Indice

Il processo FiberPrinting™

Deposizione

Formatura

Stampaggio

Maggiore Copper Fill Factor e avvolgimenti più sottili

Geometria ottimale degli avvolgimenti

Efficienza e flessibilità produttive senza paragoni

La tecnologia giusta al momento giusto

Collabora con noi

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Sia le macchine elettriche Motori senza alloggiamenti sia quelle senza ferro, inclusi motori e generatori, impiegano avvolgimenti privi di denti in ferro. Alva Industries AS ha sviluppato e brevettato un metodo produttivo altamente flessibile e scalabile chiamato FiberPrinting™ che consente la realizzazione di macchine Motori senza alloggiamenti e senza ferro con prestazioni rivoluzionarie. I dettagli della tecnologia sono descritti in diversi brevetti pubblicati. Questo testo fornisce solo un breve riepilogo.

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Il processo FiberPrinting™ è descritto al meglio in tre fasi:

1. Deposizione: in primo luogo, fili di rame e fibre strutturali vengono combinati per formare un materiale composito piatto e flessibile (Fig. 1). I fili di rame all’interno del materiale costituiranno l’avvolgimento elettrico nel motore elettrico o generatore finito.

2. Formatura: quindi, il materiale composito viene formato in una forma cilindrica e posizionato all’interno di uno stampo. Nello stampo viene aggiunto un materiale di riempimento stabilizzante (tipicamente resina epossidica).

3. Stampaggio: infine, il materiale composito e lo stabilizzante vengono polimerizzati e sformati (Fig. 2). Il risultato è un componente cilindrico autoportante con avvolgimento in rame integrato che genera un campo magnetico rotante quando collegato a un’alimentazione in corrente alternata (AC).

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L’applicazione della tecnologia FiberPrinting™ di Alva porta a miglioramenti sostanziali nelle prestazioni del prodotto, resi possibili da due fattori principali: (1) la capacità di realizzare uno statore più sottile rispetto ai concorrenti mantenendo la stessa area efficace di sezione trasversale di rame, che si riflette in un Copper Fill Factor (CFF)² più elevato; e (2) una geometria degli avvolgimenti migliorata all’interno dello statore, che consente una maggiore produzione di coppia a parità di corrente elettrica.

Maggiore copper fill factor e avvolgimenti più sottili

Per mantenere basse le perdite nell’avvolgimento in rame, è necessaria un’adeguata area di sezione trasversale dei conduttori in rame, così da garantire una bassa resistenza elettrica. Idealmente, tutta l’area disponibile dovrebbe essere riempita di rame, equivalente a un CFF del 100%. Tuttavia, nella pratica, a causa della necessità di isolamento tra i trefoli di rame, della forma dei trefoli e delle imperfezioni delle tecnologie di produzione, solo una parte dell’area disponibile è occupata dal rame. Poiché l’area di rame richiesta non può essere ridotta se si vogliono mantenere basse le perdite, un CFF basso porta a un aumento dell’area totale occupata dall’avvolgimento, con conseguenti progetti di statori più spessi che a loro volta comportano un peso maggiore della macchina elettrica e l’utilizzo di una quantità superiore dei costosi materiali a magneti permanenti.

I metodi produttivi convenzionali utilizzano uno dei due principali processi di produzione, entrambi basati sull’avvolgimento di due strati di avvolgimenti in rame insieme, separati da uno strato intermedio di materiale isolante inattivo.

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Le due alternative sono:

1. Avvolgere le bobine di rame attorno a una striscia di plastica, che poi rimane all’interno dell’avvolgimento, occupando spazio che altrimenti verrebbe utilizzato per il rame (metodo illustrato in Fig. 3),

2. Laminare insieme fogli di rame incisi con precisione con uno strato intermedio di materiale isolante, prima di saldare manualmente i fogli di rame tra loro lungo la circonferenza del componente statorico – lasciando ancora una volta il materiale isolante inattivo nello statore, a occupare un volume prezioso dove sarebbe preferibile il rame.

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Poiché entrambi i processi produttivi prevedono uno strato di materiale inattivo che rimane all’interno del componente statorico, molti dei produttori esistenti di motori senza ferro faticano ad aumentare il CFF oltre il 30%. Per confronto, la tecnologia di Alva consente un CFF molto più elevato, >50%. Visivamente, la differenza è illustrata in Fig. 4, che confronta una vista in sezione trasversale di un avvolgimento realizzato con metodi convenzionali e uno realizzato con la tecnologia FiberPrinting™. Un CFF più elevato consente di realizzare statori notevolmente più sottili, con un conseguente aumento significativo della densità di coppia del motore.

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Geometria ottimale degli avvolgimenti

Il secondo fattore che contribuisce all’aumento delle prestazioni delle macchine senza ferro o Motori senza alloggiamenti realizzate con la tecnologia FiberPrinting™ è la libertà che il processo produttivo offre nel modo in cui vengono formati gli avvolgimenti in rame. Con le tecnologie produttive tradizionali sopra menzionate, l’avvolgimento attorno a una striscia di plastica o l’uso di fogli di rame incisi con precisione impongono in entrambi i casi al produttore di mantenere un angolo degli avvolgimenti in rame per far avanzare gli avvolgimenti lungo la forma circolare della superficie dello statore. Come illustrato in Fig, 5, la forza (F) generata dalle bobine nell’interazione con i magneti del rotore è proporzionale al seno dell’angolo con cui sono avvolte le bobine di rame. In altre parole, il pattern di avvolgimento ideale è utilizzare avvolgimenti completamente rettilinei, possibile con FiberPrinting™ ma non con altri processi produttivi.

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Efficienza e flessibilità produttive senza paragoni

La tecnologia produttiva di Alva elimina il lavoro lungo e ad alta intensità di manodopera legato alla produzione del componente statorico senza ferro, che di solito è la parte più complessa e costosa da realizzare (la produzione del componente statorico può rappresentare >60% del costo di produzione di un motore elettrico o generatore completo).

Poiché ogni fase del nuovo processo produttivo può essere automatizzata e consente una produzione ad alti volumi con un coinvolgimento minimo o nullo di lavoro manuale, FiberPrinting™ è probabilmente la prima soluzione praticabile alle sfide della produzione su scala di macchine senza ferro e a un livello di costo sostenibile.

Il processo produttivo FiberPrinting™ è completamente flessibile e permette di realizzare un’ampia varietà di avvolgimenti. Questa flessibilità intrinseca elimina i costi di riconfigurazione e riattrezzaggio della linea produttiva per nuove dimensioni e specifiche di prodotto, che in alcuni casi possono costare milioni di Euro con i metodi produttivi convenzionali (ad es. €15-18 million riportati in [3]), poiché questi consentono un solo prodotto per linea produttiva alla volta.

La flessibilità di FiberPrinting™ può essere paragonata alle caratteristiche di una stampante 3D, in cui la linea produttiva può generare una varietà di output con dimensioni diverse e con differenti proprietà elettriche, senza regolazioni delle macchine di produzione stesse. Questo si spiega esaminando la fase iniziale del processo produttivo, ovvero la produzione del materiale composito elettromagnetico, e come questo materiale si collega al prodotto statorico finito:

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1. Per modificare la lunghezza assiale del componente statorico, la FiberPrinter produce un tappeto composito più largo.

2. Per modificare il diametro dello statore, la FiberPrinter produce un tappeto più lungo o più corto.

3. Per modificare le proprietà elettriche dello statore, la FiberPrinter utilizza fili di rame diversi oppure combina i fili di rame secondo un pattern di avvolgimento differente all’interno del materiale composito.

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In questo modo, modificare l’output della linea produttiva FiberPrinting™ è un processo semplice ed efficace di modifica dell’input alla macchina di produzione e non richiede ulteriori riattrezzaggi o riconfigurazioni.

In sintesi, FiberPrinting™ mette in discussione il pensiero convenzionale su come progettiamo e produciamo le macchine elettriche e offre numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali in termini di scalabilità, flessibilità e prestazioni del prodotto.

La nuova tecnologia che arriva al momento giusto

L’innovazione di Alva a livello produttivo per macchine elettriche leggere ed efficienti dal punto di vista energetico si colloca in un momento particolarmente favorevole, in parallelo alle recenti innovazioni in tecnologie complementari come l’elettronica di potenza e le batterie, dove l’evoluzione si orienta in generale verso soluzioni più leggere, più compatte e più efficienti energeticamente.

In una prospettiva più ampia, le innovazioni di Alva sono anche ben sincronizzate perché rendono le macchine senza ferro e Motori senza alloggiamenti più convenienti e disponibili come alternativa tecnologica elettrica, accelerando così la transizione globale verso soluzioni elettriche sostenibili e rispettose dell’ambiente.

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Collabora con noi

In Alva, ci impegniamo a rendere la nostra innovativa tecnologia FiberPrinting™ accessibile a un mercato più ampio. Siamo aperti a concedere in licenza le nostre tecnologie di produzione per permettere ad altre aziende di produrre motori ad alte prestazioni Motori senza alloggiamenti utilizzando le proprie supply chain e capacità produttive. Questo approccio collaborativo non solo aiuta a scalare la produzione di macchine elettriche a elevata efficienza energetica, ma favorisce anche innovazione e adattamento in tutto il settore.

Accogliamo con favore opportunità di cooperazione e la creazione di joint venture con aziende interessate a valorizzare la nostra tecnologia. Il nostro team è dedicato a supportare i partner nello sviluppo dei prodotti, nelle prime serie di produzione e nell’installazione delle attrezzature di produzione presso gli stabilimenti dei partner. Contattateci per maggiori informazioni.

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Restate in ascolto...

Oltre alle nostre iniziative collaborative, stiamo ampliando continuamente il nostro portafoglio di prodotti Alva Standard. Le nostre soluzioni altamente personalizzabili sono progettate per soddisfare le esigenze diversificate della clientela. Restate in ascolto mentre introdurremo nuove taglie e configurazioni che mantengono le elevate prestazioni e la flessibilità per cui FiberPrinting™ è conosciuta.

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Riferimenti:

[1] Brevetto US11646645B2 “Electromagnetic mat for a stator or rotor component of an electric machine”.

[2] Brevetto US9425664B2 “Composite stator for electromechanical power conversion”.

[3] A. Kampker, P. Burggräf, C. Nee, Costs, quality and scalability: Impact on the value chain of electric engine production, 2012, 2nd International Electric Drives Production Conference, EDPC 2012 - Proceedings.1-6. 10.1109/EDPC.2012.6425089.

¹ Con numerazioni rimosse.

² Il CFF è una misura della quantità di rame per area/volume nel componente statorico e determina in larga misura le prestazioni della macchina elettrica. Più alto è, meglio è.

³ Con frecce e testo aggiunti da Alva.