Laminato d'acciaio vs. polvere magnetica morbida: qual è il materiale migliore per il nucleo del motore elettrico?

In particolare, con quale materiale realizziamo i loro nuclei. La scelta del materiale ideale per il nucleo di un motore elettrico è un'offerta davvero importante. Può cambiare il funzionamento del motore, la sua potenza e persino il costo di produzione. Per un lungo periodo di tempo, il laminato d'acciaio è stato il re. Ora c'è un altro giocatore: la polvere magnetica morbida, tipicamente chiamata soft magnetic composite (SMC). Esamineremo la laminazione e la polvere per il progetto del vostro motore. Vedremo quale dei due può garantire una migliore efficienza o altri vantaggi. Approfondiamo la scelta tra i materiali tradizionali e quelli nuovi.

Di cosa si parla esattamente con i materiali del nucleo del motore elettrico?

Quando discutiamo di un motore elettricoall'interno c'è una parte fondamentale chiamata nucleo. Questo nucleo è estremamente essenziale perché aiuta a condurre i campi elettromagnetici. Sono questi campi a far ruotare il motore e a svolgere il suo lavoro. Il materiale scelto per questo nucleo fa una grande differenza nell'efficienza del motore. Per anni, l'opzione principale è stata l'acciaio, in particolare sottili fogli di acciaio elettrico impilati insieme. Questo è ciò che chiamiamo "stack di laminazione".

Attualmente, abbiamo diverse altre opzioni. Un'alternativa interessante è l'utilizzo di una polvere speciale. Non si tratta di una polvere metallica qualsiasi, ma di una polvere magnetica morbida. Queste polveri appartengono a un gruppo chiamato prodotti compositi magnetici morbidi, o SMC in breve. La scelta tra questi materiali per il nucleo del motore elettrico può influenzare ogni aspetto, dalle dimensioni del motore alla sua efficienza. È una decisione importante nel processo di progettazione.

Perché il materiale del nucleo del motore è così importante per l'efficienza del motore?

Ci si potrebbe chiedere: "Perché preoccuparsi tanto di questo elemento?". Il materiale del nucleo influisce direttamente sulla quantità di energia sprecata dal motore elettrico. Quando un motore funziona, una parte dell'energia viene persa sotto forma di calore nel nucleo. Questo fenomeno si chiama "perdita del nucleo". Un buon materiale del nucleo ridurrà sicuramente queste perdite. Ciò significa che una parte ancora maggiore dell'energia elettrica che entra nel motore viene utilizzata per svolgere un lavoro reale. Ciò rende il motore più affidabile.

Una maggiore efficienza è un grande affare. Per un veicolo elettrico, significa molti più chilometri con una singola carica. Per le macchine industriali, significa ridurre i costi di alimentazione. Il materiale migliore può portare a un motore che funziona più freddamente, dura molto più a lungo e offre prestazioni molto migliori. La scelta del materiale migliore è quindi un passo essenziale per ottimizzare il progetto di qualsiasi motore elettrico. Vi chiediamo di verificare le proprietà di ciascun materiale per capire in che modo può essere utile.

Laminazione in acciaio: Questo materiale tradizionale è ancora una buona scelta?

Per molti anni, laminazione dell'acciaio è stato il requisito per i nuclei dei motori elettrici. Il funzionamento è piuttosto brillante. Prendiamo fogli sottilissimi di acciaio elettrico speciale. Ogni foglio viene rivestito con un sottile strato isolante. Successivamente, stampiamo le forme necessarie per il nucleo del motore e le impiliamo. Questa pila è chiamata pila di laminazione o nucleo laminato.

Il motivo principale per cui utilizziamo laminazioni sottili è la lotta contro le perdite di corrente parassita. Si tratta di piccole correnti elettriche vorticose che possono formarsi nel materiale del nucleo quando si trova in un campo magnetico in trasformazione. Queste correnti sviluppano calore e sprecano energia. Rendendo le lamiere d'acciaio sottili e protette l'una dall'altra, si riducono queste perdite. L'acciaio per laminazione offre buone prestazioni magnetiche e basse perdite di flusso, soprattutto per le applicazioni che funzionano a frequenze inferiori, come 50 o 60 Hz. È un materiale collaudato che comprendiamo efficacemente.

Polvere di composti magnetici morbidi (SMC): di cosa si tratta?

Attualmente parliamo di compositi magnetici morbidi, o SMC. Esistono vari metodi per realizzare un nucleo del motore. Invece di impilare fogli di acciaio, utilizziamo una polvere metallica unica. Ogni pezzetto di questa polvere è ricoperto da un isolante elettrico. Successivamente, questa polvere viene spinta nella forma esatta necessaria per l'elemento del motore, grazie a un processo chiamato metallurgia delle polveri. Questo può essere un grande vantaggio.

Gli SMC hanno una proprietà speciale: sono magneticamente isotropi. Ciò significa che possono portare il flusso magnetico in modo uguale in tutte e tre le dimensioni. Le laminazioni tipiche sono fantastiche per i campi magnetici che fluiscono principalmente in due dimensioni, lungo il piano della laminazione. Tuttavia, per i layout complicati dei motori in cui i campi magnetici devono fluire in tutte le direzioni, il materiale SMC può essere molto più adatto. Questa capacità apre nuove possibilità per il layout dei motori elettrici e può contribuire a ridurre il peso totale del motore.

Come cambia il processo di progettazione con la laminazione rispetto alla polvere?

Il processo di progettazione di un motore elettrico cambia decisamente a seconda che si scelga l'acciaio laminato o la polvere SMC. Con la laminazione, il layout è in qualche modo limitato dal fatto che si stanno impilando forme 2D. È necessario pensare a come stampare queste forme con uno scarto minimo di lamiera e a come assemblare la pila di laminazione. Il design interno deve tenere conto della direzione del flusso magnetico.

Con il materiale SMC si ha molta più libertà di sviluppare forme 3D complesse. Ciò è dovuto al fatto che la polvere viene modellata nella forma finale. In questo modo si possono realizzare progetti di motori più compatti e spesso si possono integrare numerose parti in un unico pezzo in SMC. In questo modo è possibile semplificare l'assemblaggio e ridurre il numero di parti del sistema. Tuttavia, il progetto deve considerare anche le caratteristiche meccaniche e magnetiche dettagliate del materiale SMC scelto. È un metodo diverso per considerare il funzionamento dei magneti nel motore.

Gli SMC possono davvero contribuire a ridurre le perdite in un sistema di motori elettrici?

Una domanda importante che ricevo spesso ha a che fare con la riduzione delle perdite. Gli SMC possono davvero contribuire a rendere più efficiente un motore elettrico? La risposta è: dipende dall'applicazione e dalla frequenza di funzionamento. A basse frequenze, come i 60 Hz di molti elettrodomestici, l'acciaio laminato di alta qualità ha generalmente una perdita di nucleo inferiore a quella degli SMC. Questo è un fattore importante per molti tipi di motori convenzionali.

Tuttavia, quando i motori elettrici sono costretti a funzionare a velocità e frequenze più elevate, in particolare per i motori di trazione dei veicoli elettrici o per i mandrini ad alta velocità, gli SMC possono iniziare a rivelare i loro vantaggi. Le piccole particelle di polvere protette di un materiale SMC sono eccellenti per ridurre la perdita di corrente parassita a queste frequenze più elevate. Quindi, per alcune applicazioni ad alta frequenza, un progetto SMC può raggiungere un'efficienza generale e prestazioni migliori rispetto a un progetto di laminazione tradizionale. La ricerca continua a far progredire le capacità degli SMC.

La metallurgia delle polveri è la strada per migliorare gli elementi del motore?

La metallurgia delle polveri (PM) è il processo di produzione utilizzato per sviluppare componenti a partire da polveri metalliche, tra cui i componenti SMC. Ritengo che la PM offra alcune interessanti opportunità per la realizzazione di componenti per motori molto migliori. Un enorme vantaggio è la riduzione degli scarti. Quando si stampano le laminazioni da una lamiera d'acciaio, spesso si finisce per avere molti avanzi di materiale. Con la metallurgia delle polveri, si utilizza quasi tutto il materiale perché si spinge la polvere direttamente nella forma desiderata. Questo può ridurre i costi.

Inoltre, la metallurgia delle polveri consente di produrre forme molto complesse che sarebbero difficili o impossibili da realizzare con lo stampaggio e l'impilamento delle laminazioni. Ciò può portare a progetti di motori più ottimizzati, possibilmente più piccoli e leggeri con circuiti magnetici distinti. Sebbene esistano dei limiti alla resistenza meccanica e alla permeabilità magnetica (o minore densità/ maggiore porosità) di alcuni prodotti SMC rispetto all'acciaio massiccio, il progresso della tecnologia PM e la crescita dei materiali SMC stanno chiudendo questo spazio per numerose applicazioni, in particolare nel settore automobilistico per i componenti dei motori elettrici.

Confronto delle prestazioni magnetiche: Acciaio da laminazione vs. SMC: chi vince?

Quando si confrontano le prestazioni magnetiche pure dell'acciaio di laminazione rispetto agli SMC, non è facile rispondere "uno è sempre molto meglio". L'acciaio per laminazione offre normalmente una maggiore permeabilità magnetica. Ciò significa che può trasportare il flusso magnetico più facilmente di numerosi prodotti SMC. Inoltre, presenta generalmente una maggiore induzione di saturazione, il che significa che può sopportare campi magnetici più potenti prima di "saturarsi". Questo è un enorme vantaggio per molti layout di motori che richiedono una coppia elevata.

Tuttavia, gli SMC brillano per la loro capacità di trasportare flussi 3D e per le loro prestazioni alle alte frequenze. Sebbene la loro permeabilità possa essere inferiore, la capacità di progettare percorsi di flusso complessi e la minore perdita di correnti parassite ad alta frequenza possono renderli l'opzione migliore per alcune applicazioni di motori elettrici. Le prestazioni relative dipendono molto dai problemi di funzionamento del motore e dagli obiettivi di progettazione. È necessario considerare i dati relativi a ciascun materiale e a ciascuna applicazione.

Come si può ottimizzare una pila di laminazione del motore?

Anche con l'ascesa degli SMC, la tecnologia tradizionale di laminazione dei motori non è in fase di stallo. Ci sono diversi modi per ottimizzare uno stack di laminazione per migliorare le prestazioni del motore elettrico. Un aspetto essenziale è la scelta dell'acciaio di laminazione. Esistono numerosi gradi di acciaio elettrico, ciascuno con proprietà e costi diversi. La scelta del tipo più appropriato per l'applicazione specifica può ridurre in modo sostanziale le perdite di anime.

Un ulteriore fattore è lo spessore delle laminazioni. I lamierini più sottili in genere comportano una minore perdita di corrente parassita, ma aumentano anche il costo dello stampaggio e dell'assemblaggio, perché ne servono ancora di più. Anche il design della forma della laminazione è fondamentale per guidare efficacemente il flusso magnetico e ridurre al minimo i vuoti d'aria o le perdite di flusso indesiderate. Occorre inoltre considerare il fattore di impilamento, ossia il grado di aderenza dei laminati, e la qualità dell'isolamento tra ciascun laminato. Tutti questi dettagli contribuiscono a ottenere le prestazioni più efficaci da un motore basato sulla laminazione.

Costi e produzione: Qual è il vantaggio di ciascun processo di produzione?

Infine, parliamo di costi e produzione. Per la produzione di grandi volumi di forme semplici di motori, la laminazione per stampaggio può essere un processo molto conveniente, nonostante gli scarti di materiale. Il materiale d'acciaio è relativamente poco costoso e il processo di processo di stampaggio è veloce. L'assemblaggio della pila di laminazione contribuisce ovviamente al costo. Si tratta di una via di produzione affidabile con molte strutture esistenti.

I componenti SMC, utilizzati con la metallurgia delle polveri, possono offrire risparmi sui costi in altri modi. Il materiale SMC in sé può essere più costoso al chilogrammo rispetto all'acciaio di laminazione. Tuttavia, il processo PM può generare pezzi di forma netta o quasi netta, il che significa che il materiale sprecato è minimo e che sono necessarie meno fasi di finitura. Per progetti complessi, l'SMC può ridurre il numero di componenti e semplificare l'assemblaggio, con conseguente riduzione del costo complessivo del sistema. Anche l'attrezzatura necessaria per compattare la polvere SMC e il costo degli utensili sono fattori critici. La scelta migliore dipende in genere dal progetto specifico del motore, dal volume di produzione e dall'applicazione di destinazione. La necessità di questo tipo di materiale è in crescita.