Motori e generatori elettrici alimentano apparecchiature moderne in vari settori industriali, nei trasporti e nei sistemi energetici. Il tipo di acciaio laminato utilizzato nel nucleo del motore svolge un ruolo fondamentale in termini di efficienza, riduzione delle perdite e affidabilità a lungo termine.
Comprensione dei gradi di acciaio per laminazione dei motori
Nel cuore di ogni motore elettrico e generatore, il nucleo motore è costituito da sottili lamine di acciaio sovrapposte che incanalano con precisione il flusso magnetico e rendono possibile una conversione efficiente dell’energia.
A differenza dell’acciaio strutturale comune, l’acciaio laminato è appositamente progettato per soddisfare rigorosi requisiti di prestazioni magnetiche ed elettriche.
Perché laminazioni invece di acciaio massiccio?
Il campo magnetico nel nucleo di un motore o di un generatore cambia quando la corrente alternata attraversa i suoi avvolgimenti. Un nucleo in acciaio pieno permetterebbe la formazione di correnti parassite, causando un’eccessiva generazione di calore e una perdita di energia.
Per combattere questo problema:
- Il nucleo è costituito da fogli sottili anziché da un blocco solido.
- Ogni foglio è rivestito con uno strato isolante per impedire il contatto elettrico.
- La pila di fogli isolati riduce drasticamente le perdite dovute a correnti parassite.
Le prestazioni del nucleo non dipendono solo dalla costruzione laminata, ma anche dalla scelta del grado di acciaio più adatto, ottimizzato per efficienza magnetica, producibilità, prestazioni termiche e costi.
Cosa definisce un grado di acciaio laminato?
Un grado di acciaio laminato comprende:
- Composizione chimica (ad esempio, contenuto di silicio, elementi di lega)
- Spessore (calibro del foglio)
- Proprietà magnetiche (perdita del nucleo e permeabilità)
- Proprietà meccaniche (duttilità, qualità dei bordi dopo la formatura)
- Tipo di rivestimento superficiale (per isolamento, resistenza alla corrosione, saldabilità)
Standard quali ASTM, EN, JIS e GB definiscono intervalli accettabili per queste proprietà, consentendo a progettisti e acquirenti di garantire coerenza e intercambiabilità.
Gradi di acciaio comuni e loro proprietà
Laminazione del motore Gli acciai sono principalmente acciai elettrici non orientati, che offrono proprietà magnetiche uniformi in tutte le direzioni, il che li rende ideali per macchine rotanti con flusso magnetico in continua variazione.
Principali categorie di acciai lamellari
- Acciai elettrici al silicio:Il più comune e conveniente.
- Leghe ad alte prestazioni (cobalto, nichel):Utilizzato in applicazioni speciali, ad alta efficienza e ad alta temperatura.
- Gradi ultrasottili:Per applicazioni ad alta velocità e azionate da inverter.
Questi acciai variano principalmente nei livelli di perdita del nucleo, nello spessore e nella saturazione magnetica, che incidono direttamente sull’efficienza e sulle prestazioni.
| Codice di grado (esempio) | Spessore (mm) | Livello di perdita del nucleo | Applicazione tipica |
| 50W470 / M47 | 0,50 | Standard | Motori industriali generali |
| 35W300 / M36 | 0,35 | Basso | Azionamenti e pompe efficienti |
| 30W230 / M27 | 0,30 | Inferiore | Motori di trazione EV, inverter |
| 27W150 | 0,27 | Molto basso | Alta efficienza, alta frequenza |
| 20W120 | 0,20 | Ultra-basso | Aerospaziale e alta velocità |
| Acciaio legato al cobalto | 0,20–0,35 | Premio a bassa perdita | Alte prestazioni / alta saturazione |
| Acciaio legato al nichel | Variabile | Bassa isteresi | Motori di precisione e silenziosi |
Note: i codici variano a seconda dello standard (ASTM/EN/JIS/GB). I gradi “Wxxx” sono comuni negli standard asiatici, mentre i gradi “Mxx” sono tipici in ASTM/EN.
Acciai elettrici al silicio
Gli acciai al silicio sono i materiali più utilizzati nelle applicazioni di laminazione. L’aggiunta di silicio (tipicamente dall’1,0 al 3,5%) al ferro aumenta la resistività elettrica, che:
- Riduce la perdita di correnti parassite
- Migliora la permeabilità magnetica
- Riduce la perdita di isteresi
Questo equilibrio tra prestazioni e costi rende gli acciai al silicio ideali per la maggior parte dei motori e dei generatori.
Leghe ad alte prestazioni
- Acciai legati al cobalto:Maggiore densità di flusso di saturazione (fino a ~2,4 T), eccellenti prestazioni ad alta frequenza e stabilità termica. Tipicamente utilizzato nei motori ad alta velocità per applicazioni aerospaziali, di difesa e per applicazioni speciali.
- Acciai legati al nichel: Permeabilità magnetica molto elevata e bassa isteresi; spesso utilizzato in applicazioni di precisione o sensibili al rumore, ma con costi più elevati e minore saturazione.
I gradi ultrasottili (≤0,27 mm) riducono ulteriormente le perdite per correnti parassite e sono preferiti per macchine ad alta velocità e azionate da inverter, dove è necessario tenere in considerazione la frequenza e l’effetto pelle.
Proprietà meccaniche e fisiche dell’acciaio
La comprensione delle proprietà meccaniche e fisiche degli acciai laminati spiega perché alcuni gradi vengono scelti per determinate applicazioni e come influenzano le prestazioni.
| Proprietà | Acciaio al silicio | Acciaio legato al cobalto | Acciaio legato al nichel |
| Densità di flusso di saturazione (T) | ~1,5–2,0 | ~2,2–2,4 (alto) | ~0,8–1,6 |
| Permeabilità magnetica | Bene | Molto alto | Estremamente alto |
| Perdita di isteresi | Da moderato a basso | Basso | Molto basso |
| Perdita di correnti parassite | Moderare | Basso | Da moderato a basso |
| Resistività elettrica | Moderare | Alto | Moderare |
| Temperatura di esercizio (°C) | Fino a ~200 | Fino a ~300 | Fino a ~250 |
| Facilità di stampaggio/taglio | Bene | Moderare | Da moderato a difficile |
| Compatibilità del rivestimento superficiale | Bene | Moderare | Da moderato a basso |
| Costo del materiale | Da basso a moderato | Alto | Alto |
Applicazioni di acciaio di diversa qualità
La progettazione di motori e generatori varia in base all’applicazione, alla gamma di velocità, all’efficienza richiesta, all’ambiente operativo e agli obiettivi di costo. La scelta del giusto grado di acciaio laminato dipende da questi fattori.
Motori industriali
I motori industriali sono spesso utilizzati ininterrottamente in contesti in cui il costo totale di proprietà e l’affidabilità sono fattori determinanti. Lamiere più spesse, come 0,50 mm, sono più facili da maneggiare, meno soggette a deformazioni meccaniche durante lo stampaggio e offrono un’efficienza soddisfacente per applicazioni generiche.
Gradi tipici:50W470, 35W300
Caratteristiche:
- Conveniente e facile da elaborare
- Buone prestazioni alla frequenza di rete 50/60 Hz
- Spessore moderato (0,35–0,50 mm)
Esempi di utilizzo:
- Soffianti e pompe HVAC
- Azionamenti del trasportatore
- Ventilatori, compressori e motori di base
Motori di trazione per veicoli elettrici (EV)
I motori di trazione dei veicoli elettrici operano ad alte frequenze elettriche grazie agli inverter e spesso coprono un ampio intervallo di velocità. Ciò richiede requisiti più severi per le proprietà magnetiche del nucleo. Gli acciai a basse perdite riducono la generazione di calore, migliorando l’autonomia e l’affidabilità termica nei modelli compatti.
Gradi tipici:30W230, 27W150
Caratteristiche:
- Laminazioni sottili (0,27–0,30 mm)
- Perdita del nucleo estremamente bassa a frequenze più elevate
- Spesso abbinato a rivestimenti isolanti avanzati
Esempi di utilizzo:
- Sistemi di trazione elettrica per passeggeri
- Motori per veicoli ibridi
- Auto sportive elettriche ad alte prestazioni
Generatori
I generatori devono produrre una potenza elettrica costante indipendentemente dal carico e dalle condizioni ambientali. Sebbene l’efficienza sia importante, la stabilità in servizio continuo e le eccellenti prestazioni termiche sono fattori di primaria importanza.
Gradi tipici:35W300, 30W230, a volte acciai più spessi o specializzati
Caratteristiche:
- Progettato per un funzionamento continuo e affidabile
- Prestazioni bilanciate tra comportamento termico ed efficienza
Esempi di utilizzo:
- Generatori solari ed eolici
- Generatori di backup industriali
- Alternatori delle centrali elettriche
Motori ad alta velocità e aerospaziali
Nei settori aerospaziale, della difesa e della produzione specializzata, i motori devono funzionare a velocità molto elevate con perdite minime ed estrema affidabilità. Leghe pregiate come gli acciai al cobalto offrono prestazioni superiori che compensano i maggiori costi di materie prime e lavorazione.
Gradi tipici:20W120, leghe di cobalto/nichel
Caratteristiche:
- Perdita estremamente bassa a frequenze molto elevate
- Elevata saturazione e permeabilità
- Spesso materiale di prima qualità, costo elevato
Esempi di utilizzo:
- Attuatori e turbine aerospaziali
- Mandrini CNC ad alta velocità
- Sistemi servo di precisione
Confronto tra leghe di acciaio e altri metalli
| Materiale | Uso magnetico | Comportamento di perdita del nucleo | Ruolo tipico nel motore |
| Acciaio al silicio | Laminazioni del nucleo | Da basso a molto basso (dipende dal grado) | Nuclei standard per motori e generatori |
| Acciaio legato al cobalto | Core premium | Molto basso ad alta frequenza | Alte prestazioni/aerospaziale |
| Acciaio legato al nichel | Nuclei di precisione | Isteresi molto bassa | Applicazioni di precisione e a basso rumore |
| Ferro pieno | Magnetico, alta permeabilità | Elevata perdita di correnti parassite | Non adatto per nuclei CA |
| Ferriti | Magnetico, alta frequenza | Molto basso ad alta frequenza | Induttori, trasformatori (limitati) |
| Alluminio / Rame | Conduttori non magnetici | N / A | Avvolgimenti, gabbie del rotore, alloggiamenti |
