Una nuova macchina sincrona a rotore avvolto senza spazzole con avvolgimento armonico del rotore ad alta efficienza e caratteristiche di coppia migliorate

Perché un Nuovo Tipo di Motore Conta

I motori elettrici sono nascosti in quasi tutto ciò che si muove nella vita moderna, dai robot di fabbrica alle auto elettriche e agli elettrodomestici. Molti dei motori più efficienti di oggi si basano su magneti permanenti realizzati con materiali a terre rare, costosi e soggetti a interruzioni di fornitura. Questo articolo propone un approccio diverso: un progetto compatto di motore che fornisce un forte momento torcente, o coppia, senza utilizzare magneti permanenti né contatti fragili con spazzole, rendendo potenzialmente gli azionamenti elettrici ad alte prestazioni più economici, più durevoli e più facili da manutenere.

Motori Senza Magneti Costosi

I motori ad alta efficienza standard spesso usano potenti magneti permanenti montati su un nucleo rotante. Questi magneti forniscono un campo magnetico costante, che aiuta il motore a funzionare in modo efficiente al carico nominale ma spreca energia a carichi leggeri e complica il controllo su un ampio intervallo di velocità. Dipendono inoltre dai metalli a terre rare, il cui prezzo e disponibilità possono variare bruscamente. Un’alternativa è il motore sincrono a rotore avvolto, in cui il campo magnetico del rotore è creato da bobine di rame anziché da magneti. Le versioni tradizionali di queste macchine, però, necessitano di spazzole e anelli collettori per alimentare in corrente il rotore in rotazione, aggiungendo usura, scintille, perdite e manutenzione.

Progettazioni Senza Spazzole e i Loro Limiti

I ricercatori hanno dedicato anni a cercare di costruire motori che combinino la controllabilità dei rotori avvolti con i vantaggi di bassa manutenzione dei progetti senza spazzole. Molte macchine a rotore avvolto senza spazzole proposte utilizzano avvolgimenti aggiuntivi e più moduli di elettronica di potenza per trasferire energia al rotore senza contatti elettrici diretti. Spesso si basano su campi magnetici sagomati che contengono piccole ondulazioni, o armoniche, capaci di indurre correnti in apposite bobine del rotore. Sebbene questi schemi funzionino, tendono a essere complessi, richiedendo inverter aggiuntivi, avvolgimenti statorici supplementari o magneti permanenti, fattori che aumentano i costi e possono comunque non raggiungere la densità di coppia desiderata.

Usare le Ondulazioni Magnetiche Nascoste in Modo Più Intelligente

Gli autori si basano su un’idea recente che sfrutta una già presente ondulazione “subarmonica” nel campo magnetico dello statore per generare potenza all’interno del rotore. Anziché aggiungere più hardware sul lato statico, si concentrano sulla riprogettazione del rotore stesso. Nei progetti precedenti, solo metà delle cave del rotore disponibili veniva riempita con un avvolgimento armonico speciale che captava questo campo subarmónico e alimentava un raddrizzatore, il quale poi forniva corrente continua all’avvolgimento principale del campo del rotore. Il nuovo approccio sfrutta semplicemente lo spazio inutilizzato inserendo un secondo avvolgimento armonico identico nelle cave vuote del rotore e collegando i due tramite un condensatore in modo che le loro correnti alternate rimangano in fase.

Come il Nuovo Rotore Aumenta la Coppia

Quando una corrente trifase da un singolo inverter scorre nelle bobine dello statore, crea sia il campo rotante principale sia una componente subarmonica significativa. Questa subarmonica attraversa i due avvolgimenti armonici sul rotore, inducendo correnti alternate in ciascuno di essi. Queste due correnti si combinano e passano attraverso un piccolo raddrizzatore montato sul rotore, che converte il segnale combinato in una corrente continua stabile per l’avvolgimento di campo principale. Poiché ora ci sono due avvolgimenti armonici invece di uno, viene raccolta più corrente dallo stesso ingresso dello statore, rafforzando il campo magnetico del rotore senza alcun hardware di potenza esterno aggiuntivo. Simulazioni al computer a elementi finiti su un prototipo 8-poli, 12-cave mostrano che la corrente media di campo nel nuovo progetto aumenta di quasi il 30 percento rispetto alla versione precedente con un solo avvolgimento.

Vantaggi di Prestazione in Condizioni Realistiche

Il campo del rotore più forte si traduce direttamente in maggiore coppia e potenza. Alle stesse velocità di funzionamento e con la stessa corrente nello statore, la nuova macchina produce una coppia media di circa 10,25 newton-metri, rispetto agli 8,39 newton-metri del progetto di riferimento—un incremento del 22,15 percento. La potenza in uscita aumenta della stessa percentuale, mentre l’efficienza sale leggermente fino a quasi il 93 percento. È importante notare che il ripple di coppia, una misura di quanto il motore gira in modo uniforme, rimane molto basso (sotto l’uno percento), il che significa che l’avvolgimento aggiunto non introduce vibrazioni indesiderate. I livelli di flusso magnetico nel nucleo di ferro restano al di sotto del limite di saturazione, indicando che le prestazioni migliorate non comportano surriscaldamento o stress eccessivo dei materiali.

Cosa Significa per i Futuri Azionamenti Elettrici

In termini semplici, i ricercatori hanno dimostrato che una riorganizzazione intelligente del rame all’interno del rotore può estrarre molta più spinta utile da un motore senza cambiarne le dimensioni esterne, l’alimentazione o il progetto dello statore. Riempendo lo spazio inutilizzato del rotore con un secondo avvolgimento armonico e usando le ondulazioni magnetiche incorporate come canale di trasferimento energetico gratuito, la loro macchina a rotore avvolto senza spazzole raggiunge maggiore coppia, funzionamento regolare e una leggera migliore efficienza—evitando completamente magneti permanenti costosi e spazzole ad alta manutenzione. Tali motori potrebbero diventare opzioni interessanti per veicoli elettrici e altre applicazioni ad alta coppia dove costo, affidabilità e sicurezza delle forniture sono importanti quanto le prestazioni pure.

Citazione: ul Haq, M.A., Farooq, H., Liaqat, R. et al. A novel rotor harmonic winding-based high efficient self-excited brushless wound rotor synchronous machine with improved torque features. Sci Rep 16, 9267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38287-z

Parole chiave: motore a rotore avvolto senza spazzole, macchine elettriche ad alta coppia, azionamenti senza magneti permanenti, avvolgimento del rotore autoeccitato, trazione per veicoli elettrici