Nella progettazione dei motori elettrici, uno degli elementi più trascurati ma di fondamentale importanza è il numero di cave nello statore e nel rotore. Queste cave non sono solo caratteristiche strutturali; influenzano profondamente la coppia, le vibrazioni, il comportamento termico e l’efficienza del motore. I motori asincroni, ampiamente utilizzati in applicazioni industriali e commerciali, sono particolarmente sensibili a questo aspetto progettuale.
Comprensione delle funzioni degli slot
In un motore asincrono, il statore e rotoreLavorano insieme per generare forza rotazionale tramite induzione elettromagnetica. Il rotore del motore ruota all’interno dello statore, che è il componente esterno e immobile. Entrambi i componenti includono scanalature a spaziatura regolare, che svolgono le seguenti funzioni:
- Le cave dello statore ospitano avvolgimenti in rame che, quando alimentati da corrente alternata, producono un campo magnetico rotante.
- Le fessure del rotore (solitamente riempite con barre conduttive nei motori a gabbia di scoiattolo) generano corrente tramite induzione elettromagnetica quando esposte al campo rotante dello statore.
Questa interazione genera una coppia che aziona il rotore. Il numero di cave, la loro forma e la loro distribuzione influenzano significativamente l’efficacia di questa interazione elettromagnetica.
Un numero maggiore di slot può consentire una migliore modellazione del campo magnetico e un maggiore riempimento del conduttore, ma può anche complicare la produzione, aumentare i costi e indebolire i componenti strutturali. Un numero inferiore di slot semplifica la costruzione, ma può ridurre le prestazioni nelle aree critiche.
Campo magnetico e impatto armonico
Il campo magnetico rotante in un motore asincrono dovrebbe idealmente essere uniforme e sinusoidale. Tuttavia, a causa della natura discreta della scanalatura, il campo contiene armoniche spaziali, ovvero onde aggiuntive che distorcono la forma d’onda magnetica principale.
Combinazioni di slot selezionate in modo errato (ad esempio, slot dello statore e del rotore uguali o molto simili) possono causare i seguenti problemi:
- Bloccaggio magnetico, in cui il rotore tenta ripetutamente di allinearsi con determinati denti dello statore, generando una coppia pulsante.
- Aumento del rumore e delle vibrazioni, soprattutto in caso di variazioni di carico.
- Maggiori perdite di ferro e rame riducono l’efficienza complessiva del motore.
Per mitigare questi effetti, gli ingegneri preferiscono combinazioni di slot non intere. Ad esempio, uno statore con 36 slot potrebbe essere abbinato a un rotore con 28, 29 o 31 slot. Questa asimmetria interrompe l’interazione armonica periodica e migliora la distribuzione del flusso nel traferro.
Queste interazioni elettromagnetiche vengono spesso simulate e visualizzate nella progettazione dei motori utilizzando l’analisi agli elementi finiti (FEA). Questa consente di ottimizzare il numero di slot prima della produzione dei prototipi fisici.
Coppia di attrito e rumore
La coppia di cogging è una forma specifica di ondulazione di coppia causata dalla tendenza dei denti del rotore ad allinearsi con le cave dello statore in assenza di corrente. Questo effetto diventa problematico nelle applicazioni che richiedono un movimento fluido, come ascensori, macchine CNC e robotica.
L’entità della coppia di attrito è direttamente correlata a:
- Il numero di slot e se i conteggi dello statore e del rotore condividono multipli comuni.
- Il passo delle fessure, ovvero la spaziatura tra fessure adiacenti.
- Le proprietà dei materiali magnetici dei nuclei dello statore e del rotore.
Le tecniche di progettazione per ridurre la coppia di cogging includono:
- Scelta dei numeri di slot dello statore e del rotore senza fattori condivisi.
- Inclinando leggermente le barre del rotore lungo la direzione assiale si ottiene una media delle forze di dentatura lungo la lunghezza del rotore.
- Utilizzando avvolgimenti a fessura frazionaria, che distribuiscono le forze magnetiche in modo più uniforme.
Riducendo al minimo la coppia di cogging, i progettisti di motori possono ridurre le vibrazioni, il rumore e l’usura dei cuscinetti, migliorando la qualità complessiva e la durata della macchina.
Conteggio delle fessure del rotore e caratteristiche di avviamento
Il numero di slot influenza anche il comportamento del motore durante l’avviamento, una fase critica delle prestazioni dei motori asincroni.
- Un numero maggiore di slot del rotore riduce la reattanza di dispersione e aumenta la resistenza durante l’avviamento, riducendo la corrente di spunto ma potenzialmente la coppia.
- Un minor numero di slot del rotore garantisce una coppia di avviamento più elevata, che può essere utile in applicazioni con carichi iniziali elevati, ma comporta anche un maggiore assorbimento di corrente.
Per bilanciare queste esigenze contrastanti, alcuni progetti utilizzano:
- Rotori a barre profonde, che offrono una maggiore resistenza all’avvio e una minore resistenza durante il normale funzionamento grazie all’effetto pelle.
- Rotori a doppia gabbia, dotati di due serie di barre del rotore con diverse caratteristiche di resistenza e reattanza per ottimizzare sia le prestazioni di avviamento che quelle di funzionamento.
Nei motori collegati direttamente alla rete elettrica (avviatori diretti), la progettazione delle cave del rotore è particolarmente importante per gestire le sollecitazioni elettriche e garantire un’accelerazione fluida. Nei sistemi azionati da inverter, l’ottimizzazione delle cave può integrare le strategie di controllo elettronico per migliorare l’efficienza e il controllo della coppia.
Considerazioni termiche ed efficienza
Il numero e la forma delle fessure influiscono non solo sulle prestazioni elettromagnetiche, ma anche sulla generazione e sulla dissipazione del calore nel motore.
I principali impatti termici includono:
- Le perdite nel rame (perdite I²R) sono influenzate dalla densità con cui gli avvolgimenti possono essere inseriti nelle cave dello statore.
- Perdite del nucleo, tra cui isteresi e perdite per correnti parassite, che dipendono dalla forma d’onda del campo magnetico, ancora una volta influenzate dal numero di slot.
- Efficacia di raffreddamento, poiché le fessure del rotore fungono da condotti di calore. La loro forma e profondità influenzano la velocità con cui il calore può essere trasferito alla superficie esterna e infine dissipato.
I progettisti devono bilanciare attentamente il fattore di riempimento delle fessure (quanto rame viene utilizzato) con l’area disponibile del nucleo (per prevenire la saturazione magnetica). L’utilizzo di troppe fessure riduce la larghezza dei denti, aumentando la densità del flusso magnetico e la probabilità di surriscaldamento del nucleo.
Il software di simulazione termica, spesso abbinato alla modellazione elettromagnetica, aiuta a identificare i punti caldi e a valutare se la configurazione delle fessure fornisce un raffreddamento adeguato per l’applicazione prevista.
Aspetti meccanici e strutturali
Dal punto di vista meccanico, la configurazione delle fessure può influire sull’integrità strutturale dello statore e del rotore.
- Un numero eccessivo di scanalature determina denti più sottili tra loro, riducendo la capacità del componente di resistere alle sollecitazioni meccaniche, in particolare in caso di elevate velocità di rotazione o urti di carico.
- Gli spazi stretti tendono a concentrare le sollecitazioni meccaniche, che nel tempo possono causare affaticamento o rottura.
- Le scanalature inclinate, sebbene vantaggiose dal punto di vista elettromagnetico, possono ridurre la rigidità torsionale del rotore, richiedendo materiali più resistenti o compensazioni di progettazione.
Nei motori progettati per il funzionamento ad alta velocità, come i modelli a 2 poli che operano a 3000 giri/min (50 Hz), questi fattori diventano particolarmente critici. In questo caso, il motore deve resistere alle forze centrifughe senza deformazioni o squilibri.
Come regola generale, i motori ad alta velocità sono progettati con un numero moderato di slot e materiali rinforzati, bilanciando i vantaggi elettromagnetici con l’affidabilità strutturale.
Migliori pratiche e combinazioni di slot
Alcune combinazioni di slot per statore e rotore sono diventate standard industriali per applicazioni specifiche, bilanciando efficienza, coppia uniforme, producibilità e costi.
| Slot dello statore | Slot del rotore | Applicazione |
| 36 | 28, 29 | Motori industriali per uso generale |
| 48 | 37, 38 | Motori ad alta efficienza o alimentati da inverter |
| 72 | 56, 58 | Grandi ventilatori, compressori e azionamenti per impieghi gravosi |
| 24 | 20, 22 | Piccoli motori a potenza frazionaria |
Linee guida di progettazione:
- Evitare numeri di slot dello statore e del rotore che condividono un MCD > 1.
- Ove possibile, applicare l’inclinazione del passo di una scanalatura dello statore.
- Per la verifica delle prestazioni, utilizzare l’analisi termica e l’analisi agli elementi finiti (FEA) all’inizio della fase di progettazione.
Queste combinazioni aiutano a ridurre al minimo l’ondulazione di coppia, il rumore acustico e la complessità di produzione, garantendo al contempo prestazioni elevate in una vasta gamma di condizioni operative.
Esempio di caso di studio
Un produttore di pompe riscontrava un rumore elevato e una ridotta affidabilità con il suo motore asincrono da 15 kW. Originariamente, sia lo statore che il rotore erano costruiti con 36 scanalature. Durante l’avvio, i livelli di vibrazione erano elevati e gli utenti segnalavano guasti precoci dei cuscinetti.
Dopo la simulazione e l’analisi, il numero di fessure del rotore è stato modificato da 36 a 29 e le barre del rotore sono state inclinate di un passo di fessura.
Risultati:
- I livelli di rumore sono diminuiti di 7 dB.
- Coppia di spunto aumentata del 15%.
- La durata utile (sulla base di test di invecchiamento accelerato) è migliorata del 22%.
- I reclami dei clienti sono stati ridotti dell’80% entro il primo anno di riprogettazione.
Questo esempio dimostra come anche piccole modifiche al numero di slot possano dare luogo a miglioramenti quantificabili nelle prestazioni nel mondo reale.
