Motori IPM e SPM: magneti in superficie o interni, cosa cambia
Aprite il motore hub di un monopattino: i magneti sono incollati sulla superficie del rotore. Aprite il motore di una recente auto elettrica: spesso, i magneti sono inseriti in fessure, all'interno dell'impilamento di lamiere del rotore. Questa differenza di posizione dà origine a due famiglie di motori sincroni a magneti: SPM e IPM. Cambia il modo in cui il motore produce la sua coppia e la sua capacità di girare velocemente.
L'essenziale
- SPM: magneti sulla superficie del rotore. Semplice ed efficace, è il caso dei motori hub per monopattini.
- IPM: magneti alloggiati all'interno del rotore. Il motore produce una coppia supplementare, detta di riluttanza.
- L'IPM gestisce meglio le altissime velocità e si presta bene al deflussaggio, da cui il suo successo nell'automotive.
- L'IPM richiede un controllo più preciso: la corrente d non viene più mantenuta a zero.
Due modi di alloggiare i magneti
SPM: magneti in superficie
SPM significa "Surface Permanent Magnet". I magneti sono incollati sulla superficie del rotore, di fronte agli avvolgimenti. La costruzione è semplice e tutto il flusso dei magneti lavora direttamente. I motori hub per monopattini, a rotore esterno, sono quasi tutti di questo tipo: i magneti rivestono l'interno della campana che ruota.
Limite: ad altissima velocità su un rotore interno, la forza centrifuga tende a strappare i magneti, che devono quindi essere cerchiati, ovvero mantenuti da un anello.
IPM: magneti interni
IPM significa "Interior Permanent Magnet". I magneti sono inseriti in alloggiamenti ricavati nelle lamiere del rotore, spesso disposti a V. Sono protetti meccanicamente e la forma del ferro attorno a loro crea un effetto supplementare, descritto più avanti.
La coppia di riluttanza
Il ferro è attratto da un campo magnetico, anche senza magnete: è la riluttanza. Un pezzo di ferro allungato tende ad allinearsi con il campo, come l'ago di una bussola.
In un IPM, il rotore non è magneticamente "tondo": lascia passare il campo più facilmente in certe direzioni rispetto ad altre, a causa degli alloggiamenti dei magneti che sono tanti piccoli vuoti. Si dice che ha una salienza. Nel linguaggio del controllo vettoriale, la sua induttanza non è la stessa sull'asse d (allineato con i magneti) e sull'asse q (a 90°).
Risultato: la coppia totale di un IPM ha due fonti.
- la coppia dei magneti, come in un SPM, prodotta dalla corrente q;
- la coppia di riluttanza, prodotta dalla combinazione delle correnti d e q, grazie alla differenza di induttanza tra i due assi.
Cosa cambia per il controllo
In un SPM, la corrente d non produce coppia: il controllo vettoriale la mantiene a zero. In un IPM, una corrente d ben scelta, negativa, aggiunge coppia di riluttanza. Per una data coppia, esiste quindi una combinazione di correnti d e q che richiede meno ampere possibile: è la strategia MTPA, per "Maximum Torque Per Ampere", la massima coppia per ampere.
Il controller deve quindi conoscere le due induttanze del motore e calcolare la giusta ripartizione in ogni istante, il che richiede una caratterizzazione più approfondita del motore.
Perché l'IPM regna nell'automotive
- Gira veloce: magneti protetti nel ferro, sopporta elevate velocità di rotazione.
- Si deflussa bene: al di sopra della sua velocità di base, mantiene una potenza utile su un ampio intervallo di velocità grazie alla corrente d. Vedi la nostra guida sul deflussaggio.
- Risparmia magneti: una parte della coppia proviene dalla riluttanza, il che permette di ridurre la quantità di magneti, costosi.
Alcuni costruttori vanno oltre con motori detti "sincroni a riluttanza assistiti da magneti", dove la riluttanza fornisce l'essenziale della coppia e i magneti un supporto.
E su un monopattino?
Un motore hub per monopattino gira lentamente (la ruota è azionata direttamente) e ha bisogno di molta coppia fin dall'avvio. L'SPM a rotore esterno è molto adatto: grande diametro, molti magneti, coppia diretta, costruzione semplice. L'IPM trova tutto il suo interesse su motori che girano velocemente e azionano la ruota tramite una riduzione, come sulle moto e le auto elettriche.
I nostri motori per monopattino elettrico sono motori hub di questo tipo, in versioni High Speed e High Torque.
Domande frequenti
Un motore IPM è più potente di un SPM?
Non di per sé. A parità di dimensioni, può offrire più coppia per ampere e soprattutto un più ampio intervallo di velocità. Ma un SPM ben progettato rimane eccellente quando la velocità di rotazione è moderata, come in una ruota di monopattino.
Un controller per monopattino sa pilotare un IPM?
Lo farà girare, ma senza sfruttare la coppia di riluttanza se mantiene la corrente d a zero. Per sfruttare un IPM, serve un controller che gestisca la strategia MTPA e conosca le due induttanze del motore.
Cosa significa "salienza"?
È il fatto che il rotore lascia passare il campo magnetico più facilmente in una direzione rispetto a un'altra. Si misura tramite la differenza tra l'induttanza secondo l'asse dei magneti (d) e a 90° (q). Più la differenza è grande, più la coppia di riluttanza è importante.