Comprendere gli statori Hairpin nei motori ad alta efficienza

I motori elettrici utilizzano la forza magnetica per convertire l'elettricità in movimento rotatorio. Esistono molti tipi diversi di motori, ciascuno con vantaggi unici che li rendono adatti a determinate applicazioni. Tuttavia, un particolare design di motore è recentemente diventato popolare nel settore dei veicoli elettrici: il motore elettrico con statore hairpin.

 

Trasformare l'elettricità in movimento rotatorio

Un motore hairpin è un tipo di motore CA a induzione e, come tutti i motori a induzione, lo statore non è un magnete permanente, ma utilizza fili di rame avvolti attorno a nuclei di ferro per generare una forza elettromagnetica rotazionale quando la corrente attraversa i fili.

 

Figura 1. I motori con statore hairpin hanno una forma simile a quella degli avvolgimenti a induzione tradizionali, ma una densità di potenza maggiore. Immagine utilizzata per gentile concessione di BBS Automation

 

Ciò che distingue il motore hairpin dagli altri motori elettrici è il modo in cui gli avvolgimenti di rame sono disposti attorno allo statore per aumentare l'efficienza operativa.

 

Il cuore del motore elettrico

I motori elettrici sono costituiti da due componenti principali: il componente rotante chiamato rotore, che di solito si trova al centro del motore, e lo statore immobile disposto attorno all'esterno. In un motore a induzione, lo statore è progettato con numerosi nuclei di ferro allungati, attorno ai quali sono avvolti fasci di fili di rame trefolati, tutti paralleli lungo l'asse longitudinale.

 

Figura 2. Confronto tra i fasci di fili trefolati e la sezione piena degli hairpin di rame. Immagine utilizzata per gentile concessione di Lucid Motors

 

Quando una corrente elettrica attraversa i diversi gruppi di fasci di fili, quella sezione dello statore genera una forte forza magnetica. Questa forza spinge (e tira, poiché tutti i magneti hanno polarità opposte) contro il rotore, creando il movimento rotatorio.

All'interno di uno statore hairpin sono ancora presenti fili di rame avvolti attorno a nuclei di ferro, ma invece di fili trefolati vengono utilizzati fili rettangolari di rame pieno, quasi simili a barre, piegati in una forma simile a una forcina e quindi inseriti nel nucleo dello statore. In uno statore tradizionale, tutti i trefoli dei fili devono essere raggruppati e cuciti laboriosamente insieme, in un processo noto come legatura dello statore. Con uno statore hairpin, i fasci vengono attorcigliati e saldati, quindi non è necessaria alcuna legatura.

 

Figura 3. I trefoli tradizionali avvolti attorno a ciascun nucleo di ferro. Immagine utilizzata per gentile concessione di Unsplash

 

Produzione dello statore

Poiché gli hairpin di rame sono molto diversi da un fascio di fili, per produrre uno statore hairpin è necessario un processo produttivo differente.

Il filo di rame viene ricevuto da un fornitore in fasci che devono essere svolti e raddrizzati. Successivamente, il filo viene modellato nella caratteristica forma a «forcina» mediante piegatrici azionate da servomotori. La forma del filo deve essere estremamente precisa a causa delle tolleranze ristrette delle cave in cui i fili vengono inseriti.

Una volta formati i fili, è necessario rimuovere parte dell'isolamento da entrambe le estremità per realizzare correttamente i collegamenti elettrici. Per questo processo esistono due metodi: il laser e un processo meccanico che utilizza spazzole. La rimozione dell'isolamento mediante laser è il metodo più efficiente e richiede meno manutenzione.

Una volta pulite le estremità, i fili possono essere inseriti nello statore e quindi attorcigliati per formare quella caratteristica forma. Anche la macchina per l'inserimento deve posizionare i fili con precisione, affinché non urtino i lati delle cave dello statore.

 

Figura 4. A distanza, lo statore di un motore hairpin è molto simile agli avvolgimenti raggruppati. Immagine utilizzata per gentile concessione di Zeiss

 

Perché tutto questo interesse per i motori hairpin?

L'efficienza è oggi il principale fattore alla base della maggior parte delle modifiche apportate ai dispositivi consolidati del settore, e il motore elettrico non fa eccezione. Per rendere più efficiente un motore elettrico, un metodo consiste nel massimizzare la quantità di forza magnetica nello statore. In un motore tradizionale, i fili di rame sono rotondi, quindi quando vengono raggruppati rimangono piccoli spazi d'aria tra alcuni fili. Questi spazi comportano una minore forza magnetica per dimensione dello statore. Con la configurazione hairpin, i fili rettangolari possono combaciare strettamente senza lasciare spazi d'aria, massimizzando così la quantità di forza magnetica possibile nel motore. Una maggiore forza magnetica per volume consente ai produttori di realizzare motori complessivamente più piccoli e leggeri.

Poiché gli avvolgimenti hairpin sono più spessi, più simmetrici e formati con maggiore precisione, si verifica una minore perdita di energia attraverso gli avvolgimenti e diminuisce la probabilità di guasti. Questa riduzione della perdita di energia si traduce in prestazioni migliori sia a bassa sia ad alta velocità di rotazione.

 

Figura 5. A causa delle ristrette tolleranze di posizionamento, ogni «hairpin» deve essere attorcigliato con cura e quindi ispezionato prima dell'assemblaggio. Immagine utilizzata per gentile concessione di Zeiss

 

Tutti i motori a induzione dovrebbero utilizzare statori hairpin?

Se sono molto più efficienti, perché non dovrebbero utilizzare questo design tutti i motori elettrici? Sarebbe certamente auspicabile, ma purtroppo la produzione di questi statori richiede apparecchiature avanzate, che non sono economiche.

La formatura dei fili deve essere estremamente precisa e ripetibile, in modo che i fili possano essere inseriti nello statore senza problemi. L'attorcigliatura, la spelatura e la saldatura vengono eseguite utilizzando servomotori e laser di precisione. La maggior parte, se non tutti, questi processi può essere eseguita solo con apparecchiature che richiedono un ingente investimento economico da parte del produttore. Gli avvolgimenti tradizionali possono essere realizzati in gran parte manualmente, rendendo il processo produttivo più economico nei luoghi in cui il costo della manodopera è inferiore.

Per le applicazioni in cui ogni grammo di peso è importante e l'uso efficiente dell'energia è fondamentale, come nel caso dei veicoli elettrici, l'investimento aggiuntivo può essere giustificato e i costi sono accettabili per il consumatore. Tuttavia, quando l'applicazione richiede semplicemente la rotazione costante di una ventola di raffreddamento o lo spostamento di un nastro trasportatore a una velocità specifica, il tradizionale motore a induzione economico potrebbe essere la scelta migliore.