Motori LSRM: Il Segreto è nel Materiale Giusto! La Mia Guida alla Scelta Ottimale con la Simulazione

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi appassiona molto e che sta rivoluzionando il mondo dei trasporti: i motori a riluttanza commutata lineari, o LSRM per gli amici. Questi motori sono fantastici per diverse applicazioni, specialmente nei trasporti, grazie a vantaggi come una forza di spunto elevata, una costruzione semplice e robusta e un’ottima tolleranza ai guasti. Insomma, sembrano la soluzione perfetta, no? Beh, quasi.

Come in tutte le cose belle, c’è un piccolo “ma”. Gli LSRM soffrono di due problemini non da poco: le ondulazioni della forza (force ripples) piuttosto elevate e un certo rumore acustico. Questo è dovuto alla loro natura intrinseca, quella che tecnicamente chiamiamo “a doppia salienza”. Ma noi ingegneri non ci arrendiamo facilmente! Sono state proposte tante modifiche strutturali per mitigare questi inconvenienti.

Il punto è: come facciamo a sapere se una modifica funziona davvero? Dobbiamo progettare e riprogettare il motore usando software specifici, come il fido ANSYS/Maxwell che ho usato io in questo studio. E qui arriva il bello. Nel processo di progettazione di un LSRM, non basta calcolare le dimensioni fisiche dei componenti (statore e traslatore, le parti principali). C’è un passo cruciale che fa davvero la differenza sulle prestazioni finali: la scelta del materiale giusto per il nucleo.

L’Importanza Spesso Sottovalutata della Scienza dei Materiali

Sembra banale, ma vi assicuro che scegliere il materiale corretto per lo statore e il traslatore può cambiare radicalmente il comportamento del motore. Eppure, cercando in letteratura, mi sono accorto che questo aspetto viene spesso trascurato. Tanti studi si concentrano sulle dimensioni, sulle geometrie, ma pochi approfondiscono la selezione del materiale del nucleo.

Ecco perché ho deciso di condividere con voi questa guida passo-passo, basata sulla mia esperienza di simulazione. Spero possa essere utile non solo ai colleghi ingegneri, ma anche agli studenti per capire quanto sia fondamentale la scienza dei materiali. Non basta guardare un catalogo: bisogna analizzare le proprietà specifiche e vedere come si traducono in prestazioni reali nel contesto specifico di un LSRM.

Quali proprietà cerchiamo in un buon materiale per il nucleo? Principalmente:

• Alta permeabilità magnetica: la capacità del materiale di “lasciar passare” il flusso magnetico. Più è alta, meglio è.
• Bassa coercitività: la resistenza del materiale a essere smagnetizzato. Bassa coercitività significa che il materiale si magnetizza e smagnetizza facilmente e rapidamente, cosa essenziale in un motore a riluttanza commutata dove questo avviene continuamente.
• Alta resistenza meccanica: soprattutto per applicazioni ad alta velocità, il materiale deve essere robusto.

I Contendenti: 11 Materiali Sotto la Lente d’Ingrandimento

Per rendere la sfida interessante e la selezione rigorosa, ho messo alla prova ben 11 materiali diversi, scelti un po’ a caso ma con proprietà magnetiche molto variegate. L’obiettivo era capire quale si comportasse meglio come nucleo per statore e traslatore del nostro LSRM. I materiali testati sono stati:

• Alnico (una lega di alluminio, nichel, cobalto)
• Cobalto
• Ferrite
• Ferro (puro al 99%)
• Nichel
• Samario-Cobalto (SmCo24 e SmCo28, magneti di terre rare)
• Acciaio Inossidabile (Stainless Steel)
• Acciaio “Mine” (Steel Mine, con 2% di carbonio)
• Acciaio 1008 (Steel 1008, a basso tenore di carbonio: 0.08%)
• Acciaio 1010 (Steel 1010, a basso tenore di carbonio: 0.10%)

Ognuno di questi ha caratteristiche uniche. L’Alnico è ottimo per magneti permanenti ad alte temperature, il Cobalto ha alta coercitività, le Ferriti sono comuni in trasformatori e altoparlanti, il Ferro è diffusissimo ma la sua permeabilità dipende molto dalla purezza. Il Nichel è ferromagnetico ma costoso. Gli SmCo sono potenti ma anch’essi più adatti a magneti permanenti. L’acciaio inossidabile di base non è magnetico. Gli acciai al carbonio, invece, sono interessanti: il carbonio aumenta la resistenza meccanica ma, ahimè, riduce la permeabilità magnetica. Ecco perché gli acciai a basso tenore di carbonio come il 1008 e il 1010 sembravano candidati promettenti.

La Prova del Nove: Simulazioni e Risultati

Ho usato il software ANSYS/Maxwell per simulare il comportamento del mio progetto di LSRM (le cui dimensioni sono basate su studi precedenti per applicazioni di trasporto ad alta velocità) utilizzando ciascuno degli 11 materiali per il nucleo (sia statore che traslatore fatti dello stesso materiale). Ho applicato una corrente di 10 A agli avvolgimenti dello statore e ho simulato il movimento del traslatore per 200 mm.

Cosa cercavo? I parametri chiave erano:

• Forza di propulsione: Volevamo la forza media più alta possibile, ma con le minori ondulazioni (un profilo di forza “liscio”).
• Distribuzione del flusso magnetico: Un percorso del flusso chiaro e ben definito all’interno del nucleo, con una densità di flusso elevata ma senza raggiungere la saturazione (il punto in cui il materiale non può più “contenere” altro flusso magnetico).
• Profilo di induttanza di fase: L’induttanza deve variare significativamente con la posizione del traslatore, perché è proprio questa variazione che genera la forza nel motore a riluttanza. Un profilo piatto è indice di problemi.
• Costo del materiale: Non dimentichiamoci l’aspetto economico!

I risultati sono stati illuminanti! Molti materiali si sono rivelati subito inadatti.
L’Alnico, ad esempio, mostrava un flusso sparso ovunque, senza un percorso definito e con molta saturazione. È ottimo per magneti permanenti, non per elettromagneti che devono cambiare stato rapidamente. Stessa storia per il Cobalto e gli SmCo24/28: alta coercitività, più adatti a mantenere un campo magnetico fisso. La densità di flusso era bassa o mal distribuita.

La Ferrite e il Ferro (al 99% di purezza) mostravano densità di flusso basse e percorsi poco chiari, a causa della loro permeabilità relativamente bassa in queste condizioni. Il Nichel, oltre ad avere bassa permeabilità e resistenza meccanica rispetto all’acciaio, è anche molto costoso. L’Acciaio Inossidabile? Praticamente trasparente al flusso magnetico, inutilizzabile. L’Acciaio “Mine”, con il suo 2% di carbonio, aveva bassa permeabilità e quindi bassa densità di flusso, anche se il percorso iniziava a vedersi.

La Svolta: Gli Acciai a Basso Carbonio

E poi siamo arrivati agli acciai a basso tenore di carbonio. Qui le cose si sono fatte interessanti!
L’Acciaio 1010 (0.10% C) mostrava un buon percorso del flusso e una densità massima di 1.062 Wb/m², senza saturazione. Non male! Ma l’Acciaio 1008 (0.08% C) ha fatto ancora meglio: percorso del flusso chiarissimo, nessuna saturazione e una densità di flusso massima di ben 1.278 Wb/m²! Questo conferma che abbassare il contenuto di carbonio (pur mantenendo una buona resistenza meccanica) migliora significativamente le proprietà magnetiche per questa applicazione.

Per confermare la scelta, ho analizzato anche i profili di induttanza di fase e la forza di propulsione. I grafici dell’induttanza hanno confermato che materiali come Alnico, SmCo, Acciaio Inossidabile non funzionavano nel modello FEM (profilo piatto). Ferro, Ferrite, Nichel, Acciaio 1008 e 1010 mostravano profili migliori.

Ma è stato il grafico della forza di propulsione a dare il verdetto finale. Alnico, SmCo24/28 producevano forza quasi nulla. L’Acciaio Inossidabile dava fluttuazioni enormi. Tra i rimanenti, il Ferro produceva una forza media leggermente superiore all’Acciaio 1008, MA con ondulazioni molto più pronunciate (più “strappi”). L’Acciaio 1008, invece, ha prodotto la forza media più alta tra gli acciai a basso carbonio, con un profilo notevolmente più liscio. Considerando anche la sua buona resistenza meccanica (grazie a quel poco di carbonio, comunque superiore al ferro puro), l’Acciaio 1008 è emerso come il vincitore indiscusso per questa applicazione LSRM.

Conclusioni: La Simulazione Guida alla Scelta Migliore

Questo studio, condotto interamente tramite simulazioni con ANSYS/Maxwell, dimostra quanto sia fondamentale non solo calcolare le dimensioni, ma anche scegliere con cura il materiale del nucleo in base all’applicazione specifica. Non basta guardare le proprietà magnetiche sulla carta; bisogna vedere come si traducono in prestazioni reali (forza, ondulazioni, distribuzione del flusso) nel contesto operativo del motore.

Per il nostro LSRM destinato ad applicazioni di trasporto, l’Acciaio 1008 si è rivelato la scelta ottimale, offrendo il miglior compromesso tra elevate prestazioni magnetiche (alta forza, basse ondulazioni, buon flusso), buona resistenza meccanica e un costo ragionevole.

Spero che questa “avventura” nel mondo dei materiali e delle simulazioni vi sia piaciuta e vi abbia dato qualche spunto interessante. Ricordate: nella progettazione elettromagnetica, il materiale giusto può fare davvero la differenza!

Fonte: Springer