Come leggere la nomenclatura dei codici di avvolgimento

La nomenclatura del codice di avvolgimento contiene due informazioni:

Ad esempio, la configurazione motore "4Y" è un avvolgimento a quattro spire in serie collegato a Stella, mentre 2D è un avvolgimento a due spire in serie collegato a Triangolo.

La Figura 1 riassume la nomenclatura dei codici di avvolgimento e le configurazioni solitamente disponibili per la maggior parte dei motori. 2D rappresenta l'estremità della gamma a tensione più bassa e corrente più alta, mentre 8Y quella a tensione più alta e corrente più bassa.

Le configurazioni disponibili dipendono dalle dimensioni del motore. I motori SlimTorq™ sono disponibili con opzioni a 2, 4 e 8 spire in serie, mentre altre dimensioni di motore utilizzano combinazioni come 2 e 6, oppure 1 e 3 spire.  

Vuoi confrontare le opzioni di avvolgimento disponibili? Esplora le configurazioni SlimTorq™ e GearTorq™ nel nostro Selettore Prodotti.

Cosa cambia con il numero di spire in serie?

Il numero di spire in serie è il conteggio dei singoli avvolgimenti di filo collegati in serie che compongono l'avvolgimento per una data fase in ogni polo magnetico. Ciò influisce sia sulla costante di coppia che su quella di tensione del motore. In questo articolo, la costante di coppia 𝐾_𝑡 segue la convenzione del catalogo Alva ed è espressa in relazione alla corrente RMS dell'asse q. La costante di tensione 𝐾_𝑒 si basa sulla forza controelettromotrice (back EMF) picco-picco tra le fasi. Altri produttori potrebbero utilizzare convenzioni diverse per rappresentare questi valori, il che potrebbe richiedere alcuni calcoli per effettuare un confronto.

All'interno del campo di funzionamento lineare di un motore a magneti permanenti, la coppia è approssimativamente proporzionale alla corrente sull'asse q:

T ≈ Kt × Iq

T = Coppia [Nm]
Kt = Costante di coppia [Nm/Arms]
Iq = Corrente RMS sull'asse q [Arms]

Un numero maggiore di spire in serie aumenta la costante di coppia, richiedendo quindi meno corrente per ottenere la stessa coppia. La costante di tensione aumenta in modo approssimativamente proporzionale alla costante di coppia. A una determinata velocità, il motore genera quindi una forza controelettromotrice maggiore, utilizzando una quota superiore della tensione disponibile dal servoazionamento per funzionare. Questo aspetto è particolarmente rilevante nelle applicazioni a velocità medio-alta. Un numero inferiore di spire comporta lo scambio opposto: è necessaria più corrente per la coppia, ma rimane un maggiore margine di tensione ad alta velocità.

All'interno della stessa famiglia di avvolgimenti (Delta o Stella), la resistenza e l'induttanza tra le fasi variano approssimativamente con il quadrato del rapporto tra le spire in serie.  

La Figura 2 riassume i compromessi progettuali legati alla scelta della configurazione delle spire in serie.

Qual è la differenza tra collegamento a Stella e a Delta?

Stella e Delta descrivono il modo in cui le tre fasi del motore sono interconnesse.

Nel collegamento a Stella, un'estremità di ciascuna fase è unita in un punto interno comune. Nel collegamento a Delta, le fasi sono collegate testa-coda a formare un triangolo chiuso.

Per lo stesso avvolgimento di fase sottostante e utilizzando le stesse convenzioni di corrente e tensione a livello di linea:

• Kt e Ke nel collegamento a Stella sono circa √3 volte i loro valori nel collegamento a Delta.  

• La resistenza e l'induttanza tra le fasi nel collegamento a Stella sono circa tre volte i loro valori nel collegamento a Delta.  

• La corrente richiesta per la stessa coppia nel collegamento a Stella è circa 1/√3 della corrente nel collegamento a Delta.  

• La velocità a vuoto alla stessa tensione ai terminali è circa 1/√3 della velocità nel collegamento a Delta.  

Nessuna delle due connessioni è intrinsecamente migliore. La Stella favorisce un campo di funzionamento a tensione più alta e corrente più bassa. Il Delta favorisce un campo di funzionamento a tensione più bassa e corrente più alta.

Ecco perché il passaggio da 2D a 8Y sposta gradualmente il motore da un'interfaccia elettrica ad alta corrente e velocità elevata a una a bassa corrente e velocità ridotta. La scelta corretta dipende sempre dall'applicazione specifica.

Una costante di coppia più elevata non significa necessariamente un motore più potente

Confrontare le schede tecniche di diverse configurazioni di avvolgimento può portare a conclusioni errate se si utilizza la costante di coppia (Kt) più alta come unico criterio per selezionare il motore migliore per un'applicazione. Questo criterio di selezione è incompleto e il sistema deve essere analizzato andando oltre la sola costante di coppia.

Quando il numero di spire aumenta, la corrente richiesta per una determinata coppia diminuisce, ma la resistenza dell'avvolgimento aumenta. Nello scenario ideale, le perdite nel rame a parità di coppia rimangono invariate, ma ciò non include le perdite dell'inverter, le perdite nei cavi o le perdite del motore dipendenti dalla velocità:

Pcu ∝ I^²R

Se la corrente viene dimezzata e la resistenza diventa quattro volte superiore, I^²R rimane invariato. Un avvolgimento con più spire non fornisce automaticamente una coppia maggiore limitata dalle perdite nel rame o una migliore efficienza del motore.  

La costante del motore rimane quindi invariata tra le varianti di avvolgimento della stessa geometria del motore. Con la convenzione di Alva per la resistenza tra le fasi e la corrente RMS sull'asse q, la costante del motore è:

Km = Kt / √(3/2 × RLL)

Anche la costante di tempo elettrica rimane invariata poiché l'induttanza e la resistenza variano nella stessa proporzione:

τ = LLL / RLL

Ecco perché il catalogo SlimTorq™ riporta una costante del motore e una costante di tempo elettrica per le diverse opzioni di avvolgimento di una determinata variante di motore. L'avvolgimento modifica l'interfaccia tensione-corrente, non la dimensione elettromagnetica intrinseca del motore.  

A livello di sistema, la scelta dell'avvolgimento può comunque influire sull'efficienza. Una corrente inferiore può ridurre le perdite nei cavi e le perdite per conduzione nell'inverter. Una Ke inferiore può preservare il margine di tensione ad alta velocità. Il motore, l'azionamento, i cavi e l'alimentatore devono quindi essere valutati come un unico sistema.

Un esempio pratico: STM-75-20-L

I due estremi delle opzioni di configurazione dell'avvolgimento per i prodotti Alva SlimTorq™ STM-75-20-L - 2D e 8Y - illustrano chiaramente questo compromesso, come mostrato nella Figura 4.

L'avvolgimento 8Y produce la stessa coppia continua da catalogo con circa l'85% di corrente in meno rispetto a quanto richiesto dal 2D. Allo stesso tempo, la sua Ke è circa sette volte superiore, mentre la resistenza e l'induttanza sono circa 48 volte superiori.

La corrente richiesta può anche essere stimata direttamente dalla Kt:

2D: 0,654 Nm / 0,032 Nm/Arms ≈ 20,4 Arms

8Y: 0,654 Nm / 0,219 Nm/Arms ≈ 3,0 Arms

La configurazione 8Y è quindi ideale quando l'applicazione è limitata dalla corrente e opera a velocità moderata. La configurazione 2D è più adatta quando la tensione disponibile è bassa, l'azionamento può fornire una corrente elevata o un avvolgimento con un numero di spire maggiore risulterebbe limitato dalla tensione alla velocità richiesta.  

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In che modo la configurazione dell'avvolgimento influisce sulla scelta del servoazionamento?

Le configurazioni dell'avvolgimento dovrebbero sempre essere selezionate tenendo a mente il servoazionamento previsto.

Corrente alla coppia richiesta

All'interno dell'intervallo operativo lineare, la corrente approssimativa RMS dell'asse q è:

Iq ≈ T / Kt

È necessario verificare sia i punti di funzionamento continui che quelli di picco. L'azionamento deve essere in grado di fornire la corrente richiesta per la durata specificata e nel rispetto delle proprie condizioni termiche, di raffreddamento e di frequenza di commutazione.

La convenzione corrente deve corrispondere a quella della scheda tecnica. Corrente di braccio, di picco, di fase e del bus DC non sono intercambiabili. SlimTorq™ I valori Kt si basano sulla corrente RMS dell'asse q.  

Tensione alla velocità richiesta

A regime, l'azionamento deve superare la forza contro-elettromotrice del motore, nonché le cadute di tensione resistive e induttive. Deve inoltre mantenere un margine di tensione per la modulazione dell'inverter e il controllo della corrente.

La tensione motore richiesta è una combinazione vettoriale della forza contro-elettromotrice e delle componenti di tensione resistiva e induttiva. Pertanto, il valore Ke moltiplicato per la velocità non dovrebbe essere confrontato direttamente con la tensione nominale del bus DC, a meno che le convenzioni di picco/RMS, fase/linea e modulazione dell'inverter non siano gestite in modo coerente.

Un numero maggiore di spire in serie o un avvolgimento a stella può soddisfare il requisito di coppia con poca corrente, ma fallire alla velocità massima perché l'azionamento non fornisce una tensione sufficiente. Un numero inferiore di spire in serie o un avvolgimento a triangolo può avere un ampio margine di tensione, ma fallire perché la corrente richiesta supera la capacità nominale dell'azionamento.  

La resistenza deve essere valutata anche alla temperatura operativa prevista. La resistenza del rame aumenta all'aumentare della temperatura dello statore. Il catalogo prodotti Alva specifica la resistenza a 20°C ed esclude i cavi motore; pertanto, la resistenza dell'avvolgimento a caldo e la caduta di tensione dei cavi devono essere incluse nel modello di sistema finale.  

Induttanza e frequenza di commutazione

I motori SlimTorq™ sono privi di cave e possono presentare una bassa induttanza, in particolare nelle configurazioni a triangolo con un basso numero di spire. L'azionamento del motore deve essere in grado di regolare la corrente senza un eccessivo ripple di corrente.

Alva raccomanda generalmente frequenze di commutazione elevate per i motori SlimTorq™. È possibile utilizzare un filtro di uscita per aggiungere induttanza al sistema ove necessario, sebbene la sua idoneità e il suo design debbano essere valutati per l'applicazione specifica. Poiché i motori SlimTorq™ presentano una forza contro-elettromotrice quasi sinusoidale, si raccomanda la commutazione sinusoidale o il controllo orientato al campo per ottenere la massima precisione e prestazioni.

Come selezionare la configurazione di avvolgimento corretta?

Quando si seleziona una configurazione di avvolgimento per un servoazionamento esistente, la corrente disponibile e la velocità richiesta sono considerazioni chiave. La configurazione di avvolgimento corretta lascia sia una capacità di corrente sufficiente alla coppia richiesta, sia un margine di tensione sufficiente alla velocità richiesta.

Un processo di selezione pratico è:

1. Definisci l'inviluppo operativo completo: coppia continua, coppia di picco e durata, velocità massima, ciclo di lavoro e condizioni di raffreddamento.  

2. Definisci i limiti elettrici: tensione del bus DC utilizzabile, corrente continua e di picco dell'azionamento, frequenza di commutazione e lunghezza del cavo.  

3. Individua il punto operativo più critico in termini di fabbisogno di potenza (coppia elevata e alta velocità), scegli l'opzione di avvolgimento in grado di gestire questa operazione entro i limiti dell'azionamento e con un adeguato margine.  

4. Verifica la corrente richiesta in ogni punto di coppia utilizzando la costante di coppia Kt della scheda tecnica e la relativa convenzione di corrente, includendo un margine per le perdite.  

5. Verifica il requisito di tensione alla massima velocità utilizzando Ke, resistenza a caldo, induttanza, caduta di tensione sul cavo e un margine di controllo sufficiente.  

Un buon punto di partenza consiste nel selezionare l'avvolgimento con il Kt più alto che raggiunga comunque la velocità massima richiesta con un margine di tensione sufficiente e che rimanga compatibile con la capacità di controllo della corrente dell'azionamento. Spesso questo riduce al minimo la corrente di sistema senza limitare inutilmente la velocità, ma la scelta finale deve essere convalidata a livello di sistema.

In generale, i sistemi a bassa velocità o limitati in corrente tendono a favorire un numero maggiore di spire in serie e avvolgimenti a stella. I sistemi ad alta velocità, a bassa tensione o limitati in tensione tendono a favorire un numero inferiore di spire in serie e avvolgimenti a triangolo. Configurazioni intermedie come 4D o 4Y bilanciano le due opzioni e possono essere utili per applicazioni più dinamiche che richiedono sia alte velocità che bassi assorbimenti di corrente.  

Flessibilità degli avvolgimenti con FiberPrinting™

La tecnologia FiberPrinting™ di Alva consente di realizzare avvolgimenti statorici precisi, non inclinati, senza ferro e senza cave, con un elevato fattore di riempimento del rame. Permette ai motori SlimTorq™ e GearTorq™ di essere offerti con diverse configurazioni di avvolgimento standard e supporta configurazioni personalizzate quando la gamma standard non soddisfa l'applicazione.

L'architettura senza cave mantiene la coppia proporzionale alla corrente su un ampio intervallo operativo, senza il meccanismo di saturazione dei denti dello statore tipico dei motori con cave. I limiti termici, di tensione, di corrente, di velocità meccanica e di temperatura dei magneti definiscono comunque l'inviluppo operativo pratico.  

Considerazioni finali

Configurazioni di avvolgimento diverse non corrispondono a classi di potenza diverse. Si tratta di caratteristiche elettriche differenti dello stesso motore meccanico.

La scelta corretta non è quindi la configurazione di avvolgimento con la costante di coppia più alta o la velocità di catalogo più elevata. È l'avvolgimento che consente all'intero sistema motore-azionamento-termico di soddisfare ogni punto operativo richiesto con un margine sufficiente.

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