Avvolgimenti per Motori Elettrici

avvolgimenti del motore elettrico
avvol­gi­men­ti del motore elettrico
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. 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. Altre carat­ter­is­tiche dis­tin­tive, impor­tan­ti per la prog­et­tazione del­l’avvol­gi­men­to, sono l’avvol­gi­men­to a fes­sura frazionar­ia e l’avvol­gi­men­to a fes­sura intera, nonché l’avvol­gi­men­to a stra­to sin­go­lo e l’avvol­gi­men­to a doppio strato. 

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Avvolgimento concentrato

avvol­gi­men­to concentrato

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. In un avvol­gi­men­to dis­tribuito, ques­ta tes­ta di avvol­gi­men­to è più grande a causa del­la sovrap­po­sizione degli avvol­gi­men­ti. 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.

Avvolgimento distribuito

Con un avvol­gi­men­to dis­tribuito, ven­gono sem­pre avvolti almeno due den­ti del­lo sta­tore, come nel­l’e­sem­pio del­la figu­ra. 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 sinu­soidale. 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. Per questo moti­vo, i motori elet­tri­ci con avvol­gi­men­ti dis­tribuiti sono uti­liz­za­ti prin­ci­pal­mente per i man­dri­ni rotan­ti delle mac­chine uten­sili, altri­men­ti le oscil­lazioni di cop­pia avreb­bero un effet­to neg­a­ti­vo sul­la qual­ità del pez­zo lavorato.

distribuito avvolgimento
avvol­gi­men­to distribuito

Schema di avvolgimento del motore

In un avvol­gi­men­to con­cen­tra­to, un dente del­lo sta­tore por­ta esat­ta­mente un avvol­gi­men­to. I diver­si col­ori rap­p­re­sen­tano le tre fasi U, V e W. I due avvol­gi­men­ti di una fase sono col­le­gati tra loro e le tre fasi pos­sono essere col­le­gate a stel­la o a tri­an­go­lo. In un avvol­gi­men­to dis­tribuito, ven­gono avvolti almeno due den­ti, come in questo esem­pio. Il numero di den­ti su cui viene avvolto è chiam­a­to dis­tan­za del­la bobi­na e nat­u­ral­mente è pos­si­bile avvol­gere su 3, 4, 5 o più den­ti. L’ampiez­za del­la bobi­na dipende dal numero di den­ti del­lo sta­tore e dal numero di cop­pie di poli del rotore.

schema di avvolgimento del motore elettrico
schema di avvol­gi­men­to del motore elettrico

Avvolgimento distribuito vs Avvolgimento concentrato

Qual è la dif­feren­za tec­ni­ca tra un avvol­gi­men­to dis­tribuito e un avvol­gi­men­to con­cen­tra­to. A tal fine, esaminer­e­mo la ten­sione del back EMF. Si trat­ta del­la ten­sione che può essere mis­ura­ta ai ter­mi­nali di un motore elet­tri­co a mag­neti per­ma­nen­ti quan­do il motore viene fat­to ruotare abbas­tan­za velo­ce­mente a mano o con una macchi­na di carico.

motore elettrico forza controelettromotrice
forza con­troelet­tro­motrice del motore elettrico

Nel dia­gram­ma si può notare che la ten­sione del motore elet­tri­co con un avvol­gi­men­to dis­tribuito ha una bel­la for­ma sinu­soidale. D’al­tra parte, 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. Anche con avvol­gi­men­ti con­cen­trati, è pos­si­bile ottenere una carat­ter­is­ti­ca sinu­soidale del back EMF adat­tan­do il design del rotore.