Un motore a poli successivi ha due velocità: tipi di avvolgimento, progettazione del nucleo, selezione

Due motori dei ventilatori da 22 kW, stessa dimensione del telaio, stesso produttore, stesso ciclo di lavoro: su una targhetta si legge 1.800 giri al minuto, sull'altra si legge 1.800/900 giri al minuto. La seconda è una macchina a poli conseguenti a avvolgimento singolo, e ogni differenza tra le due si trova all'interno del pacco di laminazione dello statore e della scatola morsettiera.

Quando qualcuno chiede cosa abbia un motore a poli conseguenti, la risposta inizia con due velocità da un avvolgimento, circa la metà dei gruppi di bobine di un avvolgimento convenzionale comparabile e una serie di poli svolti che trasportano il flusso senza trasportare rame. La metà meno confortevole della risposta è una forma d'onda del flusso d'aria appiattita, una maggiore perdita armonica nel nucleo e un minore raffreddamento a bassa velocità. Questi tre elementi vengono decisi tanto dal fornitore del materiale di laminazione quanto dal progettista del motore.

La risposta breve, in semplici numeri

Un motore a poli conseguenti ha le seguenti caratteristiche e ognuna ha una conseguenza diretta per i nuclei dello statore e del rotore che l'acquirente deve specificare.

Per un team di acquisto o di ingegneria che specifica i nuclei, i poli svolti e la forma d'onda del flusso contano di più. Uno statore a poli conseguenti non è uno statore quadripolare standard con una targa diversa; le sue sezioni dente e giogo sono azionate dalla connessione a bassa velocità.

Come un avvolgimento produce due numeri polari

Un avvolgimento concentrico trifase a quattro poli convenzionale necessita di dodici gruppi di bobine: quattro poli moltiplicati per tre fasi. Un conseguente avvolgimento polare nello stesso statore ne utilizza sei. Ciascun gruppo è collegato in modo che il flusso in uscita da un polo avvolto ritorni attraverso un polo che non trasporta alcuna bobina propria. Poiché il polo svolto è alimentato dallo stesso percorso di ferro, assume la polarità opposta rispetto ai suoi vicini e funziona esattamente come un polo avvolto di segno opposto.

Collega l'avvolgimento in un modo e la macchina funziona a quattro poli. Ricollegatelo e lo stesso rame si comporterà come otto poli effettivi. La velocità sincrona segue il conteggio dei poli, quindi una macchina a 60 Hz fornisce 1.800 giri al minuto e 900 giri al minuto. Con lo slittamento, un motore a gabbia di scoiattolo carico si stabilizza tipicamente intorno a 1.750 giri al minuto e 875 giri al minuto.

Le macchine a induzione CA costruite secondo questo principio si basano su un set di nuclei di statore e rotore già dimensionato per entrambe le connessioni, che è il punto in cui si incontrano l'origine dei componenti e la progettazione del motore.

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Polo conseguente rispetto all'avvolgimento convenzionale

Il confronto seguente è effettuato per lo stesso telaio dello statore a 60 Hz funzionante come un motore convenzionale a quattro poli a singola velocità o con un conseguente avvolgimento a polo singolo.

Le metriche che compaiono solo dopo il primo prototipo

Le revisioni della progettazione tendono a concentrarsi sulla velocità e sulla coppia nominali. Il grafico seguente confronta lo stesso telaio dello statore nella conseguente connessione dei poli con la connessione convenzionale a quattro poli, indicizzata a 100 per il caso convenzionale. Si tratta di osservazioni tipiche del prototipo e del banco di prova piuttosto che di un singolo valore della scheda tecnica, quindi trattali come intervalli.

Le due barre alte sono quelle che generano lavori di riprogettazione. Le vibrazioni e il rumore aumentano perché il polo svolto modifica la distribuzione della forza attorno al traferro e la perdita del nucleo armonico aumenta perché la forma d'onda del flusso non è più vicina a quella sinusoidale. Entrambi gli effetti spingono i progettisti verso laminazioni più sottili, qualità di acciaio al silicio con perdite inferiori, pile interbloccate anziché saldate e in molti casi un rotore inclinato. Per uno sguardo più attento a come il metodo di impilamento sposta la perdita del nucleo, questo confronto di nuclei laminati interlock copre i compromessi pratici.

Dove funzionano effettivamente le macchine polari conseguenti

Il funzionamento a due velocità è vantaggioso ovunque il carico funzioni a piena richiesta per una parte della giornata e a carico parziale per il resto. La distribuzione seguente riflette il mix di applicazioni osservato nel lavoro con ventilatori industriali, pompe e compressori.

Il filo conduttore è un carico basato sulla legge quadratica. La potenza della ventola e della pompa diminuisce all'incirca con il cubo della velocità, quindi una macchina che funziona a metà velocità necessita di circa un ottavo della potenza dell'albero a piena velocità. Un motore a poli conseguenti cattura parte di quel risparmio senza alcuna elettronica di azionamento, motivo per cui il progetto sopravvive in applicazioni sensibili ai costi e ad alto carico, anche se gli azionamenti a frequenza variabile ora coprono la maggior parte degli altri casi.

Il secondo significato: rotori a magneti permanenti a polo consecutivo

Lo stesso termine descrive una costruzione completamente diversa sul lato del rotore. In una macchina a magneti permanenti a polo conseguente, i magneti di un'unica polarità sono montati o incorporati, e i poli di ferro tra loro sono magnetizzati dai magneti adiacenti alla polarità opposta. Metà dei poli sono magneti, l'altra metà è di ferro.

Per un acquirente, le conseguenze sono sia commerciali che meccaniche.

• La massa dei magneti diminuisce sostanzialmente per coppia di poli e i magneti rappresentano la voce di costo dominante nei motori di trazione, nei servomotori e negli elettrodomestici.
• Il rotore diventa saliente, quindi la coppia di riluttanza si aggiunge alla coppia del magnete e l'intervallo di velocità a potenza costante si amplia, il che aiuta nel funzionamento con indebolimento del campo.
• Il percorso del flusso è asimmetrico, il che aumenta l'ondulazione della coppia, l'attrazione magnetica sbilanciata e la perdita armonica del rotore.
• La geometria di laminazione del rotore diventa critica: gli archi polari, le barriere di flusso e lo spessore del ponte devono essere sintonizzati insieme.

Quest’ultimo punto è un problema di produzione, non solo di simulazione. Gli stack di rotori di questo tipo sono solitamente interbloccati anziché saldati, poiché la saldatura cortocircuita i lamierini lungo lo stack e aggiunge perdite nel nucleo esattamente dove la perdita armonica è già elevata.

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Specifica dei core per una macchina a due velocità: una sequenza praticabile

1. Correggi prima la coppia di velocità e il servizio. Verificare se la bassa velocità è continua o utilizzata solo per l'avvio, il posizionamento o il funzionamento notturno. Un rapporto 2:1 è standard, ma sono possibili altri rapporti a scapito della complessità dell'avvolgimento.
2. Dimensionare il circuito magnetico per la condizione di flusso peggiore. I denti polari svolti e il giogo dietro di essi trasportano un flusso concentrato, quindi controllare la densità del flusso nella connessione a bassa velocità anziché solo all'alta velocità nominale.
3. Ricontrollare il raffreddamento a bassa velocità. Se il ventilatore è montato su albero, prevedere una ventilazione forzata, un ventilatore più grande o una classe di aumento della temperatura inferiore. Questa decisione spesso cambia il telaio e l'alloggiamento.
4. Scegli deliberatamente il metodo di impilamento. L'incastro è veloce e dimensionalmente stabile nel volume; l'incollaggio adesivo garantisce la perdita del nucleo più bassa; gli strumenti di saldatura laser o TIG si avviano rapidamente ma creano cortocircuiti tra la laminazione che comportano perdite. Le macchine a due velocità con un elevato contenuto armonico avvertono tale penalità in modo più netto rispetto alle macchine a singola velocità.
5. Convalida con campioni tagliati al laser prima di impegnarti in strumenti duri. Le laminazioni campione hanno consentito al team di misurare la corrente a vuoto, l'aumento di temperatura e il rumore sulla connessione reale.
6. Blocca la documentazione. Concordare lo spessore della laminazione, il tipo di acciaio al silicio, il metodo di impilamento, i limiti di bavatura e i registri di ispezione prima del primo ordine di produzione.

Un fornitore che controlla sia l'input di acciaio al silicio che lo stack finito elimina una delle consuete modalità di guasto, il che è un buon motivo per rivedere il catena produttiva prima di effettuare un ordine principale a due velocità.

Dettagli di manutenzione e conformità che vengono trascurati

• Identificazione del terminale. Un conseguente avvolgimento polare di solito termina su sei conduttori. Ricollegare un motore riparato con il collegamento sbagliato produce una macchina che funziona, ma alla velocità sbagliata e con una corrente eccessiva.
• Contattori e commutazione. Il cambio di velocità viene effettuato meccanicamente, non elettronicamente. Contatti bucati e collegamenti allentati sono motivi comuni per cui un motore rifiuta di raggiungere la bassa velocità.
• Temperatura a bassa velocità. Verificarlo dopo ogni riavvolgimento. Se un'officina monta una ventola ad albero generica, il margine a bassa velocità scompare.
• Limiti di isolamento e di sovratemperatura. Verificare rispetto a IEC 60034-1 o NEMA MG 1 e confermare la classe di isolamento effettivamente utilizzata dall'officina di riparazione anziché la classe sulla targhetta originale.
• Grado del materiale dopo una ricostruzione. In una macchina a due velocità, la perdita armonica rende la qualità dell'acciaio al silicio più influente rispetto a un motore a singola velocità, quindi la sostituzione con una qualità inferiore per risparmiare sui costi di solito si manifesta sotto forma di calore.

Dal lato dell’offerta, richiedete sistemi di qualità documentati piuttosto che certificati in una brochure: ISO 9001 come riferimento, IATF 16949 dove il motore finisce in un veicolo, ISO 14001 per la conformità ambientale e ISO 3834 per i telai saldati come i basamenti scatolati delle macchine. Questi documenti sono ciò che mantiene un ordine di nucleo a due velocità verificabile, dalla bobina di acciaio al silicio alla pila finita, compreso il lato della materia prima come l'acciaio al silicio non orientato di alta qualità sotto forma di bobina, nastro o foglio.

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Un motore a poli conseguenti ha due velocità da un avvolgimento, sei gruppi di bobine invece di dodici, poli svolti che trasportano flusso ma non rame e una forma d'onda del flusso che è più dura sul nucleo rispetto a un avvolgimento convenzionale. Questi fatti si trasformano in costi e rischi nella fase di laminazione, perché il tipo di acciaio, lo spessore della laminazione, il metodo di impilamento e la lunghezza della pila devono essere tutti scelti per la connessione a bassa velocità e non solo per la velocità indicata sulla targa.