Motore a 2 poli vs. motore a 4 poli: una guida in chiaro che va più a fondo

La scelta tra un motore a 2 e a 4 poli sembra semplice. Non lo è. Il numero di poli determina la velocità. La velocità influisce sulla coppia, sul rumore, sui cuscinetti, sulla pompa o sul ventilatore che si sta azionando e sulla bolletta energetica. Qui di seguito vi presentiamo un'analisi umana e pratica su cui potete agire.

• Rapide considerazioni:
  • A 2 poli ≈ alta velocità, coppia inferiore a parità di potenza.
  • 4 poli ≈ metà della velocità, circa il doppio della coppia all'albero a parità di potenza.
  • È il carico a decidere. I ventilatori e i macinatori spesso preferiscono il 2 poli. Le pompe, i trasportatori e i compressori sono spesso a 4 poli.

Differenza tra i motori a 2 e a 4 poli

Il numero di poli determina la velocità sincrona del motore. Utilizzare questa semplice regola empirica:

• Velocità sincrona (giri/min) = 120 × frequenza di linea (Hz) ÷ numero di poli.
• In Nord America (60 Hz): 2 poli ≈ 3600 giri/min; 4 poli ≈ 1800 giri/min. I motori a induzione reali funzionano un po' più lentamente della velocità sincrona a causa dello scorrimento, per cui i valori nominali di catalogo si avvicinano a ~3450 giri/min (2 poli) e ~1750-1775 giri/min (4 poli). 

In termini quotidiani: meno pali → albero più veloce; più pali → albero più lento. Questa scelta si ripercuote a cascata su tutto il resto.

• Cosa cambia a causa della velocità?
  • Coppia per la stessa potenza: coppia = 5252 × HP ÷ rpm (ft-lb). Dimezzando la velocità si raddoppia circa la coppia all'albero. 
  • Rumore e vibrazioni: un numero di giri più elevato tende a significare un maggiore rumore della ventola e una maggiore attenzione al bilanciamento del rotore; un numero di giri inferiore tende a essere più silenzioso e più facile per i cuscinetti. Le tabelle di rumorosità dei produttori mostrano in genere livelli sonori più elevati per i modelli a 2 poli rispetto a quelli a 4 poli nello stesso telaio. 
  • Pompe e ventilatori: con una velocità maggiore, il flusso aumenta ~linearmente, la pressione ~velocitಠe la potenza ~velocità³ (leggi di affinità). Un 2 poli può spingere molta più aria/acqua, ma può anche richiedere molta più potenza se si lascia che la velocità aumenti. 
  • Aspettative di efficienza: le moderne norme sull'efficienza (come la progettazione ecocompatibile dell'UE) spingono sia i progetti a 2 che a 4 poli verso classi IE elevate, per cui l'affermazione "2 poli è sempre più efficiente" o "4 poli è sempre più efficiente" non è un'affermazione sicura: verificare la scheda tecnica. 

Motori a 2 e 4 poli

Per "poli" si intende il numero di "coppie nord/sud" magnetiche create dallo statore. Due poli = una coppia; quattro poli = due coppie. Ecco perché il campo a 4 poli ruota "più lentamente" e la velocità dell'albero lo segue.

Che cos'è un motore a 2 poli?

Un motore a induzione a 2 poli fa un nord magnetico e un sud attorno allo statore. A 60 Hz la sua velocità sincrona è di 3600 giri/min (50 Hz → 3000 giri/min). Le velocità nominali nel mondo reale sono leggermente inferiori a causa dello scorrimento (spesso ~3400-3500 giri/min). È l'ideale per lavori compatti e ad alto numero di giri.

• Casi d'uso tipici:
  • Ventilatori/soffiatori di piccole e medie dimensioni quando si desidera una maggiore velocità da un telaio più piccolo.
  • Pompe ad alta velocità (con la girante giusta).
  • Smerigliatrici, centrifughe e macchine utensili che necessitano di alberi veloci.

Cosa c'è da sapere sui motori a 2 poli

• Pro:
  • Elevata velocità di base in un pacchetto di dimensioni ridotte.
  • Maggiore densità di potenza a parità di dimensioni del telaio.
  • Spesso il fattore di potenza è più elevato per le piccole potenze.
• Attenzione:
  • Coppia all'albero inferiore a parità di CV (perché il numero di giri è superiore).
  • Maggiore rumore aerodinamico della ventola di raffreddamento e maggiore attenzione al bilanciamento.
  • Sulle pompe, una velocità più elevata può far aumentare la richiesta di NPSH e, se non viene controllata, può portare alla parte ripida della curva che richiede potenza. 

Che cos'è un motore a 4 poli?

Un motore a induzione a 4 poli realizza due coppie nord/sud. A 60 Hz la sua velocità sincrona è di 1800 giri/min (50 Hz → 1500 giri/min). I cataloghi riportano spesso velocità nominali vicine a ~1750-1775 giri/min. Il motore scambia la velocità con la coppia e la fluidità.

• Casi d'uso tipici:
  • Pompe volumetriche, compressori, trasportatori.
  • Molti ventilatori HVAC e azionamenti industriali generici che preferiscono una velocità inferiore e una coppia maggiore.
  • Applicazioni in cui sono importanti un funzionamento più silenzioso e una maggiore durata dei cuscinetti.

Cosa c'è da sapere sui motori a 4 poli

• Pro:
  • Coppia all'albero più elevata a parità di potenza.
  • In genere sono più silenziosi e più tolleranti dal punto di vista meccanico.
  • Spesso è più facile per i cuscinetti grazie al minor numero di giri.
• Attenzione:
  • Più grandi o più pesanti a parità di potenza in alcune serie di telai.
  • Se si ha veramente bisogno di un'elevata velocità dell'albero, è necessario un riduttore o un aumento della velocità VFD oltre la velocità di base.

Profondità extra che non troverete nei confronti di base

La matematica rapida che spiega il rapporto tra coppia e velocità

A parità di cavalli, la coppia aumenta al diminuire della velocità:

• Esempio: motore da 10 HP
  • 2 poli (≈3450 giri/min): T ≈ 5252 × 10 ÷ 3450 ≈ 15,2 ft-lb.
  • 4 poli (≈1750 giri/min): T ≈ 5252 × 10 ÷ 1750 ≈ 30,0 ft-lb. Quindi il 4 poli eroga circa il doppio della coppia alla metà della velocità per la stessa potenza nominale. Ecco perché sembra "più forte" all'albero. ²

Pompe, ventilatori e la realtà del consumo energetico

Se si raddoppia la velocità su un carico a coppia variabile (come un ventilatore o una pompa centrifuga):

• Flusso ~ raddoppia.
• La pressione/ testa ~ quadruplica.
• La potenza aumenta di otto volte. Questo è il motivo per cui una pompa a due poli senza un controllo adeguato può far impennare il consumo energetico. Può anche aumentare l'NPSH richiesto dalla pompa, che può portare alla cavitazione se il sistema non è in grado di fornirlo. Gestendo la velocità con un VFD e regolando i setpoint, le configurazioni a 2 e 4 poli possono essere molto efficienti. 

Rumore e vibrazioni, in parole povere

Un numero di giri più elevato significa solitamente un maggiore rumore della ventola e un maggiore rischio di risonanze meccaniche. Le tabelle di rumorosità dei motori pubblicate indicano comunemente che i motori a 2 poli sono più rumorosi di alcuni dB rispetto a quelli a 4 poli nello stesso telaio. Se il vostro sito è sensibile al rumore, questo è importante. È possibile attenuare il rumore con una ventola migliore, con un involucro acustico o con una scelta a 4 poli. 

Cuscinetti e durata di vita

La durata dei cuscinetti in ore diminuisce all'aumentare della velocità (a parità di condizioni). La relazione di base sulla durata ISO 281 converte i giri in ore di funzionamento dividendo per il numero di giri. Questo è uno dei motivi per cui le unità a 4 poli spesso utilizzano cuscinetti più freddi e durano più a lungo tra una revisione e l'altra. La qualità della lubrificazione e il carico dominano ancora, ma la velocità è un fattore determinante. 

I VFD, il "servizio di inverter" e il numero di poli che gioca meglio

Sia i motori a 2 poli che quelli a 4 poli amano i VFD se il motore è costruito per questo. Cercare la dicitura "Inverter Duty" o la conformità NEMA MG 1 Part 31 sulla targhetta o sulla scheda tecnica. Questi motori sono dotati di protezioni per l'isolamento e spesso per i cuscinetti, in modo da gestire i bordi di tensione rapidi e i cavi lunghi. Se è necessario far funzionare velocità molto basse alla massima coppia, considerare il raffreddamento esterno o un motore TEBC. 

A proposito di "efficienza": controllate l'etichetta, non le voci di corridoio.

Le normative hanno imposto un'elevata efficienza su tutta la linea. Nell'UE, a partire dal 1° luglio 2023, molti motori a 2, 4 e 6 poli da 75-200 kW dovranno essere conformi allo standard IE4. In Nord America si vedrà la conformità "NEMA Premium" sia a 2 che a 4 poli. In conclusione, non si deve pensare che il numero di poli determini l'efficienza, ma il modello e il telaio. Confrontate le targhette e i dati dei test. 

2 poli vs 4 poli in forma tabellare

Una lista di controllo pratica per la selezione

Utilizzate questi controlli rapidi prima dell'acquisto:

• Quale numero di giri vuole effettivamente l'apparecchiatura azionata?
• La coppia a bassa velocità è importante all'avvio?
• Ci sono limiti di rumore o problemi di vibrazioni in prossimità di persone o sensori?
• Per le pompe/ventole, cosa succede alla portata/prevalenza/potenza se la velocità varia?
• Il motore è classificato come "Inverter Duty" secondo NEMA MG 1 Parte 31? Lunghezze dei conduttori? Protezione dei cuscinetti?
• Confrontare le efficienze sulle targhette effettive (stessa potenza, stessa tensione, stesso involucro).

Bonus: minuscole FAQ

• Un 4 poli fa "più lavoro" di un 2 poli? No. La potenza è la velocità di lavoro. A parità di HP, uno gira più lentamente con più coppia; l'altro gira più velocemente con meno coppia. Utilizzare i riduttori o i VFD per soddisfare le esigenze del carico. 
• I motori a 2 poli sono sempre più rumorosi? Spesso, ma non sempre. Anche il telaio, la ventola, l'involucro e il montaggio sono importanti. Controllare i dati sulla rumorosità se i livelli sonori sono fondamentali. 
• Un tipo è sempre più efficiente? No. L'efficienza dipende dal design specifico e dal rating. Le norme moderne spingono entrambi a livelli elevati. Verificare sempre la scheda tecnica.