Progettazione e analisi di un motore vernier ibrido brushless a doppio statore per applicazioni a trasmissione diretta

Motori più intelligenti per macchine di uso quotidiano

Dalle lavatrici ai robot di fabbrica, molti dispositivi moderni richiedono motori che girino lentamente ma spingano con forza. Invece di usare ingombranti riduttori, gli ingegneri stanno ora progettando motori in grado di erogare direttamente un alto momento torcente (torque) a basse velocità. Questo articolo esplora un nuovo progetto di motore che mira a fornire una trasmissione potente, efficiente e affidabile con meno parti in movimento e costi di gestione ridotti nel lungo periodo.

Perché i riduttori diventano un problema

I sistemi a trasmissione diretta tradizionali evitano gli ingranaggi affidandosi a motori a magneti permanenti, compatti, efficienti e potenti. Tuttavia spesso dipendono da costosi magneti di terre rare e possono avere difficoltà con il calore e lo stress meccanico ad alta velocità. I motori a rotore avvolto, che creano il campo magnetico tramite avvolgimenti invece che magneti, evitano i materiali di terre rare ma richiedono spazzole e anelli collettori che si usurano e disperdono energia. La sfida è combinare il meglio di entrambi senza ereditare i punti deboli di ciascuno.

Un motore con due gusci e un cuore condiviso

I ricercatori propongono un motore vernier ibrido brushless a doppio statore, che avvolge due involucri fissi, o statori, attorno a un unico rotore a sandwich. Lo statore interno porta sia un avvolgimento trifase standard sia un avvolgimento singolo aggiuntivo, mentre lo statore esterno ospita solo l'avvolgimento trifase. Il rotore stesso ha due lati funzionali: un lato contiene avvolgimenti che si comportano come un rotore avvolto brushless, e l'altro lato ospita magneti permanenti. Posizionando accuratamente queste parti e usando un modo speciale di alimentare le correnti, il motore può creare un forte campo magnetico senza alcuna spazzola fisica o anello collettore, impiegando al contempo meno magneti per unità di coppia rispetto a molti progetti convenzionali.

Come funziona il trucco dell'ingranaggio magnetico

All'interno del motore, diversi avvolgimenti sullo statore interno generano due configurazioni magnetiche nella luce d'aria: una a quattro poli e un'altra a due poli. La configurazione a due poli eccita un piccolo avvolgimento di eccitazione sul rotore, che a sua volta alimenta un avvolgimento di campo più grande avvolto con molti più poli. Contemporaneamente, lo statore esterno interagisce con un anello di magneti sul rotore. Insieme, queste interazioni producono un effetto vernier o di ingranaggio magnetico, in cui un campo a basso numero di poli sugli statori si combina con un campo ad alto numero di poli sul rotore. Il risultato è un motore che gira lentamente ma può erogare elevato torque, adatto per far girare direttamente il cestello di una lavatrice o azionare un nastro trasportatore.

Confronto di due modi per posizionare i magneti

Il gruppo ha studiato due versioni di questo motore a doppio statore che differiscono solo nel modo in cui i magneti sono incorporati nel rotore. Nella versione con magneti montati in superficie, i magneti sono posizionati all'esterno del rotore, creando un campo magnetico uniforme e regolare nella luce d'aria. Nella versione interna, i magneti sono sepolti all'interno del ferro del rotore, il che offre maggiore robustezza meccanica e aiuta a modellare il campo magnetico per un funzionamento più fluido. Usando simulazioni al computer dettagliate, entrambe le configurazioni sono state testate a bassa velocità di lavaggio e a velocità di centrifuga più elevata con gli stessi vincoli di dimensione e materiali, in modo da confrontarne punti di forza e compromessi in modo equo.

Cosa rivelano le simulazioni

Il design con magneti montati in superficie ha fornito il torque più elevato, arrivando a circa 44 newton metri a bassa velocità e oltre 20 newton metri ad alta velocità, mantenendo comunque un'efficienza superiore al 90 percento. Ciò lo rende interessante per applicazioni gravose che richiedono grande forza in un motore compatto. Il progetto con magneti interni ha prodotto meno torque, circa 32 newton metri a bassa velocità, ma ha mostrato una drastica riduzione del ripple di coppia, soprattutto ad alta velocità, dove le variazioni di torque sono state diminuite di quasi l'89 percento. Un ripple inferiore significa movimento più fluido, meno rumore e meno vibrazioni, aspetti importanti per apparecchiature di precisione e elettrodomestici silenziosi. Entrambe le versioni hanno inoltre sfruttato i magneti più efficacemente rispetto a una macchina di riferimento aggiungendo coppia dall'avvolgimento interno brushless senza aumentare la massa di magnete.

Cosa significa per le macchine del futuro

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che questo motore ibrido a doppio statore può comportarsi come un riduttore magnetico integrato, producendo coppia elevata e fluida a basse velocità senza ingranaggi meccanici. La versione con magneti montati in superficie è preferibile quando la priorità è la potenza di trazione pura, mentre la versione con magneti interni sacrifica parte della coppia per un moto più silenzioso e stabile. Poiché il rotore è eccitato senza spazzole, le esigenze di manutenzione si riducono e un uso attento dei magneti può diminuire la dipendenza da costose terre rare. Gli autori osservano che i lavori futuri dovranno ancora affrontare il surriscaldamento e la qualità dell'alimentazione, ma i loro risultati mostrano una strada praticabile verso motori a trasmissione diretta più efficienti e robusti per le macchine di uso quotidiano.

Citazione: Kumar, K., Akbar, G., Ahmed, S. et al. Design and analysis of dual-stator hybrid brushless vernier motor for direct-drive applications. Sci Rep 16, 15635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46998-6

Parole chiave: motore a trasmissione diretta, motore a magneti permanenti, macchina a doppio statore, eccitazione brushless, denso di coppia