SynRM vs PMSM: motori a riluttanza sincrona e a magneti permanenti spiegati

Quasi tutto il guadagno di efficienza del motore oltre IE4 proviene da due tecnologie: il motore a riluttanza sincrona (SynRM) e il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM). Entrambi lasciano indietro il classico motore asincrono a gabbia, entrambi raggiungono IE5 e in alcuni casi IE6, ed entrambi condividono una cosa spesso trascurata: non funzionano in rete, ma solo con un inverter. Questo articolo spiega in cosa differiscono, perché tale differenza è importante, e quando scegliere quale tecnologia.

Asincrono vs sincrono: le basi

Un classico motore asincrono (motore a gabbia) gira sempre leggermente più lentamente del campo rotante dello statore: questa differenza, lo scorrimento, è necessaria per indurre nel rotore una corrente che genera la coppia. Questa corrente rotorica indotta provoca perdite, ed è proprio queste perdite a costituire il limite superiore dell'efficienza che un motore asincrono può raggiungere. In pratica, IE4 è all'incirca questo limite.

Un motore sincrono gira esattamente in sincronia con il campo rotante, senza scorrimento. Nel rotore non viene indotta alcuna corrente, quindi le perdite associate scompaiono. È proprio per questo che sia il SynRM sia il PMSM, entrambi a principio sincrono, possono rendere oltre IE4. La differenza tra i due sta in come il rotore viene trascinato in sincronia.

Cos'è un SynRM (riluttanza sincrona)?

Un motore a riluttanza sincrona ha un rotore senza avvolgimenti e senza magneti: solo un pacco di lamierini d'acciaio sagomato in modo ingegnoso con delle cavità (barriere di flusso). Il rotore segue il campo rotante perché il flusso magnetico cerca sempre il percorso di minore resistenza (riluttanza). Il campo rotante trascina per così dire il rotore lungo l'asse di minima riluttanza.

Il grande vantaggio: nessun magnete e nessuna corrente rotorica significa un rotore freddo e robusto, senza dipendenza dalle terre rare. Inoltre il rotore entra nella stessa carcassa di un motore asincrono standard, il che semplifica la sostituzione equivalente. ABB commercializza questa tecnologia con il nome SynRM, abbinata a un inverter adeguato.

Lo svantaggio: un SynRM ha un fattore di potenza e una densità di potenza leggermente inferiori a quelli di un PMSM, e fornisce la sua migliore efficienza solo in combinazione con un inverter ben regolato. Per la maggior parte delle applicazioni di pompe, ventilatori e compressori, ciò è più che sufficiente.

Cos'è un PMSM (magneti permanenti)?

Un motore sincrono a magneti permanenti ha magneti nel rotore o su di esso (di solito neodimio-ferro-boro). Questi magneti forniscono un campo rotorico costante che gira in sincronia con il campo rotante dello statore. Poiché il campo rotorico è fornito dai magneti e non deve essere indotto, il PMSM è molto efficiente, compatto e con coppia elevata.

I motori PMSM raggiungono generalmente la massima densità di potenza e il miglior fattore di potenza di tutti i tipi di motore, il che li rende la prima scelta dove spazio o peso sono critici, o dove conta un'efficienza molto elevata a carico parziale. Sono anche comuni nelle applicazioni servo e nella trazione.

Gli svantaggi: i magneti rendono il motore più sensibile alle alte temperature (rischio di smagnetizzazione) e dipendente dal prezzo e dalla disponibilità delle terre rare. Inoltre, in caso di interruzione di rete, un PMSM in rotazione può restituire tensione, il che richiede attenzione in fase di progettazione.

SynRM vs PMSM: il confronto

In breve: scegliete il SynRM per robustezza, un rotore freddo, nessuna dipendenza dai magneti e semplice sostituzione equivalente nelle applicazioni industriali di pompe e ventilatori. Scegliete il PMSM dove la massima densità di potenza, la più alta efficienza o il minor volume di ingombro sono decisivi, e dove la temperatura è gestibile.

Entrambe le tecnologie raggiungono IE5. Con una progettazione ottimizzata, il PMSM può crescere fino a IE6. Il SynRM offre in pratica il minor costo totale di proprietà nelle applicazioni industriali standard, mentre il PMSM eccelle nelle applicazioni compatte, altamente dinamiche o critiche per il peso.

Come raggiungono IE5 e IE6

Le classi di efficienza da IE1 a IE6 sono definite nella norma IEC 60034-30-1 (IE1 a IE4) e nella successiva IEC TS 60034-30-2 (IE5 e oltre). Ogni gradino di classe rappresenta circa il 20% di perdite in meno rispetto al precedente. Dove un buon motore asincrono si ferma a IE4, il SynRM e il PMSM raggiungono IE5, e con il PMSM, IE6 è raggiungibile in versioni specifiche.

Per tradurre l'efficienza in euro: in funzionamento continuo, ogni gradino di classe rappresenta rapidamente centinaia di euro all'anno per motore. Calcolate la vostra situazione con il nostro calcolatore di risparmio energetico, che converte la differenza tra le classi IE in kWh, euro e tempo di ritorno.

Perché è richiesto un inverter

Questo è il punto che più spesso causa sorprese nella pratica: né un SynRM né un PMSM possono avviarsi direttamente in rete. Un motore asincrono si avvia da solo grazie allo scorrimento; un motore sincrono no, perché il rotore non può raggiungere da fermo il campo statorico che ruota improvvisamente a piena velocità. Entrambi i tipi necessitano quindi sempre di un inverter che aumenti gradualmente la frequenza da zero.

Questo non è uno svantaggio, ma spesso un vantaggio: l'inverter fornisce regolazione continua della velocità, avvio graduale e, nelle applicazioni di pompe e ventilatori a carico variabile, risparmio energetico aggiuntivo oltre al guadagno del motore stesso. Ciò significa però che dovete specificare motore e inverter come un unico sistema. Leggete di più sulla scelta e sugli aspetti EMC nel nostro articolo sugli inverter.

Quando scegliere quale?

Per una pompa, un ventilatore o un compressore standard in funzionamento continuo, dove volete risparmiare energia rimanendo vicini a una sostituzione equivalente: SynRM. Robusto, freddo, senza magneti e disponibile in ABB in carcasse familiari.

Per applicazioni compatte, alta dinamica, servo, trazione o dove ogni punto percentuale di efficienza a carico parziale conta: PMSM. Dove attualmente utilizzate un motore IE3 e l'impianto ha già o avrà un inverter, il passaggio a un SynRM o PMSM IE5 vale quasi sempre la pena di essere calcolato.

Indecisi tra mantenere il vostro attuale motore asincrono o cambiare? La nostra base di conoscenza tratta questa scelta separatamente in riparare o sostituire e in classi di efficienza IE.

Raccomandazioni pratiche

Specificate sempre motore e inverter insieme come un sistema, non separatamente. Per una richiesta IE5/IE6, chiedete l'efficienza al vostro punto di funzionamento reale, non solo a pieno carico; è proprio a carico parziale che le tecnologie divergono. Con il PMSM, tenete conto della temperatura massima di avvolgimento e del comportamento di rigenerazione in caso di interruzione di rete. E prima di sostituire, fate calcolare il tempo di ritorno in base alle vostre ore di funzionamento e al prezzo dell'elettricità.

Van Bodegraven fornisce sia soluzioni ABB SynRM sia PMSM, con inverter ABB adeguati, e consiglia sulla scelta giusta per la vostra applicazione. Forniamo da stock UE ABB con brevi tempi di consegna.

Dai dati menzionati in questo articolo non può essere derivato alcun diritto. Contattateci per un preventivo concreto e lo stato di consegna attuale.