Il mio approfondimento: isteresi della perdita del nucleo nei motori a induzione - SMC contro laminazione in acciaio

Un'enorme perdita di energia che scopro spesso è la perdita del nucleo. Una componente importante è la perdita di isteresi. Può compromettere il funzionamento di un motore a induzione. Questa perdita trasforma l'energia elettrica utile in calore sprecato.

In questo messaggio voglio condividere ciò che ho scoperto su questa difficile perdita di isteresi. Esamineremo i vecchi metodi per eliminarla, come l'uso della laminazione di acciaio nel nucleo del motore. Poi esploreremo idee più recenti, come i materiali compositi magnetici morbidi (SMC). SMC e laminazione in acciaio sono una scelta chiara? Scoprirete quale potrebbe essere la scelta migliore per il layout del vostro motore. E soprattutto capirete perché questo è importante per il risparmio energetico e per la strutturazione di apparecchiature elettriche migliori. Questo breve articolo vale il vostro tempo se intendete comprendere veramente l'efficacia del motore e i materiali che la rendono possibile.

Che cos'è la perdita per isteresi in un motore a induzione?

Considerate la cosa in modo simile a questa. Il materiale magnetico all'interno di un motore a induzione deve cambiare la sua direzione magnetica molto velocemente. Questo avviene molto spesso, spesso in un secondo. Questa rapida commutazione fa sì che lo statore e il rotore lavorino insieme per far girare il motore. Tuttavia, questa commutazione non è completamente fluida o molto facile per il materiale magnetico. Il materiale resiste un po' a questa regolazione. Questa resistenza, questo "attrito magnetico", crea calore. Questo calore è energia sprecata. Chiamiamo questo specifico spreco di potenza perdita di isteresi. È una parte fondamentale di ciò che chiamiamo perdita di ferro in qualsiasi tipo di macchina elettrica.

Un fattore importante era la perdita di isteresi. Il materiale magnetico nel nucleo dello statore non riusciva a stare al passo con i rapidi cambiamenti magnetici senza combattere. Questa lotta, questo ritardo di reazione, è "isteresi". Si verifica nel componente magnetico del motore. Quanto più la densità del flusso magnetico cambia, tanto maggiore è la perdita di isteresi. La realizzazione di buoni motori elettrici implica la scoperta di mezzi per ridurre questa perdita.

E che dire della perdita totale del nucleo? È un grosso problema per un motore?

Sì, la perdita del nucleo è un grosso problema per qualsiasi tipo di motore! La perdita per isteresi è una componente, come abbiamo appena detto. L'altra componente fondamentale è la perdita per correnti parassite. Quando si mettono insieme queste due componenti - perdita per isteresi e per correnti parassite - si ottiene la perdita totale del nucleo. Si potrebbe anche parlare di perdita di ferro. Questa perdita si verifica nei componenti in ferro del motore, come ad esempio il nucleo dello statore e talvolta il rotore. Questo trasforma l'eccellente energia elettrica in un lavoro di rotazione caldo e non utile. Pertanto, un motore con un'elevata perdita di nucleo non è un motore affidabile.

In alcuni casi, la perdita del nucleo può consumare una grossa fetta della torta energetica. Ciò significa che si finisce per pagare molto di più l'elettricità per svolgere lo stesso compito. Inoltre, il motore si surriscalda a causa dell'energia sprecata. Un motore più caldo può avere una vita molto più breve. Oppure può indicare la necessità di sistemi di raffreddamento più grandi e costosi. Per questo motivo, trovare metodi per ridurre la perdita di calore è fondamentale per chiunque realizzi o utilizzi una macchina elettrica. Ciò è particolarmente vero quando si punta all'alta efficienza per raggiungere gli obiettivi di efficacia del motore.

Perché utilizzare la laminazione nei motori?

L'uso della laminazione in un motore serve soprattutto a combattere la componente della perdita del nucleo: la perdita per correnti parassite. Pensate se lo statore di un motore fosse costituito da un solido pezzo di ferro. Quando il campo elettromagnetico all'interno del motore si adatta (e lo fa costantemente quando è in funzione), crea correnti parassite all'interno del ferro solido. Queste sono le correnti parassite. Consideratele come piccoli vortici di energia elettrica. Non svolgono alcuna azione benefica. Si limitano a girare all'interno del ferro, producendo calore. La laminazione è una tecnica creativa per fermare queste correnti.

Una laminazione è solo un foglio estremamente sottile di acciaio elettrico. Per realizzare il nucleo di uno statore, impiliamo insieme molti di questi fogli sottili. La cosa più importante è che tra ogni foglio di laminazione c'è un piccolo pezzo di isolamento. Questo isolamento separa i percorsi delle grandi e inefficienti correnti parassite. In questo modo, anziché avere grandi vortici di corrente presente che creano molte perdite di corrente parassita, se ne hanno di molto più piccole. Questi piccoli vortici causano molte meno difficoltà e un calore da correnti parassite molto ridotto. Questo è un modo estremamente comune di costruire lo statore in numerosi motori elettrici. Lo stile della laminazione stessa è fondamentale per il buon funzionamento di questo sistema.

In che modo la laminazione convenzionale dell'acciaio contribuisce alla perdita del nucleo in un motore a induzione?

Convenzionale laminazione dell'acciaio è molto efficace nel ridurre le perdite di corrente parassita in un motore a induzione. Utilizzando sottili fogli di acciaio elettrico speciale, rendiamo molto difficile il passaggio delle correnti parassite. Si tratta di una grande vittoria per la riduzione di un componente della perdita del nucleo. Per quanto riguarda la perdita di isteresi, è importante il tipo di acciaio elettrico utilizzato per la laminazione. Alcuni acciai sono realizzati in modo che i loro piccoli domini magnetici possano cambiare direzione più rapidamente. Ciò indica una resistenza molto minore e quindi una minore perdita di isteresi.

Tuttavia, la laminazione non è la soluzione perfetta per tutte le perdite del nucleo. C'è ancora una perdita di isteresi nell'acciaio elettrico stesso, indipendentemente dalla sua qualità. Inoltre, se le laminazioni non sono completamente protette l'una dall'altra o se l'assemblaggio del coassiale è danneggiato, le correnti parassite possono ancora trovare un percorso per fluire e causare problemi. Allo stesso modo, un aspetto importante della laminazione è che il flusso magnetico (la potenza magnetica) desidera viaggiare principalmente lungo il piano d'aria dei fogli di laminazione. Questo può limitare alcuni layout di motori, soprattutto se si ha bisogno di percorsi complessi del flusso magnetico che vadano in tutte le direzioni. Questi nuclei in acciaio laminato sono oggi presenti in diversi dispositivi RM.

Cosa sono i compositi magnetici morbidi (SMC)? Un nuovo attore nei prodotti per motori?

Parliamo ora dei Soft Magnetic Composites, o SMC. Si tratta di un nuovo tipo di materiale magnetico per motori. Sono abbastanza diversi dalle convenzionali lamiere d'acciaio laminate che abbiamo appena esaminato. Immaginate i materiali SMC come se fossero costruiti da zilioni di minuscole particelle di ferro. Ognuna di queste minuscole particelle di ferro è rivestita da un sottilissimo strato di isolamento elettrico. Dopodiché, tutti questi pezzi stratificati vengono pressati insieme in modo estremamente stretto. Vengono spinti in uno stampo e fatti ammuffire per ottenere una forma robusta, come il nucleo di uno statore per un motore. Questo processo consente di ottenere una buona densità.

Le persone erano molto entusiaste delle possibilità offerte. Poiché ogni piccolo bit è schermato dai suoi vicini, gli SMC sono naturalmente fantastici nel bloccare le correnti parassite. La perdita di correnti parassite può essere molto bassa in un nucleo SMC, soprattutto quando il motore funziona ad alta velocità o ad alta frequenza. Questo apre nuove porte per i layout dei motori, in particolare per i motori avanzati che devono funzionare in modo diverso rispetto a quelli più vecchi. Questi materiali compositi utilizzano nuovi mezzi per pensare al modo in cui viene realizzato il componente magnetico di una macchina elettrica. L'applicazione degli SMC è in crescita.

In che modo i prodotti SMC affrontano in modo diverso la perdita per isteresi in un motore a induzione?

I materiali SMC gestiscono la perdita di isteresi in un motore a induzione in alcuni modi, un po' diversi tra loro. Le particelle di ferro utilizzate per realizzare i compositi magnetici morbidi (SMC) sono scelte per essere "morbide" dal punto di vista magnetico. Ciò significa che la loro direzione magnetica interna può essere spostata avanti e indietro molto più facilmente. Quando è molto più facile da invertire, si ottiene una perdita di isteresi ridotta. Questa è la parte migliore. Tuttavia, la procedura di produzione degli SMC prevede che queste particelle vengano spinte con una forte pressione. Questa spinta può spesso aggiungere un po' di stress e di ansia alle piccole particelle. Questo stress può, purtroppo, aumentare un po' la perdita di isteresi.

Quindi, per quanto riguarda la perdita di isteresi, spesso si tratta di un compromesso con i materiali SMC. Le dimensioni molto ridotte dei bit e l'isolamento sono eccellenti per ridurre la perdita totale di ferro, in particolare la componente di perdita per correnti parassite. Tuttavia, la densità di un nucleo in SMC è generalmente un po' inferiore a quella di un nucleo realizzato con robuste laminazioni di acciaio elettrico. Questa minore densità può suggerire che le prestazioni magnetiche non siano altrettanto forti. Potrebbe essere necessario un po' più di materiale SMC per trasportare la stessa quantità di potenza magnetica. Questo può avere un impatto indiretto sull'immagine della perdita di isteresi. Un progetto ottimale per il motore deve stabilizzare questi fattori. I progettisti ricorrono comunemente a strumenti informatici come la FEA (Finite Element Analysis) per studiare questo aspetto e ottimizzare la scelta del materiale magnetico.

SMC vs. laminazione d'acciaio: Qual è il vero confronto per i motori a induzione?

Quando facciamo un confronto diretto tra SMC e laminazione in acciaio per i motori a induzione, le cose diventano molto affascinanti. Per molti motori a induzione di base che funzionano a frequenze piuttosto basse (come le 50 o 60 volte al secondo della vostra presa a muro), la buona vecchia laminazione dell'acciaio elettrico di solito esce in anticipo quando si controlla la perdita di isteresi. Lo speciale acciaio elettrico utilizzato nella laminazione è estremamente raffinato e lavorato per avere una perdita di isteresi molto bassa a queste velocità. Gli SMC, invece, tendono a rivelare i loro maggiori vantaggi quando le regolarità di funzionamento sono maggiori. Questo perché il loro superpotere consiste nel ridurre notevolmente le perdite per correnti parassite, che diventano un problema sostanziale alle alte velocità.

La scelta migliore in questo confronto dipende quindi dal particolare motore a induzione e dal modo in cui viene utilizzato. In molti tipi di motori elettrici a induzione tipici, i campi magnetici nello statore cambiano a quella che chiamiamo frequenza di linea. A queste velocità piuttosto ridotte, la parte di perdita per isteresi della perdita del nucleo completo può essere molto più considerevole della perdita per correnti parassite, soprattutto se il nucleo in acciaio laminato è ben fatto. In questi casi, il materiale composito magnetico morbido potrebbe mostrare una perdita di isteresi leggermente superiore. Ma anche per alcuni progetti speciali di motori a induzione, o per motori elettrici che devono ruotare molto, molto velocemente, gli SMC potrebbero essere i vincitori. Spesso un documento tecnico fornisce una valutazione comparativa completa per determinati produttori.

L'SMC può ridurre la perdita del nucleo più dell'acciaio laminato in un motore?

Questa è la grande domanda che tutti si pongono: il materiale SMC può ridurre al minimo la perdita complessiva del nucleo rispetto all'acciaio laminato in un motore? La soluzione vera è: "dipende". Il composito magnetico morbido (SMC) è sicuramente eccezionale nel ridurre le perdite per correnti parassite. Se il layout del vostro motore è uno di quelli in cui la perdita per correnti parassite è la principale causa di difficoltà, l'utilizzo di un nucleo in SMC può portare a una perdita totale del nucleo molto più bassa. Questo è spesso il caso dei motori elettrici ad alta velocità o dei motori elettrici che presentano percorsi di flusso magnetico tridimensionali (3D) molto complessi. Si tratta di percorsi in cui è difficile e persino complicato utilizzare in modo efficiente i tipici fogli di laminazione di livello.

Tuttavia, se la perdita di isteresi è la componente principale del problema di perdita del nucleo (cosa che può accadere nei motori a bassa velocità), la laminazione in acciaio elettrico di ultima generazione potrebbe essere l'opzione migliore per ridurre la perdita di ferro. Un'altra cosa da tenere presente è che la densità dell'SMC è normalmente inferiore a quella della laminazione in acciaio forte. Questo può significare che le sue prestazioni magnetiche (quanta potenza magnetica è in grado di gestire per le sue dimensioni) sono un po' ridotte, a meno che il motore non sia stato accuratamente sviluppato per questo. Di norma, quindi, non è possibile sostituire un nucleo statorico in acciaio laminato con un nucleo in SMC e aspettarsi una magia. È necessario ottimizzare l'intero layout del motore, compresi statore e rotore, per il materiale magnetico scelto. L'utilizzo dei risultati della simulazione dell'analisi a elementi finiti (FEA) è fondamentale.

Ci sono svantaggi nell'uso di SMC nel nucleo di un motore a induzione?

Sì, come per ogni tipo di prodotto, ci sono alcuni punti da tenere d'occhio se si sta pensando di utilizzare un composito magnetico morbido (SMC) nel nucleo di un motore a induzione. Un fattore cruciale è che i prodotti in SMC hanno di solito un valore di saturazione ridotto per la densità di flusso magnetico rispetto all'acciaio elettrico di qualità superiore. Ciò significa che non possono trasportare altrettanta "potenza" magnetica nella stessa quantità di spazio prima di diventare "completi". Se non si tiene conto di questo aspetto nella progettazione e nell'ottimizzazione, è possibile che il motore debba essere un po' più grande o che non sia altrettanto potente. La resistenza meccanica degli SMC può anche essere inferiore a quella dell'acciaio forte, il che può essere importante in alcune applicazioni del motore.

Un altro aspetto da tenere in considerazione è il costo e la modalità di realizzazione dei componenti. Sebbene gli SMC permettano di realizzare forme tridimensionali complesse e di tendenza per il nucleo dello statore - il che può essere un grande vantaggio per determinate topologie di motori, come le macchine a magneti permanenti a flusso assiale (AFPM) o i progetti che mirano a ridurre al minimo l'ondulazione della coppia - il prodotto SMC stesso e la procedura di produzione del nucleo SMC potrebbero essere molto più costosi per alcuni tipi di motori elettrici o quantità di produzione. La minore densità significa inoltre che potrebbe essere necessario un po' più di materiale SMC in termini di peso o volume per svolgere lo stesso compito magnetico di una quantità minore di ferro in uno statore in acciaio. È necessario pensare all'intera procedura di progettazione e produzione. L'affidabilità di questi nuovi materiali e delle strategie di produzione è un altro punto di studio in corso per l'efficienza degli SMC.

Quindi, quando dovrei considerare SMC per il mio layout del motore?

In primo luogo, se si tratta di motori elettrici ad alta efficienza e ad alta velocità, gli SMC sono un concorrente molto forte. La loro capacità di mantenere incredibilmente ridotta la perdita di corrente parassita alle alte frequenze rappresenta un enorme vantaggio. Ciò contribuisce ad aumentare le prestazioni del motore. In secondo luogo, se lo stile del motore richiede percorsi di flusso magnetico tridimensionali impegnativi - forme che sono veramente difficili o ingombranti da realizzare con la laminazione piatta in acciaio - l'applicazione di SMC è un'idea straordinaria. Questo è spesso il caso di alcuni tipi di macchine a magneti permanenti a flusso assiale (AFPM), di macchine a magneti permanenti a commutazione di flusso (FSPM) o di concetti specializzati come i motori yokeless e a cave frazionali. I motori SMC possono consentire queste opzioni topologiche uniche.

Inoltre, se state scoprendo una produzione innovativa come la produzione additiva per i vostri componenti magnetici, i materiali compositi simili agli SMC potrebbero essere una componente importante di quel futuro. Per i layout dei motori sincroni a magneti permanenti, o anche per i motori DC brushless a magneti permanenti, in cui si desidera massimizzare aspetti quali una coppia di cogging estremamente bassa o una coppia di uscita regolare (ondulazione di coppia ridotta), gli SMC offrono agli ingegneri una nuova libertà di progettazione per lo statore. Utilizzate costantemente potenti dispositivi informatici come l'analisi a elementi finiti (FEA) per eseguire una valutazione relativa in base a determinati parametri di layout. Pensate alle prestazioni totali del dispositivo, all'analisi termica DUC, al fattore di potenza e alla sua influenza sull'efficacia del motore. Si tratta di trovare l'opzione ottimale per le diverse applicazioni, eventualmente anche per un autocarro elettrico dove l'alta densità di coppia e l'affidabilità sono fondamentali. Questa ricerca si propone di aiutarvi a fare questa scelta. I risultati dimostrano che un'attenta progettazione e ottimizzazione sono fondamentali.