Cos’è cambiato nella progettazione dei motori elettrici?

La progettazione dei motori elettrici è sempre stata stimolata dalla domanda di maggiore efficienza energetica, ma cosa c’è all’orizzonte? Se in un prossimo futuro i motori dovranno conformarsi ai requisiti della classe IE4, che in seguito diventeranno IE5, la nuova frontiera sarà l’applicazione della classe IE6, considerata la fase successiva per garantire livelli di efficienza superiori nel settore dei motori a magneti permanenti e a riluttanza singola.

In due secoli di storia i motori elettrici si sono evoluti, fino a diventare uno dei più grandi consumatori di energia al mondo; ad oggi, rappresentano circa il 45% del consumo globale di energia. Se tale consumo energetico è indubbiamente importante, dimostra anche con quale frequenza e diffusione questi motori vengano utilizzati in tutto il mondo per convertire l’energia elettrica in energia meccanica. Il loro campo d’impiego è pressoché infinito: ventole, soffianti e pompe, macchine utensili, elettrodomestici, automobili e attrezzature elettriche sono solo alcune delle applicazioni.
Ma i dati di utilizzo evidenziano anche quanto sia difficile per i produttori migliorare costantemente l’efficienza dei motori e ridurne il consumo energetico. La progettazione dei motori deve mirare necessariamente alla massima efficienza energetica, non solo per consentire ai produttori di rimanere competitivi, ma anche per obbedire alle normative vigenti, e in continua evoluzione, quali, ad esempio, la Direttiva sulla progettazione ecocompatibile dell’Unione Europea (Direttiva 2009/125/CE).

Dalla corrente continua alla corrente alternata

Nel campo dei motori elettrici, le esigenze legate a prestazioni, accessibilità, efficienza energetica e connettività sono da sempre i fattori che promuovono l’innovazione. Tali esigenze sono mutate nel corso degli ultimi due secoli, a partire dal 1824, anno in cui viene realizzato il primo vero e proprio motore elettrico rotante, grazie a invenzioni precedenti quali la batteria e l’elettromagnete. Le tecnologie successivamente scoperte sono state quella legata ai motori in corrente continua (cc) e quella legata ai motori in corrente alternata (ca) che, sul finire dell’Ottocento ha segnato l’inizio di una nuova era, dove l’efficienza dei motori elettrici sarebbe stata sfruttata pienamente. Da allora, la progettazione dei motori elettrici, e le innovazioni in questo settore sono state influenzate dalla crescente domanda del cliente in termini di prestazioni, accessibilità, efficienza energetica e connettività.
Oggi la progettazione dei motori elettrici non può prescindere dalla flessibilità, visto che vengono utilizzati in varie applicazioni da diverse industrie, dalle centrali elettriche e dal comparto agroalimentare. L’attuale sfida consiste nel potenziarne l’efficienza riducendo al tempo stesso l’onere a carico dell’approvvigionamento elettrico. A seconda dell’applicazione, i costi energetici dei motori elettrici rappresentano il 95-97% del costo totale del ciclo di vita, quindi non stupisce che l’utilizzo di motori a bassa efficienza si traduca in un rendimento sugli investimenti limitato.

Prestazioni ecocompatibili

L’efficienza energetica di un motore elettrico si calcola in base al rapporto tra la potenza meccanica in uscita e la potenza elettrica in ingresso e si misura secondo delle classi di efficienza energetica (IE), dove IE1 è la classe minima e IE5 quella massima. In virtù della Direttiva sulla progettazione ecocompatibile dell’Unione Europea, a partire dal mese di giugno 2011 tutti i motori interessati dovevano soddisfare come minimo i valori nominali di efficienza energetica IE2, requisito successivamente innalzato al livello IE3 nel 2015, a meno che non fossero comandati da un azionamento a velocità variabile (VSD). Gli azionamenti a velocità variabile regolano la velocità del motore elettrico – di norma fissa – in funzione dei requisiti dell’applicazione.
Oltre a migliorare sensibilmente i consumi energetici correlati all’utilizzo del motore, queste normative hanno avuto una ripercussione tangibile sui diversi mercati. I motori IE1, che nel 2009 rappresentavano l’80% della quota del mercato europeo, sono scesi al 17% nel periodo fino al 2016, mentre nello stesso tempo la quota di motori classe IE3, decisamente più efficienti, è salita dallo 0 al 29%. Buone notizie sia per gli utenti finali, in termini di abbattimento dei costi, sia per il pianeta. Nel frattempo, poiché l’applicazione della normativa attuale che impone l’uso dei VSD sui motori IE2 ha incontrato notevole resistenza nel settore, le regole sono diventate più rigorose. A decorrere dal 1° luglio 2021 i motori trifase dovranno soddisfare i requisiti della classe IE3, indipendentemente dal fatto che sia installato un VSD supplementare. Entro lo stesso termine, per la prima volta, verranno applicate normative riguardo all’efficienza energetica degli azionamenti a velocità variabile. Gli studi condotti nell’ambito delle revisioni delle normative esistenti evidenziano come, in un prossimo futuro, i motori dovranno conformarsi ai requisiti della classe IE4, che in seguito diventeranno IE5.

Individuazione dei punti deboli

Il segreto per progettare un motore più efficiente è capire quale parte non è all’altezza delle aspettative, ponendosi la domanda: quali sono i potenziali punti deboli in termini di energia? Per garantire la costante conformità ai requisiti delle classi IE, sono state apportate numerose migliorie alle tecnologie adottate per realizzare i motori elettrici; queste riguardano, in particolare, la riduzione del peso e la sperimentazione di nuovi materiali, quali plastica e alluminio, nonché l’uso di nuovi isolatori per aprire a varie possibilità di impiego di questi macchinari.
Una di queste è rappresentata dall’uso dei motori a magneti permanenti; si tratta di motori a corrente alternata che presentano dei magneti integrati o fissati sulla superficie del rotore. Il campo magnetico generato dai magneti reagisce a quello creato dalla corrente alternata nello statore e aziona l’armatura rotante del motore. A questo punto, la coppia magnetica si unisce alla coppia di riluttanza e agisce sui magneti, allineandosi al flusso magnetico che attraversa il motore. Ciò riduce al minimo la riluttanza; il risultante campo magnetico rotante genera una coppia costante senza necessità di ventilazione forzata. I motori a magneti permanenti IE4 garantiscono un funzionamento più efficiente rispetto ai motori a induzione IE4, con un ciclo di vita superiore e una perdita di energia inferiore del 20%; inoltre pesano meno, a parità di telaio. Ciò significa che un motore a magneti permanenti IE4 è più piccolo di un motore a induzione IE4.

Motori a magneti permanenti in classe IE5

WEG è stato il primo produttore e fornitore di azionamenti e motori a prendere in considerazione gli standard IE4 e IE5. Nell’ambito della gamma W22 ha sviluppato un motore a magneti permanenti di classe IE5. Il nuovo modello W22 è stato tra i primi motori disponibili sul mercato pienamente conformi alla classe di efficienza energetica IE5 di nuova formulazione. Dotato di magneti permanenti ad alte prestazioni all’interno del rotore, il modello W22 a magneti permanenti offre maggiore potenza per dimensione del telaio e una gamma di coppia più ampia, mantenuta costante senza la necessità di ventilazione forzata. Grazie all’ottimo controllo della velocità, questo motore garantisce maggiore efficienza energetica e una durata di esercizio superiore. Ad esempio, in applicazioni quali le torri di raffreddamento, se si installa un motore a magneti permanenti W22 con un azionamento a velocità variabile CFW701 HVAC – di dimensione adeguata all’applicazione – si ottiene una riduzione dei costi energetici fino all’80% e un risparmio medio di acqua del 22%, nel rispetto dei livelli di efficienza IE5. I magneti permanenti ad alta densità energetica sono ideali per i veicoli elettrici. Il liquido di raffreddamento che circola all’interno del motore dissipa il calore generato. Questa scelta progettuale impedisce lo spostamento dei magneti e del rotore a velocità elevate e consente l’uso del motore anche a velocità sostenute.

Guardando al futuro: IE6

WEG sta già sperimentando nuovi materiali, in vista dell’applicazione della classe IE6, considerata la fase successiva per garantire livelli di efficienza superiori nel settore dei motori a magneti permanenti e a riluttanza singola. Con ogni probabilità, i primi motori a vedere la luce in questa nuova classe saranno i motori a magneti permanenti progettati per le pompe, in quanto in Europa il settore idrico utilizza la maggior parte dei motori elettrici ad alta efficienza. Questo per quanto concerne la classe IE6. Un’altra area di intervento riguarda lo sviluppo di nuovi sistemi di isolamento, per contrastare i problemi associati all’ammoniaca, che danneggia i motori corrodendo i materiali.
Inoltre, gli ingegneri WEG si stanno impegnando nella progettazione e futura produzione di un motore ad alta densità energetica con un costo ragionevole. Quando si acquista un prodotto sviluppato con una tecnologia relativamente nuova, come un motore ad alta densità energetica, in genere si ottiene sempre un vantaggio, bilanciando costi, affidabilità ed efficienza.
Un’altra area che interessa particolarmente la ricerca WEG è comprendere il comportamento di una serie di polimeri – materiali realizzati con lunghe catene di molecole che si ripetono. I polimeri possiedono delle proprietà uniche, che potrebbero risultare particolarmente utili per i motori elettrici; a seconda del modo in cui vengono legate le molecole, si possono infatti ottenere materiali ad alta resistenza e peso ridotto. Vengono utilizzati sempre più spesso nei motori, per sostituire parti metalliche che non sopportano forze meccaniche elevate, ad esempio morsettiere e protezioni terminali, nonché parti strutturali quali fondelli e piedini, nei motori di piccole dimensioni. Poiché questi componenti non sono soggetti a rischi di deformazione, l’uso di materiali polimerici può portare a un risparmio economico e di peso.
Inoltre, sarà possibile intervenire su altri componenti del motore che utilizzano polimeri quali resine, smalti e materiali isolanti, perfezionandoli allo scopo di soddisfare requisiti speciali e, di conseguenza, migliorarne ulteriormente la progettazione. Gli impianti di condizionamento, i sistemi di ventilazione e altri elettrodomestici, per fare alcuni esempi, si avvalgono già dei vantaggi offerti dai motori polimerici.
Il punto di svolta “storico” per WEG e per altri produttori che operano nel settore è stato l’impiego dell’elettronica, sia nella componentistica sia nei processi di produzione dei motori elettrici. L’elettronica consente, ad esempio, di installare appositi sensori in grado di misurare parametri essenziali in tempo reale, quali vibrazioni e temperatura, per identificare eventuali problemi del motore prima che si verifichino dei guasti. Con le applicazioni basate sui sensori, ad esempio WEG Motor Scan, i dati del motore vengono acquisiti e inviati a uno smartphone o a un tablet.

Nota sull’autore: Marek Lukaszczyk è responsabile marketing per l’Europa e il Medio Oriente presso WEG.