Che cos'è un motore sincrono a riluttanza?
Principio di funzionamento
Il motore sincrono a riluttanza (SynRM) ha un rotore fatto solo di lamierini di acciaio: niente magneti, niente gabbia e niente avvolgimenti. Fessure d'aria curve, le barriere di flusso, rendono il rotore magneticamente asimmetrico: l'induttanza è alta sull'asse diretto (Ld) e bassa sull'asse in quadratura (Lq). Il campo dello statore attira a sé il percorso di flusso facile, l'asse d, e questa attrazione è la coppia: T = 1,5·p·(Ld − Lq)·id·iq. Con Ld = Lq non ci sarebbe coppia.
Anisotropia e fattore di potenza
Il rapporto di anisotropia ξ = Ld/Lq misura quanto funzionano bene le barriere. Un ξ maggiore dà più coppia per ampere e un fattore di potenza migliore, che non può mai superare (ξ − 1)/(ξ + 1). Con ξ = 6 il limite è circa 0,71, e le macchine reali lavorano tra 0,6 e 0,8. Senza campo nel rotore, lo statore deve fornire tutta la corrente di magnetizzazione, per questo il fattore di potenza è inferiore a quello di un motore a magneti permanenti.
Controllo con inverter e MTPA
Un SynRM non può avviarsi né funzionare direttamente dalla rete: un inverter deve creare il campo rotante e orientare il vettore di corrente. L'inverter divide la corrente in id (flusso) e iq (coppia). Con ferro lineare, la coppia per ampere è massima con un angolo di corrente di 45° rispetto all'asse d, il punto di massima coppia per ampere (MTPA); la saturazione lo sposta più in alto. Altre strategie, come il massimo fattore di potenza, usano più corrente per ottenere un cos φ migliore.
Velocità, deflussaggio e impieghi
Il rotore gira esattamente alla velocità di sincronismo, 120·f/p, senza scorrimento. Oltre la velocità base il limite è la tensione dell'inverter, quindi il drive riduce id (deflussaggio) e aumenta iq per mantenere la coppia, finché la coppia disponibile cala. Senza perdite nel rotore né magneti, i SynRM lavorano freddi, costano poco e si riciclano facilmente. Sono usati in pompe, ventilatori e compressori come alternativa IE4 e IE5 ai motori a induzione.
Domande frequenti
- Come produce coppia un motore senza magneti né avvolgimenti nel rotore?
- Per riluttanza. Le barriere di flusso rendono il rotore facile da magnetizzare sull'asse d e difficile sull'asse q. Il campo dello statore cerca di allineare l'asse facile con sé, e questa forza è la coppia, proporzionale a (Ld − Lq)·id·iq. Imposta il rapporto di anisotropia a 1 nel simulatore e la coppia scompare.
- Perché il fattore di potenza di un SynRM è basso?
- Il rotore non porta un flusso proprio, quindi la corrente di statore deve fornirlo tutto ed è in gran parte reattiva. In una macchina senza perdite il fattore di potenza non supera (ξ − 1)/(ξ + 1), perciò solo un'anisotropia alta dà un buon valore. Cambia ξ e osserva il limite nel grafico.
- Un motore sincrono a riluttanza può funzionare direttamente dalla rete?
- No. Non ha una gabbia per avviarsi né un campo per mantenere il sincronismo, quindi serve un inverter che porti la frequenza a regime e imposti l'angolo di corrente. Il motore segue poi la velocità comandata con esattezza. Porta la velocità oltre il 100 % e il simulatore mostra il deflussaggio.