Sfide e opportunità della progettazione dei motori scanalati

Sfide e opportunità nella progettazione di motori scanalati miniaturizzati

L'elevata densità di coppia e la maggiore capacità di raffreddamento dei motori miniaturizzati brushless DC (BLDC) sono fondamentali in numerose applicazioni, dalla robotica all'elettronica di consumo. Tuttavia, per ottimizzare l'efficienza, le prestazioni e l'affidabilità dell'applicazione, le loro specifiche richiedono un'attenta considerazione. La consulenza ingegneristica nella scelta dei motori BLDC a cave già pronti per l'uso è vantaggiosa, mentre le considerazioni sulla progettazione su misura favoriranno le prestazioni dell'applicazione a lungo termine.

Grazie all'assenza di spazzole per il processo di commutazione, i motori miniaturizzati brushless in c.c. presentano vantaggi rispetto alle loro controparti a spazzole, tra cui una maggiore efficienza, un funzionamento ad alta velocità, una maggiore durata e la possibilità di migliorare il controllo. Per quanto riguarda i motori BLDC, è possibile scegliere tra configurazioni con o senza scanalature.

Lo statore, che è la parte stazionaria esterna che circonda il rotore, contiene gli avvolgimenti che incanalano il flusso di corrente elettrica. Questo genera un campo magnetico che interagisce con i magneti del rotore, facendolo ruotare e creando movimento. In un motore BLDC senza scanalature, gli avvolgimenti sono tipicamente fissati nello statore mediante resina o sono tenuti in posizione da un nastro o da un dispositivo di ritenzione meccanico. In alternativa, in un progetto con scanalature, gli avvolgimenti sono trattenuti all'interno di fessure o scanalature.

I motori senza scanalature sono generalmente più compatti e questi design sono anche vantaggiosi per le applicazioni che richiedono un funzionamento più fluido e un'alta velocità. Tuttavia, i motori BLDC con scanalature consentono di aumentare la densità del flusso magnetico nel traferro, con conseguente generazione di una coppia più elevata; ciò contribuisce a migliorare la dinamica del motore, rendendo questo design più affidabile. Le scanalature aiutano anche a dissipare il calore, consentendo un migliore raffreddamento.

DIMENSIONAMENTO DEI MOTORI BLDC A CAVE

I motori BLDC con scanalature presentano sfide uniche durante la fase di progettazione, il che significa che è necessaria un'attenta specificazione. Ciò include un calcolo accurato della perdita del nucleo, nonché la responsabilità della saturazione del materiale e della smagnetizzazione del magnete a temperature di esercizio più elevate, che possono influire sulle prestazioni, sull'efficienza e sulla gestione termica. Il dimensionamento del motore per soddisfare i requisiti di coppia è una fase critica. Questo calcolo dipende principalmente dai carichi elettrici e magnetici, dalle dimensioni del rotore e dello statore e dalla scelta dei materiali.

In linea di massima, se i punti di lavoro dell'applicazione prevedono alta velocità e bassa coppia, il carico magnetico deve essere ottimizzato per ridurre le perdite del nucleo con un numero inferiore di coppie di poli. Le perdite di nucleo, note anche come perdite di ferro, si riferiscono all'energia dissipata nel nucleo magnetico del motore a causa dell'isteresi e delle correnti parassite. All'altro estremo della scala, se i punti di lavoro includono bassa velocità e coppia elevata, il carico elettrico deve essere ottimizzato per gestire le perdite di rame (note anche come perdite I²R). Le perdite di rame rappresentano la resistenza degli avvolgimenti al flusso di corrente elettrica e si presentano come potenza persa in calore generato. Riducendo le perdite di rame e di nucleo si ottimizza l'efficienza del motore per i punti di lavoro di coppia e velocità.

La relazione di base tra la coppia generata è data dalla seguente equazione: (per vedere l'equazione, leggere il whitepaper sul nostro sito web)

UNA PANORAMICA DELLE COMBINAZIONI SLOT-POLO

La disposizione/relazione tra le scanalature dello statore e i poli del magnete permanente sul rotore è nota come combinazione scanalatura-polo, che descrive le interazioni del campo magnetico del motore.

Nei motori miniaturizzati a scanalature sono possibili diverse combinazioni di scanalature/poli. Per aumentare la costante di coppia del motore, si dovrebbe considerare un fattore di avvolgimento elevato. Un elevato LCM, o minimo comune multiplo, tra il numero di slot e di poli (S, P), riduce l'entità della coppia di cogging, mentre un elevato GCD, o grande comune divisore (S, P) contribuisce a ridurre le forze radiali magnetiche sbilanciate e ad aumentare la simmetria radiale.

È possibile utilizzare il tradizionale design a due poli con scanalature Intergral Slot Concentrated Windings (ICSW), illustrato nella Fig. 1, ma la costante di coppia è inferiore rispetto al design a quattro poli; questa opzione non è consigliata per applicazioni ad alta coppia e bassa velocità.

Sono disponibili varie combinazioni in funzione della coppia e della velocità desiderate, nonché della capacità del motore di gestire caratteristiche quali la coppia di cogging, che crea ondulazioni di coppia e influisce sulla fluidità dell'erogazione del moto.

Oltre alla combinazione slot-polo, è possibile anche un'altra configurazione, nota come avvolgimento concentrato a slot frazionali (FSCW). La FSCW comprende configurazioni di magneti ad anello multipolari con circuiti magnetici corti e questa configurazione è adatta per applicazioni a bassa velocità e coppia elevata. La Tabella 1 identifica le varie combinazioni slot-polo e i loro vantaggi.

SPECIFICHE PER I MOTORI BLDC MINIATURIZZATI A SCANALATURE

La coppia generata dal motore è proporzionale al suo volume, al carico magnetico ed elettrico e alla combinazione slot-poli.

La specificazione di queste caratteristiche dipende non solo dai requisiti di coppia-velocità dell'applicazione, ma anche da attributi più ampi che possono influire sulle prestazioni del movimento, nonché sull'affidabilità e sulla durata.

Quando si specifica un motore BLDC a scanalature, gli schemi di scanalatura dello statore e le configurazioni standard dei magneti sviluppati in molti anni di produzione possono fornire un'elevata affidabilità e prestazioni sufficienti se le dimensioni del motore sono standard. Tuttavia, questo design tradizionale presenta in genere un utilizzo non ottimale del circuito magnetico, che si traduce in una minore efficienza in determinati punti di lavoro della coppia e della velocità.

Considerando l'ampia gamma di fattori che influiscono sulle specifiche, la ricerca di un supporto di integrazione ingegneristica da parte di uno specialista del movimento

come Portescap è fondamentale. Questo vale soprattutto per gli OEM con volumi elevati. La progettazione di motori su misura è estremamente vantaggiosa, in quanto questo approccio può ottimizzare le prestazioni e l'efficienza per i punti di lavoro specifici; basandosi su progetti esistenti personalizzabili, il time to market è spesso più rapido rispetto all'utilizzo di un progetto standard, se si considerano tutte le fasi di integrazione. I motori BLDC con scanalatura possono anche essere specificati per la loro economicità e, considerando l'aumento del valore che un progetto su misura può fornire, questo processo ha il potenziale di ridurre i costi totali.

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