Gli avvolgimenti del motore elettrico consistono nella disposizione di fili conduttori in bobine che generano un campo magnetico, consentendo il funzionamento del motore. La progettazione degli avvolgimenti ha un impatto diretto su efficienza, coppia e prestazioni. Diversi tipi di avvolgimento impattano sull'efficienza e sulle prestazioni del motore.
Gli avvolgimenti dei motori elettrici possono essere suddivisi in avvolgimento concentrato e avvolgimento distribuito. Nel caso dell’avvolgimento distribuito, l’avvolgimento è sempre avvolto su almeno due denti dello statore. Nel caso dell’avvolgimento concentrato, invece, viene avvolto un solo dente dello statore. Entrambi i tipi di avvolgimento presentano vantaggi e svantaggi diversi.
Con un avvolgimento concentrato, lo statore è sempre avvolto esattamente su un dente. Ciò comporta notevoli vantaggi nella produzione dello statore. Ad esempio, gli avvolgimenti già finiti possono essere semplicemente spinti sullo statore. Tuttavia, il design dei denti dello statore deve essere progettato per questo. Uno dei principali vantaggi di un avvolgimento concentrato è la testa di avvolgimento molto piccola nella parte superiore e inferiore del motore. A causa della testa di avvolgimento più piccola degli avvolgimenti concentrati, le perdite ohmiche nella gamma di velocità più bassa sono inferiori a quelle di un avvolgimento distribuito.
Quando si utilizza un design classico di un motore elettrico con uno sviluppo concentrato, il back EMF è trapezoidale. Di conseguenza, con questo tipo di avvolgimento è possibile generare una coppia elevata, soprattutto nella gamma inferiore. Tuttavia, questo non significa che si traduca anche in un’elevata efficienza. Infatti, il principale svantaggio di un avvolgimento concentrato sono le armoniche generate, che possono causare perdite elevate, soprattutto alle alte velocità. Queste perdite possono verificarsi negli avvolgimenti delle laminazioni e nei magneti permanenti.
Gli avvolgimenti concentrati sono utilizzati principalmente per i motori corti e di grande diametro. Ne sono un esempio i motori a mozzo per biciclette elettriche senza ingranaggi. Gli avvolgimenti concentrati sono utilizzati anche per azionamenti che richiedono un’elevata dinamica e l’efficienza non è così critica. Un altro svantaggio degli avvolgimenti concentrati è un’ondulazione di coppia non trascurabile. Questo inconveniente può essere compensato, ad esempio, spostando i magneti sul rotore l’uno rispetto all’altro o modellando i magneti di conseguenza.
Con un avvolgimento distribuito, vengono sempre avvolti almeno due denti dello statore. Il numero di denti avvolti si chiama passo della bobina o dimensione del passo e, naturalmente, è possibile avvolgere anche 3, 4, 5 o più denti. In un avvolgimento distribuito, gli avvolgimenti si sovrappongono nella parte superiore e inferiore del motore elettrico; quest’area del motore è chiamata anche testa di avvolgimento. A causa della sovrapposizione, la testa di avvolgimento è più grande in un avvolgimento distribuito che in un avvolgimento concentrato.
Per i motori elettrici molto corti, quindi, di solito si utilizza un avvolgimento concentrato piuttosto che un avvolgimento distribuito. Ciò consente di ridurre le perdite ohmiche della testa di avvolgimento. Per i motori elettrici più lunghi, l’influenza delle perdite dalla testa di avvolgimento non è così grande rispetto alle perdite totali.
Un vantaggio molto importante di un avvolgimento distribuito per un motore elettrico è che il back EMF risultante ha una caratteristica regolare, per lo più sinusoide. Ciò significa che la percentuale di armoniche è molto bassa, così come le perdite nelle laminazioni dello statore e degli avvolgimenti. Gli avvolgimenti distribuiti sono utilizzati ovunque sia richiesta un’elevata efficienza, come ad esempio nei veicoli elettrici. Un altro vantaggio degli avvolgimenti distribuiti è l’elevato sincronismo, che significa che l’ondulazione della coppia e quindi anche il rumore del motore sono molto bassi.
Qual è la differenza tecnica tra un avvolgimento distribuito e un avvolgimento concentrato? A tal fine, esamineremo la tensione del back EMF. Nel diagramma si può notare che la tensione del motore elettrico con un avvolgimento distribuito ha una bella forma sinusoidale. D’altronde, il back EMF dell’avvolgimento concentrato ha piuttosto la forma di un trapezio.
Cosa significa questo per le prestazioni del motore? Con un motore con avvolgimento concentrato è possibile generare una coppia maggiore grazie al back EMF trapezoidale. Tuttavia, le perdite nel rame e nelle laminazioni sono maggiori perché le armoniche sono più numerose e più elevate. Con un avvolgimento distribuito, si può ottenere una maggiore efficienza grazie alla back-EMF sinusoidale e questo è particolarmente importante per i veicoli elettrici. Tuttavia, non significa direttamente che se un motore elettrico ha una back EMF sinusoidale, questo motore ha un’efficienza elevata: l’efficienza dipende dall’insieme delle scelte progettuali e costruttive.
Quando utilizzare un avvolgimento concentrato e quando un avvolgimento di distribuzione dipende dalle dimensioni del motore e dalla sua applicazione. Ma anche il numero di unità e le modalità di fabbricazione del motore influiscono sulla scelta del tipo di avvolgimento. Per motori molto corti si preferisce spesso l’avvolgimento concentrato per ridurre la testa di avvolgimento e le perdite ohmiche a basse velocità. Per applicazioni dove l’efficienza e il basso rumore sono critici (ad esempio veicoli elettrici), si preferisce un avvolgimento distribuito per la sua back EMF sinusoide e la minore percentuale di armoniche.
Gli avvolgimenti concentrati sono tipici per motori corti e di grande diametro (come i motori a mozzo per e-bike) e per azionamenti che richiedono elevate prestazioni dinamiche; gli avvolgimenti distribuiti si incontrano negli stessi campi dove è richiesta elevata efficienza e basso rumore. La scelta è anche influenzata da considerazioni produttive: gli avvolgimenti già finiti possono essere spinti sullo statore in progettazioni concentriche, semplificando la produzione e rendendo possibile una realizzazione efficiente anche in piccoli lotti o prototipi.
Lo statore è la sede degli avvolgimenti detti induttori. Gli avvolgimenti sono realizzati con filo di rame smaltato e sono alloggiati nelle cave appositamente ricavate nello statore. La realizzazione dell’avvolgimento parte sempre da una documentazione tecnica chiara e dettagliata fornita dal cliente. Il nostro obiettivo è realizzare avvolgimenti non solo precisi dal punto di vista tecnico, ma anche robusti, affidabili e integrabili in qualsiasi contesto industriale complesso.
Avvolgimenti non incapsulati richiedono attenzione a fattori come stress termico, umidità, polvere e vibrazioni. Il rapporto con il cliente è centrale in ogni fase del processo: la produzione flessibile e manuale consente di realizzare avvolgimenti su misura anche per piccoli lotti o prototipi, tenendo conto di cave statoriche non standardizzate, geometrie asimmetriche, frequenze variabili e sollecitazioni termiche e magnetiche elevate.
Controlli consigliati per avvolgimenti non incapsulati:
Nelle applicazioni di trazione, il motore deve essere in grado di sviluppare una coppia significativa a velocità nulla, assicurare potenze di picco significative, avere un sistema di pilotaggio semplice, essere leggero e compatto, costare relativamente poco e avere un’alta efficienza. Sintetizzando, il motore ideale deve possedere ottime caratteristiche quali coppia elevata all’avviamento, elevata densità di potenza e buona efficienza energetica. La scelta tra avvolgimento concentrato e distribuito influisce direttamente su molti di questi aspetti: coppia a bassa velocità, efficienza a regime e perdite alle alte velocità.
| Caratteristica | Avvolgimento concentrato | Avvolgimento distribuito |
|---|---|---|
| Back EMF | Trapezoidale (maggiore coppia a bassa velocità) | Sinusoidale (minori armoniche, maggiore efficienza) |
| Testa di avvolgimento | Piccola (minori perdite ohmiche a basse velocità) | Grande (più sovrapposizioni) |
| Perdite alle alte velocità | Più elevate (armoniche) | Inferiori |
| Rumore e ondulazione coppia | Maggiore | Minore |
| Produzione | Semplificata per alcuni design, adatta a piccoli lotti | Richiede più attenzione alla sovrapposizione e alla testa |
| Applicazioni tipiche | Motori corti, mozzi e-bike, azionamenti dinamici | Veicoli elettrici, applicazioni ad alta efficienza |
I motori elettrici speciali sono progettati per rispondere a esigenze fuori standard: alimentazioni non convenzionali, ambienti estremi, ingombri ridotti, dinamiche particolarmente stressanti. Avvolgimenti Zampolli si occupa della realizzazione su commessa di avvolgimenti motori elettrici speciali, partendo da specifiche definite dal cliente. Si tratta di lavorazioni complesse che tengono conto di cave statoriche non standardizzate, geometrie asimmetriche, frequenze variabili, sollecitazioni termiche e magnetiche elevate. Grazie a una produzione flessibile e manuale, Zampolli è in grado di realizzare avvolgimenti su misura anche per piccoli lotti o prototipi.
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