Il fattore chiave per eliminare la coppia di cogging con la giusta tecnologia motoristica

La coppia di impuntamento (cogging torque), nota anche come coppia di ritenuta (detent torque), coppia a corrente nulla (no-current torque) o semplicemente “cogging”, è un effetto indesiderato osservato nei motori elettrici, in particolare nei motori a magneti permanenti. La causa principale del cogging è l’attrazione magnetica tra i magneti permanenti del rotore e i bordi dei denti dello statore. Durante la rotazione del rotore, queste interazioni magnetiche causano una variazione periodica della coppia, contribuendo all’ondulazione di coppia (torque ripple), aumentando vibrazioni e rumore e influenzando negativamente la regolarità di funzionamento del motore, soprattutto a basse velocità, rendendo più difficile il controllo preciso.

Avere un motore con bassa coppia di impuntamento è una considerazione fondamentale nelle applicazioni che richiedono un funzionamento preciso e regolare del motore, ad esempio nella robotica, nelle applicazioni medicali, nel settore aerospaziale e in vari tipi di macchinari di precisione. Comprendere e ridurre la coppia di impuntamento è essenziale per migliorare le prestazioni del motore in queste applicazioni sensibili. Ad esempio, le protesi azionate da motore (Fig.1) richiedono un movimento fluido e naturale per imitare accuratamente il movimento umano. La coppia di impuntamento può causare movimenti irregolari, ostacolando la funzionalità della protesi.

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Nei motori convenzionali con nucleo ferromagnetico, la riduzione del cogging può essere ottenuta tramite diverse misure, come l’inclinazione (skewing) degli avvolgimenti o dei magneti (Fig.2), la scelta di determinate combinazioni cave/poli, la sagomatura dei poli magnetici e l’applicazione di algoritmi di controllo avanzati. Tuttavia, tutte queste misure, pur riducendo la coppia di impuntamento, abbassano anche le prestazioni complessive del motore.

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Nei motori senza alloggiamenti non ci sono denti dello statore; pertanto, il meccanismo di interazione magnetica che potrebbe generare cogging semplicemente non è presente. Di conseguenza, i motori senza alloggiamenti offrono prestazioni migliori in termini di regolarità di funzionamento e precisione di controllo. Possono essere realizzati quasi privi di vibrazioni e silenziosi.

In Fig. 3 è riportata una rappresentazione qualitativa delle curve di coppia teoricamente possibili per un motore con nucleo ferromagnetico (motore con alloggiamenti), in cui le curve includono gli effetti combinati del cogging e delle armoniche spaziali. In questo caso si assume che non sia stata implementata alcuna delle misure di riduzione del cogging che compromettono le prestazioni del motore con alloggiamenti. L’ondulazione di coppia per un motore senza alloggiamenti è di un ordine di grandezza inferiore rispetto a quella di un motore con alloggiamenti, poiché nel motore senza alloggiamenti la coppia di impuntamento è zero e l’ondulazione di coppia dovuta alle armoniche spaziali non supera mai il 2%.

Riferimenti

[1] A. Krings, C. Monissen. (2020). Review and trends in electric traction motors for battery electric and hybrid vehicles. 10.1109/ICEM49940.2020.9270946.