Inclinando lo statore o il rotore si riduce maggiormente il cogging?

Risposta breve: a parità di angolo di skew elettrico e geometria della macchina, lo skew dello statore o del rotore riduce la coppia di cogging quasi nella stessa misura. Le differenze significative riguardano il costo, la producibilità e gli effetti collaterali sulla coppia e sulle perdite, non la riduzione del cogging grezzo.

Molti studi accademici trattano l'inclinazione come una manopola generica. Inclinazione dello statore, inclinazione dei magneti, inclinazione delle barre del rotore: le equazioni non tengono conto di questi fattori. Quindi, se la fisica è quasi simmetrica, perché l'industria continua a inclinare i rotori più degli statori?

Cosa determina effettivamente la riduzione del cogging, non la linea di marketing

Il cogging deriva dall'interazione tra i poli dei magneti permanenti e i denti dello statore. Questo lo sapete già. Ciò che conta per lo skew è semplice, ma facile da ignorare nelle riunioni di progettazione:

Se si immagina di tagliare la macchina assialmente in tanti "mini-motori" sottili, lo skew ruota leggermente ogni sezione in angolo elettrico. La coppia di cogging totale è la somma vettoriale di tutte queste sezioni. Se si applica uno skew di un periodo di cogging, l'armonica di cogging principale può essere ridotta quasi a zero, perché ogni sezione si trova in una fase diversa e si annullano a vicenda.

Ecco perché lo skew completo dello slot-pitch è così efficace: si distribuisce un'armonica relativa allo slot su un intervallo di fase completo di 360° lungo lo stack, trasformando una grande sinusoide in un rumore quasi piatto. Che lo skew provenga dal rotore o dallo statore non cambia il quadro fasoriale, purché:

L'angolo di inclinazione meccanico è lo stesso.

La distorsione è ragionevolmente uniforme lungo lo stack.

Non hai introdotto alcuna strana asimmetria di saturazione.

Quindi, su un modello pulito e simulato, l'inclinazione del rotore e l'inclinazione dello statore con lo stesso angolo di inclinazione daranno curve di coppia di cogging quasi identiche e riduzioni simili dell'ondulazione di coppia. Studi recenti sulle macchine a flusso assiale e PM montate in superficie confermano che sia l'inclinazione delle fessure dello statore che l'inclinazione dei magneti producono riduzioni percentuali comparabili quando sono sintonizzate sullo stesso angolo elettrico, spesso 60-70% o più, e fino a circa 73% con layout avanzati a doppia inclinazione.

La vera divisione avviene quando ci si allontana dal campo e si entra in fabbrica.

Inclinazione del rotore rispetto all'inclinazione dello statore nella pratica

Ecco prima il trade in forma sintetica, poi lo analizzeremo nel dettaglio.

Notate cosa manca in quella tabella: non c'è "questo uccide sempre più coppia di cogging". Per lo stesso angolo di skew elettrico, la riduzione del cogging è per lo più irrilevante.

Perché tutti continuano a inclinare il rotore

C'è una buona ragione per cui le linee guida di progettazione dell'EASA parlano dei rotori a gabbia di scoiattolo inclinati come caso normale e sottolineano che l'inclinazione dello statore è meno comune: le fessure inclinate dello statore rendono più difficile l'inserimento delle bobine e riducono l'apertura effettiva delle fessure e la sezione trasversale. Si tratta di un vero e proprio problema di produzione, non solo di una nota a piè di pagina.

Una volta che lo statore è inclinato:

I cunei per slot diventano componenti non banali, non disponibili in commercio.

Le attrezzature per l'inserimento automatico delle bobine richiedono utensili speciali oppure sono fuori discussione.

Il controllo qualità per le distanze di isolamento e le scariche parziali diventa più complesso.

Lo skew del rotore, al contrario, è spesso "libero" una volta che ci si è impegnati a cLaminazioni rotore personalizzate o pressofusione. Basta ruotare il modello della fessura nella punzonatura. Nessuna operazione aggiuntiva di avvolgimento.

Ecco perché si vede:

Motori a induzione con barre del rotore inclinate come pratica standard per ridurre il rumore e l'oscillazione della coppia.

Macchine PM con magneti inclinati o rotori con inclinazione a gradini sia in formato a flusso radiale che assiale, in particolare nei casi in cui il rumore è un fattore determinante per la vendita.

Quindi, se state costruendo un motore industriale convenzionale a flusso radiale e siete liberi di scegliere, l'inclinazione del rotore è solitamente la prima opzione da provare. Non perché elimini magicamente più cogging, ma perché risolve lo stesso problema con meno difficoltà.

Quando lo skew dello statore è ancora la scelta più intelligente

Esistono progetti in cui toccare lo statore è effettivamente più facile, o in cui si desidera mantenere il rotore il più semplice e meccanicamente robusto possibile.

Le macchine PM a commutazione lineare del flusso ne sono un ottimo esempio. Uno studio MDPI del 2018 ha confrontato diverse strutture dello statore con sfasamento graduale (a tre gradini, a due gradini e a due gradini migliorata) e le ha utilizzate per ridurre la componente di forza di cogging che si comporta proprio come la coppia di cogging nelle macchine rotanti. In tale architettura, lo statore è comunque costituito da sezioni modulari, quindi lo spostamento o lo sfasamento di tali sezioni è semplice.

Stessa cosa per le macchine a flusso assiale che usano denti dello statore modulari. Alcuni studi recenti mostrano che spostare i denti opposti dello statore di un angolo ottimale può ridurre significativamente il cogging senza bisogno di modifiche particolari al rotore. Se il tuo statore ha già denti montati singolarmente, spostarli meccanicamente potrebbe essere la modifica meno invasiva.

I trucchi sul lato statore sono efficaci anche quando:

Il rotore è un componente solido fondamentale per la sicurezza (ad esempio nelle macchine ad alta velocità) e si desidera avere il minor numero possibile di tagli, gradini o magneti segmentati.

Stai già inserendo e assemblando lo statore in modo tale da eliminare quasi completamente piccoli spostamenti dei denti o sfasamenti dei gradini.

Si desidera avere la possibilità di "regolare" l'inclinazione in una fase avanzata dello sviluppo sostituendo i moduli dello statore anziché riprogettare il rotore.

In questi casi, un'inclinazione dello statore o uno spostamento dei denti possono determinare la stessa riduzione della coppia di cogging dell'inclinazione del rotore, mantenendo il rotore semplice e resistente.

Step skew, skew segmentato e il problema "quanto skew è sufficiente"

La teoria dice: se si inclina esattamente di un periodo di cogging, si elimina quell'armonica. La pratica dice: si paga per questo.

L'inclinazione riduce il fattore di avvolgimento effettivo per la fondamentale, il che significa una coppia inferiore per ampere. Maggiore è l'inclinazione, maggiore è la penalizzazione. Ecco perché studi dettagliati sull'inclinazione del rotore e del magnete spesso si concentrano sull'inclinazione parziale, in genere una frazione del passo della scanalatura, bilanciando la riduzione del cogging con la perdita di coppia e l'efficienza.

I lavori recenti sono un po' più creativi:

Inclinazione segmentata o "a gradini", in cui il rotore o lo statore è diviso assialmente in due o tre gradini, ciascuno spostato di una frazione del passo della scanalatura. La macchina si comporta come diversi piccoli motori imbullonati insieme, ed è possibile scegliere gli angoli dei gradini per annullare le armoniche peggiori mantenendo semplici gli utensili.

Magneti a doppia inclinazione, specialmente nei motori con gap assiale, dove i segmenti magnetici sono inclinati in due direzioni. Uno studio del 2025 riporta una riduzione di circa 73% nella coppia di cogging e di circa 60% nella ripple di coppia con tali modelli, a costo di una magnetizzazione più complessa e di un maggiore sforzo di produzione.

Archi irregolari delle fessure del rotore e intagli dei denti utilizzati insieme a una leggera inclinazione, in modo da non dover fare troppo affidamento solo sull'angolo di inclinazione.

Nessuno di questi risultati dipende in modo significativo dal fatto che lo skew sia posizionato sullo statore o sul rotore; essi dipendono piuttosto dalla vicinanza dello skew meccanico alla distribuzione di fase elettrica ideale per le armoniche indesiderate.

Quindi, alla domanda "quanto è sufficiente lo skew?" di solito risponde il ciclo di ottimizzazione: si esegue una scansione dell'angolo di skew nell'analisi agli elementi finiti, si mappano la coppia di cogging e la coppia media rispetto all'angolo, quindi si sceglie il miglior compromesso. Se spostare l'acciaio dello statore o quello del rotore è quasi un discorso a parte.

Un modo pratico per decidere da quale lato inclinare

Se si elimina il linguaggio del marchio e si considera questa scelta semplicemente come una scelta ingegneristica, il processo decisionale finisce per apparire così, in parole anziché in una lista di controllo.

Inizia dai tuoi vincoli di produzione. Se lo statore è già limitato dal punto di vista progettuale per quanto riguarda il riempimento delle fessure, le distanze di isolamento e l'avvolgimento automatizzato, di solito non è consigliabile ruotare le sue fessure. Questo ti porta a optare per l'inclinazione del rotore, in linea con la maggior parte dei progetti industriali.

Osserviamo ora il rotore. Se il rotore è una semplice pila di lamierini per un motore a induzione o un rotore PM con magneti superficiali discreti, l'inclinazione è semplice: basta regolare il modello della fessura dei lamierini o segmentare i magneti e inclinarli gradualmente. Il dispositivo di magnetizzazione o lo strumento di pressofusione cambia una volta sola e il gioco è fatto.

Se il rotore è vincolato meccanicamente o troppo costoso da toccare (si pensi a un rotore solido ad alta velocità, a un modello PM interno complesso o a utensili esistenti che non è possibile modificare), allora si sposta l'inclinazione sul lato dello statore, soprattutto se lo statore è modulare o già segmentato.

Successivamente, lo skew viene considerato semplicemente come uno dei tanti meccanismi di controllo del cogging. Combinazioni slot/polo, ottimizzazione dell'arco magnetico, dentatura, iniezione di corrente anti-cogging: tutti questi elementi possono funzionare insieme. Lo skew attenua la geometria; il controllo può quindi gestire la restante ondulazione di coppia senza dover combattere un enorme disturbo periodico.

La cosa fondamentale è evitare di pensare che "l'inclinazione del rotore = forte riduzione, l'inclinazione dello statore = debole riduzione" o viceversa. A parità di angolo di inclinazione, dal punto di vista della coppia di cogging sono quasi intercambiabili. Ciò che cambia è tutto ciò che li circonda: il fattore di avvolgimento, la produzione, l'uso del rame, il costo dei magneti e, talvolta, l'integrità meccanica.

Quindi quale dovresti scegliere?

Se ti interessa solo la quantità di riduzione della coppia di cogging e mantieni fissi l'angolo di inclinazione e la topologia della macchina, non c'è un vincitore assoluto. L'inclinazione dello statore e del rotore offre quasi la stessa percentuale di riduzione della coppia di cogging; le differenze sono minime e specifiche per ogni caso.

Se ti interessa il design complessivo – costo, producibilità, densità di coppia, perdite – allora:

La maggior parte dei motori a flusso radiale convenzionali inclina il rotore perché è più facile da produrre e meno ostile all'avvolgimento e al riempimento delle fessure.

Lo skew dello statore o lo spostamento dei denti diventano interessanti quando lo statore è modulare o facile da regolare, oppure quando il rotore è meccanicamente o commercialmente "off limits".

E se state già spingendo al massimo con modelli di skew avanzati, rotori segmentati o layout dei denti sofisticati, la scelta tra statore e rotore è solitamente determinata dalla struttura della vostra linea di produzione, non da una riduzione aggiuntiva di qualche punto percentuale della coppia di cogging.

Quindi la risposta onesta alla domanda del titolo è leggermente noiosa ma molto utile: inclinate il lato che il vostro processo può torcere in modo più economico, poi dedicate il vostro tempo di progettazione all'ottimizzazione dell'angolo di inclinazione e del resto della geometria. È lì che si nascondono i veri vantaggi.