Motori elettrici sincroni a riluttanza, l'evoluzione della specie

I motori elettrici sincroni a riluttanza, progettati per avere velocità di rotazione elevatissime, sono macchine estremamente affidabili, compatte e ad alta efficienza energetica. Precisione nei controlli di coppia, robustezza e alta densità di potenza, fanno dei motori a riluttanza macchine ad oggi applicabili nella quasi totalità dei settori industriali.

I vantaggi di questa tecnologia sono principalmente di due tipologie:

Ci sono inoltre vantaggi nel controllo, essendo motori sincroni, che si possono sfruttare in specifiche applicazioni.

L’importante vantaggio delle macchine ESMR, rispetto ad un tradizionale motore ad induzione, è l’alta efficienza, dovuta alla eliminazione delle perdite nel rotore, che fa la differenza soprattutto nelle condizioni operative di velocità e carico parziale. Questo porta ad un risparmio energetico imbattibile nelle applicazioni a carico variabile, come la movimentazione di fluidi.

Questo vantaggio é ottenuto grazie alla tipologia, sincrona, della macchina ESMR, per cui le perdite fondamentali di rotore non ci sono (nessun avvolgimento o gabbia, frequenza di scorrimento nulla).
Tale vantaggio può essere sfruttato per ottenere una maggiore efficienza (come fatto nella serie ESMRA in cassa tonda alettata IEC), oppure un motore più compatto (avendo meno calore da smaltire), oppure un compromesso tra questi due vantaggi, come abbiamo fatto nella serie quadra lamellare dei motori ESMRQ.

Presentiamo qui di seguito un calcolo di ritorno di investimento, per una macchina 55 kW 1500 rpm che azioni una pompa o ventilatore, con un’applicazione a velocità variabile (carico quadratico e velocità variabile). Il grafico seguente evidenzia la differenza prestazionale rispetto ad un asincrono IE3, anche se utilizzato con un algoritmo di ottimizzazione dell’efficienza.

Efficienze Asincrono ASM IE3 vs ESMR IE4

Parametri operativi per l’esempio:

L’assenza di perdite rotoriche fondamentali può essere utilizzata per ridurre la dimensione del motore, a parità di potenza resa, a seguito dell’importante riduzione del calore da dissipare. La densità di coppia/potenza é, a parità di classe di temperatura, del 10-20% superiore rispetto ai motori ad induzione.

Questo porta ad una riduzione del momento d’inerzia, essendo il motore più piccolo ed un altro contributo alla riduzione della massa rotante é dato dall’assenza dell’avvolgimento a gabbia di scoiattolo nel rotore.
In totale, si possono ottenere momenti d’inerzia del 25-35% inferiori, rispetto ai motori ad induzione.

La tecnologia ESMR inoltre non ha limiti di sovraccaricabilità, non ci sono magneti che si smagnetizzano, né la coppia massima (breakdown torque) dei motori asincroni.

Il risultato é un rapporto Tmax / Jmotore molto elevato e quindi un’ottima dinamica!

Bisogna sottolineare che i motori ESMR hanno un fattore di potenza inferiore ai motori ad induzione, in generale, e quindi le coppie elevate si raggiungono, é corretto evidenziarlo, con correnti particolarmente elevate. Quindi questi vantaggi sono sfruttabili tipicamente in alcune condizioni specifiche, ad esempio in combinazione con velocità elevate o cicli di lavoro periodici piuttosto intermittenti (ossia con fattori di servizio % non molto elevati).

I motori ESMR sono sincroni, quindi mantengono una velocità perfettamente costante se alimentati a frequenza fissa e questo é un importante vantaggio per alcune applicazioni, tipicamente nei settori della stampa, movimentazione di carta e film plastici, e anche nei posizionamenti.

In queste applicazioni possono sostituire i servomotori, con un vantaggio di costo, soprattutto per la manutenzione e lo smaltimento dei motori, essendo senza magneti permanenti.

Con alcuni inverter dedicati si ha inoltre un vantaggio nel controllo sensorless: grazie alla struttura di rotore anisotropa, l’individuazione della sua posizione può essere fatta con buona precisione, anche in funzionamento sensorless.

Test specifici hanno dimostrato le seguenti performance:

Ciò comporta che i motori ESMR sincroni a riluttanza, possono sostituire i motori a magneti permanenti, nella maggior parte di applicazioni, dove è richiesta elevata precisione di posizionamento. Il risultato è di ottenere macchine più compatte ed economiche, con le stesse performances.