (avvolgimenti/magneti), quindi deve avere un diametro consistente. I magneti che circondano il rotore devono essere grandi e quindi il motore avrà volume e peso considerevoli. Gli avvolgimenti appesantiscono il rotore: aumenta il momento d’inerzia. Se il motore deve rispondere con rapidità e precisione, il controllo diventa più complesso.

Servomotore

Un servomotore è l’insieme di:

• motore e riduttore,
• Sistema di feedback di posizione (tramite potenziometro),
• Sistema di controllo.

I più diffusi sono servomotori DC (ma esistono anche servomotori AC, meno diffusi) con coppia e potenze medio/piccole, usati per piccoli azionamenti su macchine automatiche, droni, robot mobili e giocattoli.

La rotazione del motore è effettuata tramite un circuito di controllo interno in grado di rilevare l’angolo di rotazione raggiunto dal perno tramite un potenziometro resistivo e bloccare il motore sul punto desiderato.

Riduttore

È un meccanismo, spesso costituito da ruote dentate, che riduce la velocità e aumenta la coppia del motore, ovvero la sua capacità di mettere in rotazione un carico connesso al suo albero.

Il segnale di controllo di un servo è di tipo PWM. Il tempo in cui il segnale rimane alto (TH) codifica l’angolo a cui il servo si deve portare.

Motori Brushless

Anche detto motore sincrono a magneti permanenti.

Per cercare di migliorare i problemi dovuti alla struttura del motore DC brushed, si sono invertite le sue caratteristiche costruttive.

Il motore brushless ha avvolgimenti sullo statore e magneti permanenti sul rotore, mentre non ha spazzole (brush-less).

In questo modo non si ha usura, né oscillazioni dovute al contatto con le spazzole. Il rotore è più leggero e dunque si ha maggiore efficienza. Bisogna smaltire il calore sulla carcassa esterna e fissa dello statore.

I motori brushless possono essere:

• brushless DC,
• brushless AC.

I motori brushless possono avere velocità, coppie e tensioni di alimentazione più elevate dei motori DC a collettore, in quanto non ci sono i limiti connessi ai contatti striscianti ed alla commutazione.

Non essendoci più il collettore/commutatore che inverte la polarità di ciò che avviene sul rotore, questa commutazione è lasciata ad un circuito elettronico.

Il problema di questi motori è un’elettronica di controllo più complessa e dunque più costosa. Per dare la sequenza corretta delle commutazioni, un microprocessore sovrintende le operazioni. Uno stadio di potenza per motori brushless corrisponde a n regolatori in parallelo per motori tradizionali. Possono avere sensibili ondulazioni di coppia, che alle basse velocità possono determinare elevate ondulazioni di velocità e rumore acustico.

L’elettronica di controllo necessita di:

• azionamento che accende/spegne le fasi,
• meccanismo che fornisca la posizione del rotore (tramite sensore)

Per aumentare la coppia, le fasi possono anche essere accese due o tre alla volta. I magneti sono posizionati sul rotore e sono realizzati con speciali materiali che permettono di avere un’inerzia rotorica molto bassa, cosa che permette di avere un controllo estremamente preciso sia in velocità che in coppia. Si possono ottenere accelerazioni e decelerazioni brusche e precise. Queste caratteristiche li rendono adatti all’utilizzo nei lettori CD e DVD ma anche, nelle versioni più grandi (fino a 100 kW), nell’aeromodellismo e nei veicoli elettrici.

Sono oggi molto usati anche a bordo di automobili per numerose funzioni che necessitano di motori elettrici.

Trapezioidali e Sinosoidali

I motori brushless si differenziano per come è distribuito il campo rotorico e, di conseguenza, per la forma della fcem (forza contro-elettro motrice).

Il controllo sinusoidale è più costoso e complesso, ma produce minore ondulazione di coppia e quindi: rotazione molto dolce alle basse velocità, migliore rendimento e maggiore risoluzione nei controlli di posizione.

Un inconveniente degli azionamenti brushless con tecnica di controllo trapezoidale è costituito dalla presenza di ondulazioni di coppia all’asse, specialmente alle basse velocità. Il controllo trapezoidale è quindi destinato ad applicazioni a basso costo, dove si usano sensori di posizione semplificati.

Motore brushless trapezoidale: 2 fasi alimentate alla volta. Bisogna conoscere la posizione del rotore ogni 60°. Si può usare un sensore di posizione economico (es. ad effetto Hall).

Motore brushless sinusoidale: alimento 3 fasi alla volta con continui switch, producendo un campo magnetico rotante di statore. Il sensore di posizione deve essere più preciso e costoso (es. resolver o encoder).

Stepper: motore passo-passo

I motori a passo nascono per applicazioni in cui è richiesto il controllo della posizione di un asse meccanico senza fare uso di sensori. Si basano sull’interazione tra campi magnetici e sono composti da rotore e statore.

Ogni volta che l’azionamento comanda uno spostamento minimo (step), questo è sempre uguale ed equivale ad un numero noto di gradi. Uno spostamento generico si compone di n spostamenti minimi costanti.

Se si vuole ottenere una rotazione di 90° e lo step corrisponde a 1.8°, si devono compiere 90/1.8=50 passi.

La rotazione avviene sempre a scatti, passo dopo passo, ma a velocità elevate il movimento appare comunque fluido. L’esistenza di questo scostamento minimo costante è data dal fatto che rotore e statore hanno un elevato numero di denti opportunamente sfasati tra loro.

Per ogni segnale di comando che invio si crea un disequilibrio tra i campi magnetici di rotore e statore che porta alla rotazione del rotore. Dopo una rotazione corrispondente ad una data frazione di dente (passo), i campi magnetici si riequilibrano e il rotore si ferma. Occorre inviare al motore una serie di impulsi di corrente, secondo un’opportuna sequenza, in modo tale da far spostare (per scatti successivi) la posizione di equilibrio. Le posizioni di equilibrio dell’albero sono determinate meccanicamente con estrema precisione. Di conseguenza, per far ruotare l’albero nella posizione e alla velocità voluta, è necessario contare il numero di impulsi inviati ed impostarne la frequenza. Contando quanti impulsi si inviano al motore, la sua posizione è nota. Non si ha bisogno di un sensore di posizione.

Con i motori passo-passo è possibile ottenere elevate precisioni nella risposta al segnale di ingresso anche con configurazioni circuitali a catena aperta: senza anello di retroazione che riporti in ingresso l’errore dal valore di uscita che si sarebbe voluto ottenere.

Campi di utilizzo: stampanti, plotter, scanner, lettori CD, ecc.

I valori più comuni di angolo di passo sono 1.8°, 3.6°, 7.5°, 9°, 15°.

Gli stepper sono impiegati in applicazione di:

• potenza bassa,
• velocità medio-bassa (max qualche migliaio di giri al minuto).

Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio: non possono essere alimentati da una batteria o da un trasformatore.

Motori stepper ibridi

Lo statore appare come il classico insieme di avvolgimenti ed il circuito magnetico è costituito da 4 o 8 “espansioni polari”. Il rotore è costituito da una coppia di ruote dentate affiancate e solidali all’albero, permanentemente magnetizzate (una NORD e l’altra SUD). Tra le due ruote è presente uno sfasamento di mezzo passo dei dente: il dente di una delle due sezioni corrisponde alla valle dell’altra. Il numero più diffuso di denti del rotore è 50.

Lo statore presenta piccoli denti che si affacciano a quelli del rotore. Questi denti sono esattamente affacciati al rotore, ma solo un gruppo di denti ogni quattro. Gli altri gruppi sono sfalsati di 1/4, 1/2 e 3/4 del passo dei denti. Avvolti intorno ai poli magnetici dello statore, dei fili generano il campo magnetico quando vengono percorsi da corrente. Per far compiere una frazione di passo al motore, si applica corrente alla parte di statore esattamente di fronte ai denti del rotore: la forza repulsiva tra poli magnetici opposti farà spostare il rotore.

All’esterno sono presenti le alimentazioni dei vari avvolgimenti dello statore. Le fasi possono essere avvolte secondo due schemi:

• due avvolgimenti (motori bipolari): all’esterno escono due coppie di fili, la corrente deve percorrere le fasi nei due versi al fine di creare i campi magnetici,
• quattro avvolgimenti (motori unipolari): all’esterno escono almeno cinque fili, la corrente nella singola fase ha sempre lo stesso verso.

Per distinguere i motori di tipo unipolare o bipolare, per i quali sono richieste tecniche di pilotaggio diverse, basta contare i fili uscenti:

• 4: motore bipolare,
• 5: unipolare,
• 6 o 8: si può scegliere il tipo di pilotaggio più opportuno.

Metodi di pilotaggio

Wavemode per unipolari

È il sistema base di funzionamento, con esso la corrente è applicata ad una sola delle fasi alla volta, secondo la tabella:

	Fase 1	Fase 2	Fase 3	Fase 4
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	0	0	1	0
4	0	0	0	1

Questo metodo è a volte chiamato anche One-phase-on full step per evidenziare il fatto che una sola fase alla volta è energizzata.

Wavemode per bipolari

Una sola fase alla volta è attiva.

Da notare che le condizioni di funzionamento per ciascuna fase sono tre:

• corrente in un verso,
• corrente nell’altro verso,
• assenza di corrente.

	Fase 1	Fase 2
1	1	0
2	0	1
3	-1	0
4	0	-1

Two phase-on per unipolari

La corrente è applicata contemporaneamente a due fasi. In questo modo il rotore è trattenuto in posizioni di equilibrio intermedie a quelle tipiche del funzionamento wavemode. La coppia disponibile è circa 1.4 volte maggiore di quella ottenuta con una sola fase attiva alla volta. Il consumo di corrente e il riscaldamento raddoppiano. Questo fatto potrebbe creare problemi in alcuni motori non adatti a questo tipo di pilotaggio.

	Fase 1	Fase 2	Fase 3	Fase 4
1	1	1	0	0
2	0	1	1	0
3	0	0	1	1
4	1	0	0	1

Two phase-on per bipolari

	Fase 1	Fase 2
1	1	1
2	-1	1
3	-1	-1
4	1	-1

Half-step

Questo metodo è l’alternarsi delle configurazioni dei due metodi appena visti e si basa sulla constatazione che, tra le posizioni di equilibrio delle due sequenze precedentemente viste, è presente uno sfasamento di esattamente mezzo passo. Il vantaggio è che raddoppia il numero di passi disponibile per un certo motore. Lo svantaggio è una discreta irregolarità nella coppia (che per ogni passo cambia da 1 a 1.4 o viceversa) e nel consumo di potenza (che, sempre per ogni passo, cambia da 1 a 2), ambedue mediamente intermedi rispetto agli altri due metodi.

Il controllo a mezzo passo riduce la rumorosità del motore.

Motore Asincrono

È un motore in corrente alternata (AC). È asincrono in quanto la frequenza di rotazione non è uguale e non è un sottomultiplo della frequenza di alimentazione, ovvero non è “sincrona” con essa. Questo motore è anche detto ad induzione.

Il motore si compone di:

• statore: parte fissa con due o tre avvolgimenti (bifase, trifase),
• rotore: parte mobile.

Su entrambe sono praticati dei fori paralleli all’asse del cilindro, detti cave, destinati ad ospitare gli avvolgimenti (ovvero l’insieme dei conduttori). Lo statore ospita normalmente un avvolgimento trifase, i cui conduttori sono distribuiti nelle cave. Il rotore è dotato di un certo numero m di fasi di norma chiuse in corto circuito. Oppure, al posto degli avvolgimenti, il rotore è dotato di semplici barre conduttrici.

Lo statore genera un campo magnetico alternato rotante, in quanto alimenta le sue fasi con una corrente sinusoidale, sfasata nel tempo per ogni fase.

Gli avvolgimenti (che sono insiemi di spire) di rotore sono immersi in un campo magnetico rotante. Sugli avvolgimenti si crea, per induzione, una corrente. Questa corrente genera sull’avvolgimento di rotore un campo magnetico che interagisce con quello rotante di statore. Il rotore ruota per effetto del continuo disallineamento di questi campi.

Gli avvolgimenti da fare sul rotore devono essere in corto circuito e devono avere una elevata sezione: si preferisce mettere delle barre di alluminio attorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico, costituito da lamiere al silicio (di chiama rotore a gabbia di scoiattolo).

Le barre di alluminio, chiuse in corto circuito, si comportano come un insieme di poche spire aventi ciascuna una elevata sezione in modo da sopportare le elevate correnti di corto circuito. Le correnti sono dovute alla tensione che si genera nelle barre: il campo magnetico generato dallo statore è variabile. Le correnti danno luogo ad un altro campo magnetico rotante generato sul rotore ed il rotore si muove.

Dati i parametri:

• f: frequenza del segnale di alimentazione,
• p: numero delle coppie polari di statore.

Il rotore ruota ad una velocità $\omega$. Il campo di statore ruota a velocità $\omega_0 = 60 \cdot f/p$.

N.B. Alle volte $\omega$ si indica con $n_r$ e $\omega_0$ con $n_s$.

Se le due velocità fossero uguali, i due campi sarebbero allineati: non si genererebbe coppia motrice, il motore si fermerebbe.

In funzionamento normale si ha $\omega < \omega_0$ (il motore è detto asincrono) per circa il 3-6%. Grazie a questa differenza tra le velocità, si manifesta il fenomeno dello scorrimento, che consente la produzione di coppia motrice.

Lo scorrimento assoluto è $S = \omega_0 - \omega$.

Lo scorrimento relativo (o slip) è:

$$s = \frac{\omega_0 - \omega}{\omega_0} = \frac{S}{\omega_0}$$

La coppia è proporzionale allo scorrimento, il quale dipende dal carico attaccato al motore. La velocità di rotazione del rotore dipende dal peso del carico.

Ovviamente il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico di fatto presente. Il carico non è mai zero perché sono sempre presenti i fenomeni dell’attrito e della ventilazione che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo, impegnando una certa coppia.

Outro

Il senso di marcia di un motore si cambia come segue:

• corrente continua: invertire + e -,
• stepper bipolare: invertire i due fili di una sola fase,
• asincrono trifase: scambiare tra loro 2 fasi, la terza rimane inalterata.

Confronto motori AC e DC a collettore (brushed)

Dimensioni: il motore DC occupa uno spazio maggiore rispetto al motore AC.

Momento d’inerzia: il motore DC ha un momento d’inerzia maggiore rispetto al motore AC. Il motore AC possiede una maggiore accelerazione a parità di coppia, e quindi una “agilità” migliore.

Temperatura massima: il motore AC raggiunge temperature più alte di un motore DC.

Manutenzione: il motore DC necessita di una notevole manutenzione, mentre il motore AC non necessita di manutenzione.

Velocità: il motore AC è più veloce di un motore DC.

Controllo: più facile per un motore DC.

Sono molto difficili da reperire motori AC di piccola taglia. Il motore DC è ideale per piccole applicazioni digitali.

Per quanto riguarda il rendimento, si può fare riferimento alla tabella seguente:

Potenza	Motore AC	Motore DC
1 kW	80 %	75 %
10 kW	87 %	77 %
50 kW	94 %	84 %
100 kW	95 %	90 %
350 kW	96 %	92 %
1 MW	97 %	93 %