Saturazione e capacità di coppia di picco dei motori senza alloggiamenti

I motori elettrici convenzionali utilizzano nuclei realizzati con materiali ferromagnetici per supportare l’avvolgimento e aumentare la densità di flusso magnetico e la densità di energia del motore. La saturazione è lo stato che i materiali ferromagnetici raggiungono quando un aumento del campo magnetico esterno applicato H non può incrementare ulteriormente la magnetizzazione del materiale, per cui la densità di flusso magnetico totale B inizia ad appiattirsi. La saturazione è visibile in modo più chiaro nella curva di magnetizzazione (detta anche curva B-H) di un determinato materiale, come una curvatura della curva verso destra (Fig. 1). Il limite di saturazione viene raggiunto nel punto [B₂,H₂], tuttavia la curva inizia ad appiattirsi già prima, nel punto [B₁,H₁].

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Le lamiere laminate di acciaio elettrico utilizzate nei nuclei dei motori elettrici sono realizzate con materiali ferromagnetici; pertanto, sono anch’esse soggette a saturazione. Diversi gradi di acciaio vanno in saturazione a diversi livelli di H e B – vedi Fig. 2.

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La relazione tra H e B può essere descritta come B = μH, dove μ è la permeabilità magnetica. Lungo la curva B-H, μ varia come mostrato in Fig. 3. Per valori più elevati di H, la permeabilità magnetica diminuisce verso la permeabilità magnetica dello spazio libero (ad es. vuoto, aria).

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Nelle macchine elettriche, il campo magnetico esterno H è generato dalle correnti che scorrono nelle bobine di rame; pertanto, H è proporzionale alla corrente. Dopo il raggiungimento della saturazione, quando la corrente aumenta ulteriormente, H cresce proporzionalmente e la permeabilità dell’acciaio μ diminuisce fino al livello per cui l’acciaio diventa magneticamente equivalente all’aria. In un motore reale, i denti che in un dato istante portano le correnti più elevate entrano in piena saturazione – vedi le aree rosse in Fig. 4 – e, in senso magnetico, “scompaiono” come parti che conducono flusso magnetico.

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La qualità del motore, tra gli altri fattori, è definita dalla sua capacità di tradurre la corrente in ingresso in coppia in uscita. La linearità della caratteristica corrente-coppia è un’importante figura di merito, poiché è più semplice controllare un motore in cui la coppia aumenta linearmente con la corrente per l’intero campo di funzionamento del motore. Quando la corrente in ingresso aumenta, mentre i motori con nucleo ferromagnetico vanno in saturazione e non possono fornire una coppia adeguata, i motori senza alloggiamenti continuano a fornire una coppia crescente, proporzionale alla corrente (Fig. 5). Grazie a questa caratteristica, i motori senza alloggiamenti convenzionali mostrano coppie di picco paragonabili o addirittura superiori (con una durata possibile di alcuni secondi) rispetto ai motori convenzionali con nucleo ferromagnetico.

FiberPrinted™ motors, avendo un fattore di riempimento del rame più elevato e una geometria dell’avvolgimento più ottimale rispetto ai motori senza alloggiamenti convenzionali, mostrano una maggiore capacità di coppia rispetto a questi motori senza alloggiamenti e superano i motori con nucleo ferromagnetico nella coppia di picco (Fig. 6).

La modellazione mostra che, anche a correnti fino a 10 volte quella nominale, il giogo di ritorno (back iron) nei FiberPrinted™ motors non va in saturazione. Pertanto, nella pratica, i motori Alva possono essere considerati “di fatto non soggetti a saturazione”.

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Riferimenti

[1] J. Kappatou, G. Zalokostas, D. Spyratos (2016). Design optimization of axial flux permanent magnet (AFPM) synchronous machine using 3D FEM analysis. Journal of Electromagnetic Analysis and Applications. 08. 247-260.10.4236/jemaa.2016.811023.

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Approfondisci:

• FiberPrinting™: The revolution in the realm of the ironless and slotless motors.
  

• Il valore di un’elevata costante motore