Comprendere i motori brushless: intervallo di flusso ottimale per un'elevata densità di coppia

Cos'è un traferro?

Un modo semplice per definire il traferro è dire che è l'aria nello spazio tra lo statore e il rotore del motore.

Più specificamente, possiamo avere definizioni simili per motori a corrente alternata o CA e motori a corrente continua o corrente continua.

In un motore CA, il traferro è lo spazio d'aria tra il nucleo del rotore e lo statore. D'altra parte, si dice che sia lo spazio tra i poli e l'armatura di un motore DC.

L'intervallo di flusso è la distanza tra il materiale ad alta permeabilità nello statore ("ferro" dello statore) e il corrispondente materiale ad alta permeabilità nel rotore ("ferro posteriore" del rotore). Questo materiale è solitamente costituito da sottili laminazioni di acciaio Fe-Si.

Come tutti sappiamo, in generale, il divario di flusso dovrebbe essere il più piccolo possibile 

Si noti che il divario di flusso include i magneti. I magneti delle terre rare (magnetizzati o non magnetizzati) hanno essenzialmente la stessa permeabilità dell'aria. Pertanto, dal punto di vista dello statore, i magneti sono indistinguibili dall'aria e dovrebbero essere inclusi come parte dell'intervallo di flusso.

Come funziona il traferro?

Per capire come funzionano i traferri, ricorda innanzitutto che i motori elettrici e i generatori sono macchine elettriche rotanti.

Ciò significa che i motori elettrici e i generatori funzionano in modo molto simile. La differenza è che i motori elettrici convertono l'energia elettrica fornita in energia meccanica. Invece, i generatori prendono energia meccanica specifica e la convertono in energia elettrica.

In entrambi i casi, il processo di conversione dell'energia avviene quando lo statore e il rotore lavorano insieme per generare un flusso magnetico attraverso i propri avvolgimenti di rame. È qui che entra in gioco il traferro.

Nel traferro si forma un campo magnetico e uno degli avvolgimenti sopra menzionati è responsabile della generazione del flusso magnetico, che deve passare attraverso il traferro due volte per ciascun polo di ciascuna fase del motore.

Alcuni dei fattori chiave relativi al funzionamento del traferro sono:

La forza magnetica è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. All’aumentare delle dimensioni del traferro, l’attrazione magnetica diminuisce e diventa più difficile da controllare.

Aumentando la dimensione del traferro aumenta la corrente magnetizzante, che rappresenta la quantità di corrente necessaria per guidare il flusso magnetico attraverso il traferro.

Più poli ha un motore o un generatore, più volte il flusso deve attraversare il traferro per giro.

Tutti questi fattori ci portano a concludere che minore è il traferro, meglio è. Tuttavia, un traferro più piccolo significa una minore separazione tra le parti mobili del rotore e dello statore. Questo è il motivo per cui il monitoraggio del traferro nei motori e nei generatori è fondamentale, poiché la minima variazione nell'allineamento del traferro con queste caratteristiche può creare problemi operativi nella macchina.

Il circuito magnetico è costituito da un anello di ferro dolce, un avvolgimento di rame (2A, 250 giri) rappresentato da un rettangolo verde e un traferro nell'anello. La densità del flusso (unità di Tesla) è rappresentata dalla distanza tra le linee di flusso e il colore, dove il rosso è la densità più alta e il blu quella più bassa. La densità di flusso è chiaramente maggiore negli anelli con piccoli intervalli di flusso. Questo anello ha anche la minima quantità di flusso che "fuoriesce" nell'aria circostante.

La ragione di questa differenza è che il traferro aumenta la riluttanza del circuito. La riluttanza è il flusso in un circuito magnetico, proprio come la resistenza è la corrente in un circuito. Pertanto, il flusso magnetico in un circuito dipende dalla riluttanza totale e dalla forza magnetomotrice applicata (numero di spire moltiplicato per la corrente), proprio come la corrente dipende dalla resistenza totale nel circuito e dalla tensione applicata.

Diamo uno sguardo più da vicino a come varia il flusso con il divario di flusso stesso. Possiamo farlo tracciando una linea attraverso l'intervallo di flusso e misurando la densità di flusso in ciascun punto della linea.

Facendo questo per intervalli di flusso di 1 mm e 4 mm è chiaro che il flusso al centro di ogni intervallo rimane lo stesso. Si può anche vedere che il flusso nell'intervallo di flusso di 4 mm è quattro volte più piccolo del flusso nell'intervallo di flusso di 1 mm. Quindi per produrre la stessa densità di flusso in uno spazio di 4 mm dobbiamo quadruplicare gli avvolgimenti con la stessa corrente, oppure mantenere lo stesso numero di avvolgimenti e quadruplicare la corrente. Questo concetto può essere applicato anche ai motori elettrici e spiega perché gli ingegneri solitamente fanno di tutto per mantenere il divario di flusso il più piccolo possibile.

Influenza della dimensione dell'intervallo di flusso sulla coppia del motore semplice

La coppia prodotta dal motore dipende dalla densità del flusso nel traferro e, all'aumentare della dimensione del traferro, la coppia diminuisce gradualmente

Dalla discussione precedente è chiaro che in generale vogliamo che il divario di flusso sia fisicamente il più piccolo possibile per aumentare la coppia erogata dal motore, quindi è la costante del motore. Tuttavia, oltre alle tolleranze di fabbricazione, bisogna considerare anche lo spessore del magnete. In generale, se si allungano i magneti del rotore, aumenta anche la densità del flusso ai poli. Ciò aumenterà la coppia erogata dal motore.

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