Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
La maggior parte dei rotori PM laminati si ritrova con una delle tre realtà: un manicotto metallico che limita la velocità e le perdite, un manicotto composito che limita la temperatura e il raffreddamento, o un processo di banding che limita tranquillamente la resa produttiva. Il trucco non è "trovare l'opzione migliore". È accettare quale vincolo si è disposti a sopportare per la prossima generazione di prodotti.
Una volta che si passa dal solido rotori a pile laminateIl manicotto non sta più bloccando un semplice cilindro. Sta cercando di tenere insieme una pila di piastre sottili, magneti, adesivi e talvolta manicotti o cunei. Il campo di sollecitazione non è più pulito. La conformità radiale della pila di laminazione, le scanalature, le chiavette e le caratteristiche del condotto spostano il percorso di sollecitazione del cerchio e cambiano il modo in cui la banda o il manicotto condividono il carico con i magneti.
I modelli analitici che trattano il magnete e il manicotto come due anelli concentrici perfetti iniziano a perdere interazioni importanti non appena la pila di laminazione diventa alta, scanalata o obliqua. Proprio per questo motivo, i lavori più recenti accoppiano esplicitamente il restringimento del manicotto, l'elasticità del magnete e la geometria del rotore sia in direzione radiale che assiale, invece di risolvere ciascun elemento in modo isolato.
Quindi, quando si parla di "opzioni di manicotti e bande" per i rotori PM laminati, si parla in realtà di come si sceglie di indirizzare le sollecitazioni meccaniche intorno a uno stack ottimizzato per le prestazioni elettromagnetiche prima e per il comportamento strutturale poi.
Gli ingegneri si dividono tipicamente in tre famiglie di contenimento per i rotori PM laminati: manicotti metallici, manicotti compositi (di solito a base di carbonio) e approcci basati solo su bande che utilizzano fibre o nastri avvolti direttamente intorno alla pila di laminazione o ai magneti esterni. I costruttori di macchine commerciali e i lavori accademici continuano a girare intorno a queste famiglie perché i compromessi fondamentali si rifiutano di scomparire.
I manicotti metallici offrono una buona capacità di temperatura e una buona conduzione termica, ma introducono perdite per correnti parassite nel rotore e aggiungono massa al raggio maggiore. I manicotti in materiale composito riducono le perdite e l'inerzia, ma devono fare i conti con il calore e i vincoli di polimerizzazione. Il banding puro, spesso realizzato con macchine automatiche, si basa più sul controllo del processo e sulla pre-tensione che sulla massa del materiale.
La pila di laminazione si trova sotto tutto questo, leggermente elastica, leggermente discontinua, e questo dettaglio di solito decide quale dei tre percorsi funziona effettivamente in produzione.
Per i rotori PM laminati, i manicotti metallici sono spesso il punto di partenza predefinito. L'Inconel 718, gli acciai inossidabili e le leghe di titanio sono sempre presenti perché combinano una resistenza allo snervamento nell'ordine delle centinaia di MPa con una tenacità e una producibilità accettabili.
Con una pila di laminazione sotto la manica, ci si preoccupa di tre cose in più del solito.
In primo luogo, il manicotto non vede un nucleo perfettamente rigido. Le laminazioni si comprimono sotto l'effetto del restringimento e del carico centrifugo, riducendo la pressione di contatto alla velocità rispetto a quanto previsto dalle semplici equazioni dei cilindri spessi. Le analisi moderne includono esplicitamente il modulo della laminazione e la geometria della scanalatura nel calcolo dell'accoppiamento di interferenza e della velocità consentita, perché la rigidità radiale effettiva può essere significativamente inferiore a quella dell'acciaio massiccio.
In secondo luogo, la pila di laminazione potrebbe non fornire una superficie esterna liscia. Gli stampi obliqui, a gradino o a canale di ventilazione creano un diametro esterno ondulato. Se ci si limita ad arrotondare e a far scorrere un manicotto metallico stretto, si rischia una sovrasollecitazione locale in corrispondenza delle creste rimanenti o, peggio, un contatto incompleto che compromette il flusso di calore dai magneti alla pila e quindi all'albero. Diversi progetti industriali mantengono intenzionalmente uno spessore modesto del manicotto e si affidano a limiti di rettifica e di corsa accuratamente specificati, in modo che il manicotto possa assestarsi senza cedimenti locali imprevedibili.
In terzo luogo, il manicotto diventa parte attiva del bilancio delle perdite. Un tubo conduttore continuo attorno a un rotore laminato forma un percorso a bassa resistenza per i campi ad alta frequenza che fuoriescono dai magneti e dalle scanalature. Questo si traduce in una perdita di corrente parassita del rotore e in calore proprio dove i magneti non lo desiderano. Lavori più recenti esplorano manicotti metallici laminati, come quelli in titanio segmentati assialmente con strati isolanti, che riducono la densità di correnti parassite mantenendo la maggior parte dei vantaggi meccanici.
Il risultato netto è che i manicotti metallici sono interessanti sui rotori laminati quando sono necessarie temperature elevate, velocità di superficie relativamente modeste o un percorso termico affidabile. Non sono invece utili se il progetto è già limitato nelle perdite e gira al limite massimo della capacità meccanica dei magneti.
I manicotti in fibra di carbonio attorno ai rotori laminati PM sono diventati popolari perché eliminano quasi del tutto le perdite per correnti parassite del rotore dalla struttura di contenimento e consentono una velocità superficiale più elevata prima che vengano raggiunti i limiti di stress. I valori tipici citati nei sondaggi del settore indicano una velocità lineare superficiale massima di circa 240 m/s per i manicotti metallici e di circa 320 m/s per i manicotti in fibra, con un layup e una pre-tensione adeguati.
La sfida è che le maniche in composito si comportano in modo molto diverso quando vengono avvolte su una pila di laminazione.
I manicotti in fibra sono eccellenti nella direzione del cerchio, ma meno rigidi radialmente. In condizioni di funzionamento ad alta velocità, tengono i magneti in compressione, ma la loro bassa conducibilità termica significa che il calore generato nei magneti o nelle zone terminali ha difficoltà a fuoriuscire. Diversi studi sottolineano che il semplice aumento dello spessore dei manicotti in composito per ottenere un margine di stress si ritorce contro: il manicotto più spesso spinge il traferro verso l'esterno e fa diminuire la densità di flusso, peggiorando il raffreddamento e aumentando la temperatura del magnete.
Il percorso di produzione è più importante di quanto molti fogli di specifiche lascino intendere. I manicotti in carbonio ad avvolgimento diretto su un rotore possono raggiungere precompressioni radiali dell'ordine di qualche centinaio di MPa, limitate in parte dalla tolleranza alla temperatura del magnete durante l'indurimento e dalla capacità del processo di avvolgimento. I manicotti in carbonio pressati, prodotti separatamente e poi espansi e montati sul rotore, possono raggiungere sollecitazioni di compressione nette più elevate in condizioni operative, ma richiedono un controllo molto accurato delle dimensioni e delle interferenze.
Quando il nucleo è una pila laminata con magneti di superficie, queste differenze diventano problemi pratici.
Un manicotto ad avvolgimento diretto deve seguire ogni imperfezione geometrica della pila, e il flusso di resina può essere disturbato da fori di sfiato della laminazione o da aperture di scanalature. Un manicotto pressato ha bisogno di un diametro esterno liscio e lavorato con precisione sulla pila e sui magneti; in caso contrario, si creano vuoti locali che erodono il margine di sollecitazione e la rigidità. Sui piccoli rotori ad altissima velocità, i risultati della ricerca mostrano che lo spessore del manicotto e l'interferenza sono strettamente accoppiati; spesso c'è una regione molto stretta in cui la sollecitazione di trazione del magnete, la sollecitazione del manicotto e la producibilità rimangono accettabili.
I nuovi approcci ai compositi aggiungono un'ulteriore novità: il posizionamento automatizzato delle fibre mediante nastri termoplastici consente di controllare con precisione la tensione del cerchio e di ottenere fibre di modulo più elevato, riducendo al contempo l'assorbimento di acqua e il rigonfiamento dimensionale del manicotto. Per i rotori laminati che operano in ambienti caldi e umidi, questi dettagli possono fare la differenza tra un gioco stabile e uno sfregamento dopo poche migliaia di ore.
Quando si parla di "banding", a volte si intende il materiale (una benda in fibra), altre volte il processo (avvolgimento automatico di nastro pre-impregnato con una pre-tensione definita). Per i rotori PM laminati, il processo è quello che cambia davvero le carte in tavola.
Le macchine di bandatura dedicate ai rotori a magneti permanenti controllano la tensione del nastro, la velocità di rotazione e l'indurimento in una stazione compatta. Questo è interessante quando si hanno pile di laminazione con magneti sul diametro esterno o leggermente interrati nelle scanalature, perché l'operazione di bandatura può adattarsi a diverse geometrie del rotore senza modificare un manicotto lavorato.
Tuttavia, la pila di laminazione spinge indietro. Letteralmente.
Ogni strato di laminazione è isolato, quindi la rigidità radiale effettiva è inferiore a quella di un anello solido. Sotto la tensione della banda, le laminazioni esterne possono collassare leggermente, modificando la precompressione finale una volta che il rotore è a velocità e temperatura. I migliori processi di bandeggio cercano di tenere conto di questo fenomeno combinando la cedevolezza del rotore misurata, la compensazione della temperatura e, a volte, l'avvolgimento a stadi con tensioni diverse. Recenti ricerche sulle tecniche di avvolgimento delle guaine del rotore suggeriscono di trattare l'avvolgimento e la polimerizzazione come parte della progettazione strutturale e non solo come fase finale di assemblaggio.
La fasciatura interagisce fortemente anche con gli elementi di ritenzione assiale: tappi, spalle e labbri. Questi elementi interrompono la pila di laminazione e creano concentrazioni di sollecitazioni locali sotto la tensione del cerchio. Ad esempio, uno smusso alla transizione tra il diametro esterno della laminazione e un anello terminale può alleviare le tensioni in un manicotto metallico, ma può creare sacche ricche di resina in una banda in composito, che poi si rompono sotto ripetuti cicli termici. In questo caso, la geometria della pila di laminazione decide fino a che punto si può spingere la tensione della banda prima che l'affidabilità a lungo termine diminuisca.
Recentemente, le guaine ibride e laminate hanno iniziato a comparire nella letteratura e nei primi prodotti. L'idea è semplice: invece di scegliere tra "conduttivo e forte" o "isolante e meno conduttivo", li si combina in modo strutturato.
Un ramo esplora i manicotti metallici laminati, come i manicotti in lega di titanio con segmentazione assiale e isolamento tra i segmenti. Simulazioni e test dimostrano che questi manicotti possono ridurre le perdite per correnti parassite del rotore in modo significativo rispetto ai manicotti in titanio massiccio, pur mantenendo la maggior parte delle capacità meccaniche. Per un PMSM ad alta velocità da 10 kW e 30.000 giri/min, un manicotto in titanio laminato con uno strato isolante ha ridotto le perdite di correnti parassite del rotore rispetto ai manicotti in titanio massiccio e in composito, pur rimanendo entro i limiti di sollecitazione consentiti.
Un'altra branca esplora i manicotti compositi con percorsi conduttivi incorporati, ad esempio manicotti che incorporano elementi di rame in una struttura altrimenti composita. Lavori recenti riportano che tali manicotti compositi incorporati nel rame possono migliorare il margine di sollecitazione ad alta velocità rispetto a un manicotto composito puro, grazie alla rigidità personalizzata e ai modelli di pre-sollecitazione.
Per i rotori PM laminati, questi manicotti ibridi offrono qualcosa di utile: consentono di regolare separatamente la perdita elettromagnetica e le prestazioni meccaniche, pur conformandosi a uno stack di laminazione che potrebbe non essere del tutto ideale dal punto di vista strutturale. Tuttavia, richiedono una produzione più complessa e un'attenta analisi del comportamento termico alle interfacce.
La tabella seguente mette a confronto le opzioni tipiche dei rotori PM laminati con magneti di superficie o quasi. I valori sono indicativi, non universali; riflettono le tendenze riportate da diverse fonti industriali e accademiche.
| Opzione su rotore PM laminato | Materiali e struttura tipici | Intervallo di velocità approssimativo della superficie (m/s) | Capacità di temperatura (regione del rotore) | Impatto della perdita del rotore | Percorso termico dai magneti | Considerazioni sul processo con la pila di laminazione | Modello di caso d'uso tipico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Manicotto metallico solido termoretraibile su pila di laminazione | Inconel 718, acciaio inox, titanio; tubo monoblocco | Fino a circa 200-240 con una progettazione accurata | Fino a circa 250-290°C prima che il materiale e i magneti limitino il sistema | Maggiore perdita di corrente parassita del rotore a causa del tubo conduttivo | Buona conduzione dai magneti ai lamierini e all'albero | Richiede un OD di laminazione liscio e preciso; è sensibile alla conformità della pila e alle fessure; la termoretrazione deve tenere conto del modulo di laminazione. | Macchine a media e alta velocità con ambienti difficili in cui la robustezza termica conta più dell'efficienza di picco |
| Manicotto in materiale composito (filamento avvolto o pressato) | Fibra di carbonio o fibra ibrida, matrice epossidica o termoplastica | Circa 250-320 quando il layout e la pre-sollecitazione sono ottimizzati | Spesso limitato a circa 150-180°C dalla matrice e dal tipo di magnete | Perdita di corrente parassita molto bassa nel manicotto; perdite principalmente nei magneti e nelle laminazioni | Scarsa conduzione radiale; il manicotto può fungere da barriera termica | I manicotti ad avvolgimento diretto si adattano alla geometria ma dipendono dal profilo di polimerizzazione; i manicotti pressati necessitano di un diametro esterno preciso e di un controllo dell'interferenza sulla pila conforme. | Macchine ad alta velocità dove l'efficienza e la bassa perdita del rotore sono dominanti e il raffreddamento è gestito altrove |
| Fascio di fibre automatico su pila di laminazione | Nastro preimpregnato o fibra secca con resina, avvolto in più passaggi | Simile al manicotto in composito se lo spessore è paragonabile; spesso circa 250-300 | Limitato alla matrice; tipicamente simile ai manicotti in composito | Bassa perdita del manicotto; spessore della banda e comportamento di guida del materiale | Simile ai manicotti in composito, a volte peggiore se ricco di resina | Sensibile al processo: la conformità della laminazione, i fori di sfiato e la geometria del gradino finale influenzano la tensione finale; ottimo per le famiglie di rotori flessibili | Rotori ad alta velocità prodotti in varietà, dove la sostituzione di un manicotto lavorato per ogni variante sarebbe troppo costosa |
| Manicotto metallico laminato | Manicotto segmentato in titanio o acciaio con isolamento tra i segmenti | Paragonabile a quello delle maniche metalliche, a volte leggermente più basso | Simile alla lega di base; la temperatura locale può essere migliore a causa della minore perdita. | Riduzione della perdita di corrente parassita rispetto ai manicotti solidi, pur rimanendo conduttivo | Migliore del composito, leggermente inferiore al metallo pieno a causa della segmentazione e dell'isolamento | Lavorazione e assemblaggio più complessi; il diametro esterno della pila deve essere ancora preciso; l'isolamento dell'interfaccia deve essere incollato a lungo. | Macchine in cui la perdita del rotore è limitante, ma i manicotti in composito non sono accettabili per motivi di temperatura o strutturali. |
| Manicotto composito ibrido con conduttori incorporati | Matrice composita con rame incorporato o altri conduttori | Progettati per l'alta velocità; portate simili a quelle dei manicotti in composito | Matrice limitata, spesso nella stessa gamma dei compositi di fascia alta | Può sintonizzare la perdita regolando il volume e il modello conduttivo | Conduzione simile al composito con miglioramenti localizzati | Richiede una produzione avanzata (AFP o layup personalizzato); l'allineamento con le caratteristiche di laminazione è importante | Progetti in fase iniziale destinati al settore aerospaziale e ad altre macchine a più vincoli che necessitano di una bassa perdita e di una rigidità su misura |
Questi intervalli si aggiungono ai limiti propri della pila di laminazione: la resistenza alla trazione del magnete, la resistenza allo snervamento della laminazione alla temperatura e qualsiasi fattore di sollecitazione in corrispondenza di chiavette, fessure di sfiato o sedi di restringimento.
Le pile di laminazione sono progettate innanzitutto per le prestazioni elettromagnetiche. Ciò significa che l'apertura della fessura, la larghezza del dente, lo spessore del ponte e il diametro esterno del rotore vengono scelti per fornire un'ondulazione di coppia, un'efficienza e un profilo di induttanza specifici. Le conseguenze strutturali vengono dopo.
Nei rotori PM ad alta velocità, questo ordine di decisioni porta talvolta a pile con ponti esterni più sottili dell'ideale o con regioni del nastro troppo flessibili. In caso di pre-sollecitazione del manicotto o della banda, questi elementi si deformano, spingendo leggermente i magneti e modificando il traferro locale. Alla velocità di esercizio, si flettono nuovamente verso l'esterno. Qualsiasi manicotto o nastro scelto senza tenere conto di questo aspetto si comporterà in modo diverso sul rotore reale rispetto a quello calcolato.
Il flusso di progettazione moderno per i rotori PM laminati tende quindi a fare quanto segue, anche se non sempre documentato in modo così chiaro.
In primo luogo, costruisce un modello meccanico della pila di laminazione e dei soli magneti. Solo dopo aver compreso la conformità della laminazione, si aggiungono restringimenti, bande e manicotti. Questa fase rivela se ponti e nastri si distorceranno prima ancora di raggiungere i limiti di sollecitazione nominale.
Successivamente, il design del manicotto o della banda viene regolato in base alla conformità. Per uno stack di laminazione molto rigido, può essere ottimale un manicotto composito più sottile con un'elevata precompressione. Per uno stack più morbido, un manicotto metallico con un'interferenza inferiore ma con uno spessore maggiore può fornire lo stesso contenimento con una minore sensibilità alle imperfezioni geometriche.
Infine, i modelli di correnti parassite e termici del rotore vengono aggiornati con la geometria effettiva del manicotto o della banda. Gli studi dimostrano che il materiale e la struttura del manicotto possono spostare le perdite dai magneti al manicotto o da entrambi, ma la risposta giusta dipende dalla velocità, dal contenuto di frequenza e dal sistema di raffreddamento più che dalla sola scelta del materiale.
La geometria della pila di laminazione spinge questi passaggi in una direzione o nell'altra; a volte in modo sottile, a volte in modo molto forte.
È utile pensare ad alcuni casi stilizzati piuttosto che a regole universali, perché la pila di laminazione e i dettagli applicativi dominano.
Si consideri un piccolo rotore ad altissima velocità, tra le decine e le centinaia di watt, che funziona a diverse centinaia di migliaia di giri al minuto con una pila laminata. In questo caso, i magneti sono piccoli e il diametro esterno della laminazione è ridotto. I manicotti compositi o il banding diretto hanno senso: le perdite per correnti parassite in un manicotto metallico così piccolo potrebbero rappresentare una grande frazione della perdita totale, e il percorso termico attraverso l'albero e i cuscinetti è spesso sufficiente. La pila di laminazione è solitamente semplice e può essere rettificata a un diametro esterno molto preciso, aiutando il manicotto composito a comportarsi in modo prevedibile.
Per un compressore industriale ad alta velocità da centinaia di kilowatt a megawatt, che funziona a decine di migliaia di giri al minuto con una pila laminata, il quadro cambia. Il diametro del rotore è maggiore, l'ambiente più caldo e le condizioni di guasto più difficili. I manicotti metallici diventano più interessanti per la loro capacità di resistere alle temperature e la loro resistenza. Se la perdita del rotore è problematica, i manicotti metallici laminati o lo sfiato e la schermatura accuratamente progettati possono ridurla, mentre i manicotti in materiale composito potrebbero avere problemi con la reiezione del calore e la stabilità a lungo termine a temperature elevate.
Nei motori di trazione per autoveicoli che utilizzano rotori laminati con magneti superficiali o interrati vicino al diametro esterno, i manicotti e le bande in materiale composito sono interessanti, soprattutto con i manicotti rinforzati in fibra di carbonio. Riducono l'inerzia del rotore e possono contribuire all'autonomia e alla risposta ai transitori. Tuttavia, richiedono una polimerizzazione ben controllata e una gestione robusta della temperatura del magnete, e il loro effetto di barriera termica deve essere bilanciato da un raffreddamento aggressivo in altri punti del sistema.
Ognuno di questi casi è determinato dalla geometria della pila di laminazione e dal sistema in generale, non da una preferenza astratta per una famiglia di materiali.
Se conoscete già il vostro progetto elettromagnetico e lo stack di laminazione, la decisione di scegliere il manicotto o la banda si riduce a poche domande pratiche.
Chiedete quanto margine di velocità meccanica vi serve, compresi i test di sovravelocità e i casi di guasto. Chiedete quanta perdita di corrente parassita del rotore potete accettare prima che i magneti superino il loro budget di temperatura. Chiedete quale variazione di produzione è realistica per OD, runout e rettilineità della pila. Chiedete in quali condizioni la macchina deve avviarsi, fermarsi e rimanere in ammollo.
Una volta che questi confini sono chiari, i paragoni di prima smettono di essere generici.
Se la pila di laminazione è rigida, il budget per le perdite del rotore è limitato e si possono tenere sotto controllo le temperature del rotore, è probabile che una soluzione con manicotti o bande in composito sia la soluzione migliore, soprattutto quando è disponibile l'avvolgimento automatico o il posizionamento automatico delle fibre.
Se l'ambiente è caldo, se è probabile la presenza di contaminanti e se la pila di laminazione ha una geometria difficile o un diametro elevato, l'opzione più sicura è spesso un manicotto metallico o metallico laminato, eventualmente con caratteristiche locali per controllare le perdite e gestire le sollecitazioni intorno ai fori di sfiato e alle chiavette.
Se la vostra famiglia di prodotti comprende diverse varianti di rotore che condividono gli stack di laminazione ma differiscono per il grado di magnete, il numero di poli o la velocità, allora il banding come processo diventa interessante: un solo strumento di laminazione, una famiglia di rotore di base, diversi modelli e spessori di banding. La stazione di banding diventa parte della roadmap del prodotto, non solo una cella di lavoro.
In tutte queste direzioni, lo stack di laminazione non è un partecipante passivo. Stabilisce rigidità, tolleranze e geometria. Il manicotto o la banda lavorano con questa realtà o la combattono. I progetti migliori lavorano con essa, per scelta.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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