Motori asincroni in evoluzione

Per ridurre il consumo energetico e le conseguenti emissioni di CO2 è necessario continuare a ottimizzare concetti conosciuti e consolidati. Gerhard Thumm spiega come i motori asincroni possono diventare più efficienti e avanzati.

Le normative governative richiedono livelli sempre più bassi di emissioni di CO2 in varie aree. Per soddisfare questi requisiti, il consumo energetico complessivo deve essere continuamente migliorato. Ciò include i motori elettrici. Circa il 38% dell'elettricità mondiale viene consumata dai motori elettrici negli edifici e nelle applicazioni industriali. Un tipo comune di motore elettrico è il motore a induzione trifase. Miglioramenti di questo tipo possono fornire vantaggi in termini di efficienza e sostenibilità.

Le macchine asincrone (ASM) sono costituite da due componenti: lo statore esterno fisso e il rotore interno rotante. A differenza dei motori sincroni a magneti permanenti, queste macchine non richiedono costosi materiali di terre rare. Di conseguenza, il loro utilizzo nelle applicazioni automobilistiche è aumentato negli ultimi anni. Le dimensioni compatte dell'ASM rappresentano un altro vantaggio rispetto a un motore sincrono. Ciò lo rende ideale per macchine piccole e leggere con poco spazio per componenti più grandi. È qui che entra in gioco la semplice matematica: ottenere più potenza con meno peso si tradurrà in un'efficienza complessiva più elevata.

Il potenziale di ulteriore sviluppo di questa macchina è particolarmente degno di nota. Un modo per aumentare le velocità circonferenziali e, soprattutto, l’efficienza è utilizzare materiali in rame. Gli studi hanno dimostrato che è possibile aumentare le prestazioni dei sistemi ASM di un fattore da 2 a 3.

Sulla base di queste conoscenze, il Gruppo Wieland ha sviluppato un anello di cortocircuito riprogettato costituito da anelli terminali segmentati.

Il fatto che gli anelli di ombreggiatura siano costituiti da più dischi è la caratteristica fondamentale di questo design. Questi dischi sono forati dalle aste di formatura in una nuova configurazione che consente di saldare insieme le travi dei gruppi di gabbie. Le barre e i dischi di saldatura formano una gabbia chiusa, consentendo un design flessibile del rotore che può essere personalizzato per soddisfare i requisiti specifici dell'applicazione pur rimanendo conveniente.

Questo elevato grado di libertà geometrica comporta una certa complessità, che può essere padroneggiata solo attingendo all'esperienza acquisita nei progetti precedenti. Per soddisfare al meglio le nuove esigenze, i project manager e gli ingegneri di Wieland possono accedere ad un ampio pool di geometrie implementate con successo.

Consentendo l'uso di materiali diversi nell'anello terminale, questo nuovo design è particolarmente adatto per applicazioni che richiedono densità di potenza elevate, classi di efficienza elevate ed elevate velocità circonferenziali. Le applicazioni principali includono macchine di trazione automobilistica e ferroviaria e azionamenti di mandrini di macchine utensili.

Il design robusto consente un'ampia gamma di possibilità di sviluppo e miglioramento, poiché la semplice scelta del materiale giusto può fare una grande differenza in termini di prestazioni termiche ed energetiche.

Wieland offre componenti per rotori e rotori completi in rame. Il rame ha una conduttività elettrica superiore di circa il 50% e proprietà meccaniche migliori rispetto all'alluminio, oltre a migliorare l'efficienza degli ASM. Pertanto, i rotori in rame sono un componente chiave nelle macchine ad alta velocità, dove temperatura, potenza e densità di energia sono fondamentali.

Nella maggior parte degli altri processi produttivi, gli elevati livelli di shock termico e temperature durante il processo di produzione del rotore sono fondamentali per gli strumenti e i componenti della gabbia utilizzati. L'affaticamento termico dei componenti e degli strumenti è solitamente inevitabile a causa delle alte temperature. La microstruttura del componente è tipicamente molto morbida dopo la produzione, mentre nel nuovo design gli anelli di cortocircuito sono composti da diversi dischi singoli. Dopo che le barre formatrici sono state inserite nella pila di lamiere, gli anelli terminali vengono montati sopra la pila di lamiere sopra i profili delle barre formatrici. Questo design consente geometrie degli anelli terminali “ibridi”. Ciò significa che è possibile combinare diversi materiali in rame o anelli terminali in acciaio.