Uno degli elementi più importanti che determinano le prestazioni di un motore è l’“avvolgimento”. L’avvolgimento è costituito da fili conduttori, come quelli in rame o alluminio, avvolti a forma di bobina; si può dire che sia il cuore del motore, poiché generando un campo magnetico quando viene attraversato dalla corrente, produce la forza di rotazione del motore attraverso l’interazione con altri campi magnetici (come quelli dei magneti permanenti o di altri avvolgimenti).Nei motori utilizzati in una vasta gamma di settori, dai motori industriali alle apparecchiature mediche, ottiche e di sicurezza, il materiale, il tipo, il metodo di avvolgimento e la progettazione dell’avvolgimento influiscono direttamente su prestazioni, efficienza, durata e affidabilità.
In questo articolo spiegheremo in modo sistematico tutto quello che i tecnici B2B devono sapere: dai principi di base dell’avvolgimento dei motori ai tipi di materiali, dai metodi di produzione ai criteri di scelta in base all’applicazione, dalla misurazione e gestione della resistenza ai punti chiave per ottimizzare la progettazione.Per i tecnici che si occupano di progettazione di motori e sviluppo di prodotti, comprendere la tecnologia degli avvolgimenti è fondamentale per scegliere il motore più adatto e massimizzarne le prestazioni.
| A cura di: Gruppo Commerciale Componenti Elettronici, C.I. Takiron Co., Ltd. Questo articolo è stato curato sulla base delle competenze tecniche avanzate e delle conoscenze acquisite nel corso degli anni, sin dalla fondazione dell’azienda nel 1919, come leader nel settore della lavorazione delle materie plastiche.Il nostro reparto analizza costantemente le tendenze di mercato e le ultime tecnologie relative ai micromotori ultracompatti e ad alta precisione, concentrandosi sulla fornitura di informazioni di alto valore aggiunto a progettisti e sviluppatori. In qualità di team di esperti che conosce a fondo le caratteristiche dei prodotti, ti aiutiamo a risolvere le tue sfide e a promuovere l’innovazione tecnologica attraverso contenuti accurati e pratici. |
Nozioni di base sugli avvolgimenti dei motori e tipi di materiali
L’avvolgimento del motore è costituito da fili ricoperti da un rivestimento isolante avvolti a forma di bobina; quando viene fatta passare corrente, genera un campo magnetico che, grazie all’interazione con altri campi magnetici, produce la forza di rotazione del motore.
Cosa tratteremo in questa sezione
- I tre ruoli che l’avvolgimento svolge nel motore
- Confronto tra le prestazioni dei fili avvolti in rame e quelli avvolti in alluminio
- Tipi di rivestimenti isolanti e criteri di selezione
Gli avvolgimenti sono disposti sullo statore e sul rotore, e le tecniche di avvolgimento variano a seconda del tipo di motore.Come materiali per i conduttori si usano fili di rame e di alluminio, mentre per il rivestimento isolante si ricorre a poliuretano, poliestere, poliesterimmide e simili. È proprio la combinazione di questi materiali e del rivestimento isolante a determinare le prestazioni e l’affidabilità del motore.
I tre ruoli che l’avvolgimento svolge nel motore
Nel motore, l’avvolgimento svolge i seguenti tre ruoli fondamentali.
[I tre ruoli dell’avvolgimento]
- Genera un campo magnetico facendo passare una corrente
- Controllando l’intensità e la distribuzione del campo magnetico si determinano la coppia e la velocità di rotazione
- Dissipare adeguatamente il calore generato (perdite nel rame)
Poiché l’intensità del campo magnetico varia a seconda del numero di spire e della loro disposizione, questo è l’elemento più importante che determina le prestazioni del motore. Ad esempio, aumentando il numero di spire, il campo magnetico diventa più forte e la coppia migliora, ma allo stesso tempo aumenta anche la resistenza. Inoltre, è possibile regolare le caratteristiche prestazionali tramite il valore del prodotto del diametro del filo al quadrato per il numero di spire.Nei dispositivi medici e ottici, la precisione di questa progettazione degli avvolgimenti influisce direttamente sull’affidabilità del prodotto.
Confronto tra le prestazioni dei fili avvolti in rame e quelli avvolti in alluminio
La scelta del materiale per gli avvolgimenti dipende dall’applicazione del motore e dalle prestazioni richieste. Di seguito sono riportate le principali caratteristiche degli avvolgimenti in rame e in alluminio.
| Voce | Fili avvolti in rame | Avvolgimento in alluminio |
| Conduttività elettrica | Elevata (resistività 1,68×10⁻⁸ Ω·m) | Circa il 60% di quella del rame |
| Peso specifico | 8,9 | 2,7 (leggero) |
| Costo | Alto | Basso |
| Usi principali | Motori compatti e ad alte prestazioni | Motori di grandi dimensioni e per autoveicoli |
Tipi di rivestimenti isolanti e criteri di selezione
La scelta del rivestimento isolante dipende soprattutto dalla temperatura dell’ambiente in cui verrà utilizzato. Di seguito trovi le caratteristiche principali dei rivestimenti isolanti.
| Tipi di rivestimento | Temperatura di resistenza al calore | Classe di resistenza al calore | Caratteristiche principali e applicazioni |
| Poliuretano (UEW) | 120 °C | Classe E | Saldabile direttamente, adatto a motori di piccole dimensioni |
| Poliestere (PEW) | 155 °C | Classe F | Ampiamente utilizzato nei motori generici |
| Poliestere-immide (EIW) | 180 °C | Classe H | Ha un’ottima resistenza al calore e viene utilizzato nei motori generici resistenti al calore. |
I cavi in poliuretano possono essere saldati direttamente e sono adatti ai motori di piccole dimensioni, ma non sono indicati per ambienti ad alta temperatura.I cavi in poliestere sono ampiamente utilizzati nei motori generici e presentano caratteristiche ben bilanciate. I cavi in poliestere-immide hanno un’ottima resistenza al calore e garantiscono prestazioni stabili anche durante il funzionamento continuo prolungato. La scelta del rivestimento isolante più adatto all’applicazione è un criterio fondamentale che determina l’affidabilità e la durata del motore.
Metodi di produzione degli avvolgimenti dei motori e scelta in base all’applicazione
Per la produzione degli avvolgimenti dei motori, ci sono diversi metodi di avvolgimento e tecniche di produzione, ed è importante scegliere quelli giusti dopo averne compreso le caratteristiche.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Confronto tra le caratteristiche degli avvolgimenti distribuiti, concentrati e senza nucleo
- Come scegliere tra il sistema a mandrino, il sistema a volano e l’avvolgimento sull’ugello
- Requisiti per i bobinati destinati a dispositivi medici, ottici e di sicurezza
Di seguito ti spiegherò in modo semplice i vari metodi di avvolgimento, come l’avvolgimento a distribuzione e quello a concentrazione, e i metodi di produzione, come quello a mandrino e quello a volano.
Confronto tra le caratteristiche dei avvolgimenti distribuiti, concentrati e senza anima
Le caratteristiche prestazionali del motore variano notevolmente a seconda del tipo di avvolgimento. Di seguito ti mostro le caratteristiche dei tre principali tipi di avvolgimento.
| Metodo di avvolgimento | Caratteristiche | Vantaggi | Applicazioni principali |
| Avvolgimento distribuito | Distribuzione degli avvolgimenti su più slot | Campo magnetico uniforme Bassa oscillazione di coppia Riduzione di vibrazioni e rumore | Motori industriali di grandi dimensioni Apparecchiature mediche |
| Avvolgimento concentrato | Concentrazione dell’avvolgimento su un unico nucleo | Elevata efficienza produttiva Minore consumo di filo di rame Riduzione dei costi | Motori per autoveicoli Motori di piccole dimensioni |
| Avvolgimento senza nucleo | Struttura senza nucleo | Coppia di cogging pari a zero Risposta rapida Rotazione fluida | Apparecchiature mediche Apparecchiature ottiche Strumenti di precisione |
L’avvolgimento distribuito distribuisce il filo in più slot (scanalature del nucleo), garantendo così un campo magnetico uniforme; questo riduce le fluttuazioni di coppia ed è efficace nel contenere vibrazioni e rumore.L’avvolgimento concentrato, invece, grazie alla struttura che concentra il filo su un unico dente (la sporgenza del nucleo), semplifica il processo di avvolgimento, garantisce un’elevata efficienza produttiva e, dato il minor impiego di filo di rame, permette di ridurre i costi.L’avvolgimento senza nucleo, che non presenta un nucleo di ferro, non genera quasi nessun effetto cogging, garantendo una rotazione fluida; inoltre, grazie al basso momento d’inerzia, offre un’eccellente reattività alle alte velocità. I motori senza nucleo di C.I. Takiron, grazie a queste caratteristiche, sono prodotti ideali per applicazioni di precisione come le apparecchiature mediche e ottiche.
Come scegliere tra il metodo con mandrino, quello con volano e quello con avvolgimento sull’ugello
La scelta del metodo di produzione dipende dalla forma della bobina, dal volume di produzione e dai requisiti di precisione.
【Principali metodi di produzione】
- Metodo a mandrino: avvolgimento di un filo di rame attorno a un albero che gira ad alta velocità
- Sistema a braccio: il braccio ruota attorno a un nucleo fisso
- Avvolgimento degli ugelli: avvolgimento di precisione grazie a macchinari dedicati
Il metodo a mandrino consiste nell’avvolgere un filo di rame attorno a un albero che gira ad alta velocità ed è adatto alla produzione in serie ad alta efficienza. Il metodo a braccio, in cui il braccio ruota attorno a un nucleo fisso, permette di realizzare bobine con forme complesse o di grande diametro e viene usato principalmente per l’avvolgimento del rotore dei motori a commutatore.
Inoltre, l’avvolgimento con ugello, che prevede un avvolgimento di precisione effettuato con macchinari dedicati, è una scelta ideale per dispositivi medici e ottici che richiedono un’elevata precisione. Il trattamento con vernice dopo l’avvolgimento non solo previene le deformazioni causate da vibrazioni e calore, ma contribuisce anche a migliorare la resistenza meccanica e le prestazioni isolanti.
Requisiti per gli avvolgimenti destinati a dispositivi medici, ottici e di sicurezza
Capire i requisiti di avvolgimento in base all’applicazione ti permette di scegliere il motore più adatto. Di seguito trovi i requisiti per i principali settori.
| Settore | Prestazioni richieste | Requisiti tecnici | La risposta di C.I. Takiron |
| Dispositivi medici | Controllo ad alta precisione | senza cogging: basse vibrazioni, basso rumore e lunga durata | Motore senza nucleo per una rotazione fluida |
| Apparecchiature ottiche | AF ad alta velocità Stabilizzazione dell’immagine | Risposta rapida (in ms) Precisione di posizionamento (dell’ordine dei μm) | Controllo di precisione grazie a un motore coreless ad alta reattività |
| Dispositivi di sicurezza | Alimentazione a batteria Lunga durata | Funzionamento a bassa tensione (da 1,0 V a 3,0 V) A basso consumo | Sono disponibili modelli che funzionano a una tensione minima di 1,0 V |
Per i dispositivi medici sono richieste una rotazione fluida con coppia di cogging quasi nulla, un controllo della velocità ad alta precisione, basse vibrazioni e bassa rumorosità, oltre a una lunga durata. Per le apparecchiature ottiche, invece, sono necessarie una risposta veloce e una precisione di posizionamento per l’autofocus delle fotocamere e l’azionamento degli obiettivi.Per i dispositivi di sicurezza, sono importanti l’alimentazione a bassa tensione (da 1,0 V a 3,0 V) e una lunga durata (riduzione della frequenza di sostituzione delle batterie). I micromotori di C.I. Takiron includono modelli che funzionano a partire da 1,0 V e offrono soluzioni ottimali per le esigenze di ogni settore.
Misurazione della resistenza degli avvolgimenti dei motori e ottimizzazione della progettazione
Il valore della resistenza degli avvolgimenti del motore è l’indicatore più importante per valutare le prestazioni e la qualità del motore.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Formule di calcolo e metodi di misurazione della resistenza degli avvolgimenti
- Variazione del valore di resistenza dovuta all’aumento della temperatura e progettazione termica
- Ottimizzazione della progettazione degli avvolgimenti in base all’applicazione e possibilità di personalizzazione
La resistenza dell’avvolgimento dipende dalla lunghezza dell’avvolgimento, dal diametro del filo e dalla resistività elettrica del materiale, e influisce direttamente sulla corrente, sulla coppia, sul calore generato e sull’efficienza del motore. Durante il processo di produzione vengono effettuati test di continuità e misurazioni della resistenza, con tolleranze stabilite in base alle specifiche del prodotto, alle norme e agli standard del produttore.A titolo indicativo, in alcuni casi la resistenza viene mantenuta entro un margine di ±10%. Inoltre, poiché la resistenza del filo di rame aumenta di circa il 4% ogni volta che la temperatura sale di 10 °C, è necessario un adeguato sistema di raffreddamento. In fase di progettazione, si ottimizzano in modo globale il materiale dell’avvolgimento, il numero di spire, il diametro del filo, il metodo di avvolgimento, il rivestimento isolante e la gestione termica in base all’applicazione.
Formule di calcolo e metodi di misurazione della resistenza degli avvolgimenti
Comprendere e misurare con precisione la resistenza degli avvolgimenti è fondamentale per il controllo qualità dei motori. La resistenza degli avvolgimenti R si calcola con la seguente formula.
[Formula per calcolare la resistenza di avvolgimento]
R = ρ × L / A
ρ: resistività elettrica del materiale (Ωm)
L: lunghezza del cavo (m)
A: Sezione trasversale del cavo (m²)
Se aumenti il numero di spire, la lunghezza del avvolgimento L aumenta e la resistenza sale; se invece aumenti il diametro del filo, la sezione trasversale A aumenta e la resistenza diminuisce. Ad esempio, se confronti due fili di rame con diametri rispettivamente di 0,1 mm e 0,2 mm e lo stesso numero di spire, il valore della resistenza del secondo, che ha una sezione trasversale quattro volte maggiore, diminuisce fino a circa un quarto.
Una volta completato l’avvolgimento, misuriamo il valore di resistenza con un multimetro digitale o un milliohmmetro per verificare che corrisponda ai valori di progetto. Anche il controllo delle prestazioni di isolamento tramite prove di tenuta di tensione è una fase fondamentale per garantire la qualità. Noi di C.I. Takiron assicuriamo un’elevata affidabilità grazie a un rigoroso controllo di qualità.
Variazione del valore di resistenza in funzione dell’aumento di temperatura e progettazione termica
L’aumento di temperatura durante il funzionamento del motore influisce notevolmente sulle prestazioni e sulla durata. Il coefficiente di temperatura della resistenza dei fili di rame è pari a 0,004/℃; quindi, se la temperatura sale di 10 ℃, la resistenza aumenta di circa il 4%.
| Temperatura (°C) | Variazione del valore di resistenza | Effetto sull’efficienza |
| 25 °C (riferimento) | 100% | Riferimento |
| 50 °C | circa il 110% | Aumento delle perdite nel rame (I²R) di circa il 10% |
| 75 °C | circa il 120% | Aumento delle perdite nel rame (I²R) di circa il 20% |
| 100 °C | circa il 130% | Aumento delle perdite nel rame (I²R) di circa il 30% |
Poiché la percentuale di calo dell’efficienza varia a seconda della quota delle perdite nel rame rispetto alle perdite totali, la tabella sopra va considerata come un’indicazione dell’aumento delle perdite nel rame.Durante il funzionamento del motore, il passaggio di corrente negli avvolgimenti genera perdite nel rame che causano un aumento della temperatura; a sua volta, l’aumento della temperatura fa crescere il valore della resistenza, con conseguente calo dell’efficienza. In ambienti con temperature elevate o in condizioni di funzionamento a carico elevato, è fondamentale scegliere rivestimenti isolanti come il filo di poliestere-immide, che ha un’ottima resistenza al calore, e progettare un sistema di raffreddamento che preveda alette di dissipazione del calore o ventilatori.Inoltre, il trattamento con vernice fissa gli avvolgimenti, impedendo che si deformino a causa della dilatazione termica*. Dato che ogni calo di temperatura di 10 °C raddoppia la durata, una progettazione termica adeguata è fondamentale per garantire una lunga durata del motore.
*Per alcuni dei nostri prodotti utilizziamo il metodo della fissazione.
Ottimizzazione della progettazione degli avvolgimenti in base all’applicazione e possibilità di personalizzazione
L’ottimizzazione della progettazione degli avvolgimenti in base all’applicazione permette di sfruttare al massimo le prestazioni del motore. Di seguito trovi le linee guida di progettazione per le principali applicazioni.
| Applicazioni | Metodo di avvolgimento | Tendenza del diametro del filo | Tendenze relative al numero di spire | Obiettivi di progettazione |
| ad alta coppia (utensili industriali) | I modelli CC con spazzole (a avvolgimento sovrapposto o ondulato) e quelli CC brushless a avvolgimento concentrato sono i più diffusi | Scegli cavi di sezione maggiore in base alla corrente ammissibile | Si tende ad aumentare il numero di spire per aumentare il Kt (costante di coppia) | Massimizzazione della densità di flusso magnetico e equilibrio tra perdite nel rame e generazione di calore |
| Alta velocità di rotazione (Apparecchiature di precisione) | Spesso con avvolgimento concentrico | Per ridurre l’effetto pelle, scegli fili sottili o avvolgimenti in parallelo | Tendenza a ridurre il numero di spire per abbassare il Ke ( costante di forza controelettrica ) | Riduzione del tempo di risposta elettrico |
| Controllo di alta precisione (settore medico e ottico) | Avvolgimento senza nucleo | Scelta che tiene conto anche della resistenza meccanica della bobina | Progettazione flessibile grazie alla bassa induttanza | Eliminazione della coppia di cogging e rotazione fluida |
Nelle applicazioni che richiedono una coppia elevata, come gli utensili industriali, si aumenta la densità del flusso magnetico usando fili di grosso diametro e un numero elevato di spire. Al contrario, nelle applicazioni che prevedono rotazioni ad alta velocità, come gli strumenti di precisione, di solito si opta per un design che riduce il numero di spire per minimizzare la forza controelettrica.Per le apparecchiature mediche e ottiche, si preferiscono avvolgimenti senza nucleo e senza cogging per garantire un controllo di alta precisione. Noi di C.I. Takiron ascoltiamo attentamente le specifiche richieste per ogni applicazione e ti supportiamo in modo completo, dalla prototipazione in piccoli lotti alla produzione in serie. I nostri tecnici ti seguono direttamente e possono proporti la soluzione più adatta alle tue esigenze.
Riepilogo
L’avvolgimento del motore è il cuore del sistema, che genera coppia attraverso la creazione di un campo magnetico indotto dalla corrente e la sua interazione. Come materiali si usano fili di rame o di alluminio, e la resistenza al calore varia a seconda del tipo di rivestimento isolante.Esistono diverse opzioni per quanto riguarda il metodo di avvolgimento e il processo di produzione, ed è importante scegliere quello più adatto all’applicazione. In ogni settore ci sono requisiti specifici: nei dispositivi medici, ad esempio, sono fondamentali un controllo di alta precisione e l’assenza di cogging, mentre nelle apparecchiature ottiche è fondamentale una risposta rapida. Anche la gestione della resistenza dell’avvolgimento e la progettazione termica influiscono sulle prestazioni e sull’affidabilità.
C.I. Takiron offre micromotori ad alta precisione realizzati con la tecnologia di avvolgimento senza nucleo, grazie a un controllo qualità rigoroso e alla possibilità di personalizzazione in base alle specifiche richieste.
Informazioni sui prodotti e richieste di informazioni
Per maggiori dettagli sui micromotori di C.I. Takiron, dai un’occhiata al sito web qui sotto.
- Sito del prodotto: https://cik-ele.com/
- Motori senza nucleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motori brushless: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motoriduttore: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Se hai difficoltà a scegliere il motore compatto giusto per lo sviluppo del tuo prodotto, non esitare a contattarci tramite il modulo di richiesta informazioni. Un nostro tecnico valuterà l’applicazione e i requisiti e ti proporrà la soluzione più adatta.
- Contatti: https://cik-ele.com/contact/
