Nel panorama tecnologico odierno in rapido progresso, i motori ad alta velocità stanno diventando la principale fonte di energia in molteplici campi di fascia alta. Dai veicoli destinati alle nuove energie all'aerospaziale, dalla produzione di precisione alle apparecchiature energetiche, dietro queste applicazioni all'avanguardia si nasconde il supporto di una tecnologia chiave: la tecnologia degli statori dei motori ad alta velocità.
Quando parliamo di motori ad alta velocità, spesso vengono in mente l'elevata velocità di rotazione e l'elevata potenza. Infatti i motori con velocità superiori a 10.000 giri/min sono classificati come motori ad alta velocità. La loro capacità di diventare il fulcro di numerosi settori industriali è interamente dovuta alle loro caratteristiche di dimensioni ridotte e di elevata densità di potenza.
Essendo il 'cuore' di un motore ad alta velocità, la superiorità tecnologica dello statore determina direttamente le prestazioni, l'efficienza e l'affidabilità dell'intero motore.
01 Le sfide dei motori ad alta velocità
I motori ad alta velocità non sono semplicemente normali motori che funzionano più velocemente. Con l’aumento della velocità, si presentano una serie di sfide senza precedenti.
La perdita ad alta frequenza è la prima e principale sfida. La frequenza della corrente dell'avvolgimento dello statore e il flusso magnetico nel nucleo di ferro aumentano notevolmente con l'aumento della velocità, generando significative perdite aggiuntive ad alta frequenza negli avvolgimenti del motore, nel nucleo dello statore e nel rotore.
L’effetto pelle e l’effetto di prossimità sono generalmente trascurabili alle basse frequenze ma diventano estremamente significativi alle alte frequenze.
Il problema della dissipazione del calore è altrettanto impegnativo. I motori ad alta velocità sono molto più piccoli dei motori a velocità convenzionale di potenza equivalente, il che comporta un'elevata densità di potenza e densità di perdite, rendendo difficile la dissipazione del calore.
Senza misure di raffreddamento speciali, può verificarsi un aumento eccessivo della temperatura del motore, riducendo la durata dell'avvolgimento.
Nei motori a magneti permanenti, un eccessivo aumento della temperatura del rotore può anche portare alla smagnetizzazione irreversibile dei magneti permanenti.
Le sfide nei processi di produzione non dovrebbero essere sottovalutate. Una gestione impropria della cilindricità e della coassialità del foro dello statore può causare uno squilibrio della forza del campo magnetico durante il funzionamento del rotore, generando un'accelerazione delle vibrazioni basata sulle variazioni del traferro.
02 Tecnologia dell'avvolgimento dello statore
Gli avvolgimenti dello statore sono un fattore chiave per migliorare l'efficienza, la durata, il volume e i costi del motore. Per affrontare le sfide dell’elettrificazione dei trasporti, è fondamentale selezionare la tecnologia di avvolgimento appropriata e una progettazione adeguata.
Attualmente esistono tre principali tecnologie di avvolgimento: avvolgimenti Pull-In, , avvolgimenti Hairpin e filo Litz formato..
Gli avvolgimenti pull-in sono costituiti da fili tondi inseriti nelle fessure, con ciascun filo isolato e più fili posizionati fianco a fianco. Il fattore di riempimento per questo tipo di avvolgimento può raggiungere dal 40% al 45%.
Gli avvolgimenti a forcina, noti anche come avvolgimenti a barra, sono composti da barre di rame massiccio isolate individualmente. Le barre preformate a forma di U vengono inserite nelle fessure del motore e le estremità aperte delle barre di rame vengono piegate e collegate mediante saldatura. Il fattore di riempimento per HPW può superare il 50%.
Il filo Litz formato è costituito da fasci di trefoli attorcigliati, compressi e collegati in parallelo per formare barre. I trefoli isolati individualmente vengono trasposti continuamente lungo la direzione assiale del motore. Il fattore di riempimento ottenibile per FLW è paragonabile a quello di HPW.
Tra i tre tipi di avvolgimento, gli avvolgimenti Hairpin e il filo Litz formato presentano fattori di riempimento più elevati, il che significa design più compatti e densità di potenza più elevata.
03 Strutture statoriche innovative
Affrontando le sfide particolari degli ambienti ad alta velocità, i ricercatori hanno sviluppato varie strutture statoriche innovative.
Il motore a magneti permanenti dello statore è un design innovativo. Rompe i vincoli dei tradizionali motori di trazione dei veicoli posizionando i magneti permanenti nello statore anziché nel rotore.
Questo design offre numerosi vantaggi: il rotore non ha né materiale magnetico permanente né avvolgimenti di armatura, il che lo rende semplice e robusto, particolarmente adatto per il funzionamento ad alta velocità; sia i magneti permanenti che gli avvolgimenti dell'indotto sono posizionati nello statore, facilitando il raffreddamento; la magnetizzazione dei magneti permanenti può essere ottenuta modificando ragionevolmente il metodo di connessione degli avvolgimenti dell'armatura.
La struttura dello statore Slotless è un'altra soluzione innovativa. Nei motori a magneti permanenti ad alta velocità, la frequenza del campo magnetico alternato è molto elevata, portando a una significativa perdita del ferro dello statore, a un forte riscaldamento e alla coppia di cogging che provoca ondulazioni della coppia.
L'adozione di una struttura dello statore senza slot può ridurre efficacemente la perdita di ferro ed eliminare completamente gli effetti della coppia di cogging.
Alcuni studi combinano l'elevata permeabilità, l'elevata resistività e le caratteristiche di basso costo della ferrite magnetica morbida, utilizzandola come nucleo dello statore per motori CC brushless a magneti permanenti ad alta velocità, impiegando anche una struttura dello statore senza slot.
La struttura dell'avvolgimento toroidale è un nuovo progetto proposto dall'Università di Tecnologia di Shenyang nella sua ricerca sui motori a magneti permanenti ad alta velocità.
Nell'avvolgimento toroidale, i lati dello strato inferiore delle bobine sono posizionati in 6 fessure del nucleo dello statore, mentre i lati dello strato superiore sono distribuiti in 24 fessure sul bordo esterno del giogo dello statore. Ciò non solo aumenta l'area di ventilazione e dissipazione del calore sulla superficie dello statore, ma consente anche al flusso d'aria di raffreddamento di raffreddare direttamente gli avvolgimenti dello statore.
04 Tecnologia di raffreddamento e progettazione termica
Il sistema di raffreddamento di un motore ad alta velocità è fondamentale per il suo funzionamento affidabile. Un sistema di raffreddamento ben progettato può ridurre efficacemente l'aumento di temperatura dello statore e del rotore, il che è fondamentale per il funzionamento stabile a lungo termine dei motori ad alta velocità ad alta potenza.
Le tecnologie di raffreddamento dello statore sono diverse. Per le strutture chiuse con camicia d'acqua, la temperatura alle estremità dell'avvolgimento è relativamente elevata durante l'autoraffreddamento interno.
Gli ingegneri hanno scoperto attraverso la pratica che la regolazione della direzione del flusso d'acqua, adottando un metodo in cui l'acqua entra dal centro ed esce da entrambi i lati, può migliorare efficacemente la dissipazione del calore.
Per i motori ad alta velocità di grandi dimensioni, è possibile aggiungere una ventola del rotore e l'organizzazione interna del flusso d'aria può essere progettata per segmentare lo statore al centro, fungendo da canale di aspirazione dell'aria dalla parte centrale esterna dell'involucro, con scarico del gas da entrambe le estremità. Il resto dell'involucro presenta una struttura raffreddata ad acqua con l'acqua che entra dal centro ed esce da entrambi i lati.
Anche il trattamento migliorato di dissipazione del calore per le estremità degli avvolgimenti è una tecnologia specifica per i motori ad alta velocità. A differenza dei motori tradizionali, i motori ad alta velocità adottano metodi come l'eliminazione dei tradizionali cunei delle fessure per migliorare le condizioni di raffreddamento.
La tecnologia di raffreddamento a spruzzo viene applicata anche per dissipare il calore dalle teste di avvolgimento. Questo metodo di raffreddamento diretto rimuove efficacemente il calore generato dagli avvolgimenti, garantendo un funzionamento stabile del motore in ambienti ad alta temperatura.
05 Tendenze di sviluppo futuro
Con il continuo progresso tecnologico, la tecnologia degli statori dei motori ad alta velocità si sta sviluppando verso una maggiore efficienza, maggiore affidabilità e maggiore intelligenza.
L’applicazione di nuovi materiali sarà fondamentale. L'uso di materiali come la ferrite magnetica morbida con elevata permeabilità e alta resistività, insieme a materiali isolanti ad alte prestazioni, migliorerà ulteriormente l'efficienza operativa e l'affidabilità dello statore.
La progettazione integrata è un’altra tendenza importante. La progettazione di motori ad alta velocità è un processo completo e iterativo che coinvolge molteplici campi fisici: campi elettromagnetici, forza del rotore, dinamica del rotore, campi di fluidi e campi di temperatura.
In futuro, attraverso la simulazione e l’ottimizzazione dell’accoppiamento multifisico, la tecnologia dello statore sarà integrata più strettamente con altri sistemi motore.
L’innovazione nei processi di produzione farà avanzare anche la tecnologia degli statori. Con lo sviluppo della stampa 3D e delle tecnologie di lavorazione di precisione, diventeranno possibili strutture statoriche più complesse e ottimizzate, spingendo ulteriormente i limiti prestazionali dei motori ad alta velocità.
Attualmente, la ricerca nel campo dei motori ad alta velocità in Cina è in continuo approfondimento. Diverse università e istituti di ricerca, come l’Università di Zhejiang, l’Università di Tecnologia di Shenyang e l’Università di Scienza e Tecnologia di Harbin, hanno compiuto progressi significativi in questo campo.
Dalle apparecchiature industriali alla vita quotidiana, le innovazioni nella tecnologia degli statori dei motori ad alta velocità stanno silenziosamente cambiando il nostro mondo.
In futuro, con l'applicazione di nuovi materiali e nuovi processi, la tecnologia degli statori dei motori ad alta velocità continuerà a sfondare, fornendo uno slancio più forte, più efficiente e potente al progresso tecnologico umano.
