Motore di trazione vs. motore a induzione: Una guida chiara e pratica

Se state confrontando "motore di trazione" e "motore a induzione", non siete i soli. Questa frase mette in crisi anche gli ingegneri più esperti. Una è un'applicazione. L'altra è un tipo di motore. Questa distinzione cambia tutto. Analizziamola con un contesto reale, non solo con termini da manuale.

• TL;DR: Per "motore di trazione" si intende un motore costruito e messo a punto per la propulsione (veicoli elettrici, ferrovia, fuoristrada). Può essere a induzione, sincrono a magneti permanenti (PMSM) o di altro tipo. Il termine "motore a induzione" indica un tipo specifico di motore a corrente alternata. Molti motori di trazione sono macchine a induzione, ma non tutti, e non tutti i motori a induzione sono di tipo trazione.

1) Primi principi: cos'è un motore a induzione

Un motore a induzione (detto anche motore asincrono) genera una coppia grazie a un campo magnetico rotante nello statore che induce corrente nel rotore. Il rotore deve ritardare la velocità sincrona per creare slittamento, corrente e coppia. È robusto, senza spazzole e disponibile principalmente nelle forme a gabbia di scoiattolo e a rotore avvolto. 

• Principali risultati:
  • Funziona sempre al di sotto della velocità sincrona (slip).
  • I tipi di rotore più comuni sono quelli a gabbia di scoiattolo e ad anello scorrevole.
  • È popolare perché è semplice, robusto ed economico. 

2) Cosa significa un motore di trazione

Il "motore di trazione" è un motore appositamente costruito per la propulsione. Deve fornire un'elevata coppia di lancio, un'ampia gamma di velocità con una forte regione di potenza costante, un'ottima controllabilità e un'efficiente frenata rigenerativa. I motori di trazione sono presenti nei veicoli elettrici, nelle locomotive, nei tram e nelle attrezzature pesanti. Sono costruiti come induzione CA, PMSM e altri, a seconda di ciò che si adatta meglio alle prestazioni, ai costi e al packaging. 

• Cosa rende un motore "da trazione":
  • Coppia elevata a bassa velocità, coppia controllabile ad alta velocità.
  • Efficienza in tutto il ciclo di funzionamento, non solo in un punto di targa.
  • Resistenza termica ai frequenti start/stop e alle salite.
  • Resistenza meccanica a urti, vibrazioni, polvere e spruzzi.
  • Stretta integrazione con un inverter per l'attenuazione e la rigenerazione del campo. 

3) Mela a mela: motore a induzione industriale vs. motore a induzione per trazione

La maggior parte della confusione deriva da questo: un motore a induzione industriale non è la stessa cosa di un motore a induzione per trazione. Condividono la fisica. Non condividono le priorità.

• Differenze pratiche che noterete:
  • Gamma di velocità: le macchine di trazione sono progettate per un ampio funzionamento a potenza costante attraverso l'attenuazione del campo; i motori industriali spesso vivono vicino a un punto di funzionamento.
  • Sovraccarico: la trazione tollera in genere picchi elevati e di breve durata; i motori industriali sono costruiti in base al fattore di servizio e a carichi costanti.
  • Raffreddamento e tenuta: la trazione predilige le camicie di liquido, l'olio del transaxle o il raffreddamento integrato dell'asse elettrico; i motori industriali utilizzano spesso design TEFC o aperti.
  • Controlli: la trazione richiede un controllo avanzato dell'inverter (FOC/DTC) e funzioni di sicurezza; l'industria può essere di tipo trasversale o un semplice VFD.
  • Ambiente: la trazione si concentra su urti, spruzzi e imballaggi stretti; l'industria si concentra sulla robustezza delle postazioni fisse e sui supporti standardizzati. 

Tabella di confronto: IM industriale vs IM da trazione

4) Dove ognuno brilla

La scelta tra un motore a induzione per trazione e altri tipi di motori per trazione riguarda il lavoro, non l'etichetta.

• Considerare un motore a induzione di tipo trazione quando:
  • Volete un design privo di magneti e la resilienza della catena di fornitura.
  • Il ciclo di lavoro comprende temperature elevate e picchi ripetuti, dove il rischio di smagnetizzazione del rotore è indesiderabile.
  • I costi e la producibilità favoriscono il rame e l'acciaio rispetto alle terre rare.

Considerate ora altri tipi di trazione (come i PMSM) quando avete bisogno della massima densità di coppia e dell'efficienza a carico parziale in un pacchetto compatto. Le macchine PM sono spesso più piccole a parità di potenza, a volte dell'ordine di decine di punti percentuali, grazie ai magneti del rotore. 

5) Una parola veloce e onesta sui compromessi delle prestazioni

I motori di trazione a induzione evitano i magneti. Questo semplifica l'approvvigionamento e il riciclaggio a fine vita. Ma le perdite I²R del rotore aumentano con lo scorrimento, quindi l'efficienza a carico ridotto può essere inferiore a quella di un buon PMSM. I PMSM in genere vincono sulla densità di coppia e sull'efficienza di picco, motivo per cui molti veicoli elettrici li utilizzano. Tuttavia, molti veicoli elettrici e sistemi ferroviari moderni utilizzano sia modelli a induzione CA che PM, dove ciascuno di essi si adatta meglio. 

• Ciò che la trazione richiede a qualsiasi motore:
  • Forte coppia a bassa velocità per il lancio.
  • Ampio indebolimento del campo per le velocità autostradali.
  • Design elettromagnetico compatibile con l'inverter.
  • Spazio termico per le colline, il traino e i climi caldi. 

6) Come funzionano i motori a induzione in presenza di un indebolimento di campo (perché questo è importante per la trazione)

I motori a induzione non si bloccano alla velocità sincrona. Lo scorrimento crea corrente di rotore e coppia. Al di sopra della velocità di base, l'inverter riduce il flusso (indebolimento del campo) per aumentare la velocità mantenendo la potenza più o meno costante. Si tratta di un aspetto fondamentale per poter gestire la guida in città, in autostrada e in montagna con un'unica macchina. 

• La linea di fondo per la vostra selezione:
  • Se il vostro ciclo di azionamento trascorre lunghi periodi con una coppia leggera, il PMSM spesso risparmia più energia.
  • Se i modelli di utilizzo puniscono i rotori dal punto di vista termico o se si desidera una resistenza senza magneti, un motore a induzione con regolazione della trazione è un'opzione interessante. 

7) Lista di controllo per l'ingegneria: cosa chiedere ai fornitori (o al vostro team)

Prima di firmare per un gruppo motore-inverter, è necessario verificare quanto segue. La chiarezza in questo caso batte i nomi dei marchi e le parole d'ordine.

• Curva di coppia-velocità con inviluppo continuo e di picco, oltre al comportamento di ritorno termico.
• Mappa dell'efficienza (non solo un singolo numero) per il ciclo di guida che vi interessa.
• Percorso del refrigerante, portata e caduta di pressione; limiti di altitudine/ambiente.
• Valori nominali dell'inverter, tecnologia di commutazione e caratteristiche di controllo (indebolimento del campo, limiti di rigenerazione, sicurezza).
• Firme NVH e vincoli dell'interfaccia cuscinetto/ingranaggio.
• Sigillatura ambientale e protezione dalla corrosione.
• Convenzioni di sovraccarico (continuo, 10 secondi, 60 secondi) e costanti di tempo termiche.
• Intervalli di manutenzione e modalità di guasto (sensori, isolamento, cuscinetti).
• Conformità e test: EMC, sicurezza funzionale, ingress e shock/vibrazioni.
• Definizioni chiare per la potenza continua e quella di un'ora, se pertinenti (il settore ferroviario ne fa largo uso). 

8) Miti comuni da evitare

Spesso le persone si fissano sul nome invece che sulla necessità. Non fatelo.

• "Motore di trazione = un progetto specifico". Non è vero. Si tratta di una classe di applicazioni che comprende motori a induzione, PMSM e altri. 
• "Qualsiasi motore industriale a induzione può fare la trazione". Non in modo sicuro o efficiente. I cicli di lavoro della propulsione, la tenuta, i picchi e i controlli sono diversi.
• "Il PMSM è sempre meglio". Spesso più efficiente e più piccolo, sì. Ma i magneti aggiungono costi e rischi; l'induzione può vincere sulla robustezza e sulla catena di fornitura. 

9) Definizioni rapide di cui fidarsi

• Motore a induzione: Motore a corrente alternata in cui la corrente del rotore è indotta dal campo rotante dello statore; necessita di slittamento per produrre coppia. I tipi includono quelli a gabbia di scoiattolo e a rotore avvolto. 
• Motore di trazione: Qualsiasi motore ottimizzato per la propulsione, in genere con un'elevata coppia di lancio, un'ampia gamma di velocità e la rigenerazione; oggi è comunemente implementato come motore a induzione CA o PMSM. 

10) Una regola decisionale semplice e umana

Se la vostra applicazione è la propulsione, iniziate con la mappatura del ciclo di guida e dell'ambiente. Quindi scegliete la tecnologia del motore più adatta.

• Lunga crociera a carico ridotto e imballaggio piccolo? Probabilmente un PMSM.
• Cicli termici severi, catena di fornitura senza magneti, robustezza comprovata? Motore a induzione per trazione.
• Servizio misto o sensibilità ai costi? Eseguite una simulazione termica ed energetica del ciclo di azionamento per entrambi e confrontate i costi di gestione a livello di sistema.

Volete che vi prepari una rosa di motori/inverter in base al vostro ciclo di lavoro e al vostro budget? Condividete i vostri obiettivi di coppia-velocità, i vincoli di raffreddamento e l'intervallo ambientale previsto. Creerò un confronto specifico, verificabile e indipendente dai fornitori.