Che cos'è l'avvolgimento a spina di capelli (Hairpin) e cosa apporta al motore elettrico?

L'avvolgimento hairpin consiste nell'utilizzo di barre di rame rettangolari piegate a forma di U al posto dei fili di rame rotondi nello statore del motore elettrico. Questa geometria consente di inserire più rame nella gola, portando il fattore di riempimento dal livello del 45-50% dell'avvolgimento classico oltre il 70%; si ottiene così un campo magnetico più intenso, minori perdite elettriche e una migliore gestione termica. In questa pagina analizziamo la struttura dell'avvolgimento hairpin, il processo di produzione, i vantaggi in termini di efficienza e densità di potenza, i suoi limiti e quali produttori sono passati a questa tecnologia.

Che cos'è l'avvolgimento hairpin e in cosa si differenzia dall'avvolgimento classico con filo?

Ciò che determina la coppia di un motore elettrico è il campo magnetico generato dalla corrente che attraversa le gole dello statore. La geometria dei conduttori che trasportano questa corrente influisce direttamente sull'efficienza del motore. Nell'avvolgimento classico, fili di rame rotondi isolati con smalto vengono avvolti nelle gole; poiché i fili sono rotondi, non è possibile eliminare gli spazi vuoti all'interno della gola. Nell'avvolgimento hairpin, lo stesso compito è svolto da barre di rame a sezione rettangolare piegate alle estremità e saldate tra loro.

La sezione rettangolare non è un'eleganza matematica, ma un guadagno fisico: le barre rettangolari riempiono lo spazio rettangolare della gola in modo molto più serrato. Più area viene riempita, più intenso è il campo magnetico a parità di corrente e più rame si ottiene a parità di volume. Il resto dello statore - pacchetto di lamiere, carcassa, architettura di raffreddamento - resta in gran parte invariato; l'innovazione si concentra interamente sul sistema di avvolgimento.

Tre varianti di avvolgimento: U-pin, I-pin e hairpin continuo

Il membro più comune della famiglia hairpin è la struttura U-pin: il filo di rame viene piegato a forma di U e le due estremità aperte vengono inserite dai due lati dello statore, piegate e saldate. Nella variante I-pin si utilizzano pin dritti, non piegati; è necessario il contatto elettrico da entrambi i lati, mentre il fattore di riempimento è di circa 4% più alto rispetto all'U-pin e può raggiungere il 74%. L'avvolgimento continuo (continuous/wave) si forma piegando un singolo filo a forma di serpentina per diversi metri e viene inserito dal diametro interno come matrice di avvolgimento; il suo più grande vantaggio è che non richiede il processo di saldatura dell'U-pin.

Anche sul fronte dell'isolamento esiste un'architettura originale. Tra la gola e il pacchetto di lamiere viene inserita carta isolante; i conduttori stessi sono ricoperti con vernici di classe alta temperatura come poliamide-imide (PAI), PEEK o PAI+FEP. Le estremità saldate vengono poi riisolate con powder coating o resina poliuretanica.

Fattore di riempimento del rame: la chiave dell'efficienza

Il fattore di riempimento misura la quota di area destinata al rame nella sezione della scanalatura dello statore. I valori variano leggermente nelle fonti a seconda della definizione di ciò che si considera "rame"; per il filo tondo l'intervallo tipico è del 40-50%, per l'hairpin del 60-73%, mentre in alcuni progetti moderni si supera il 75%. L'entità della differenza però non è discussa: l'hairpin consente di inserire nello stesso volume di motore circa il 20% di conduttori in più.

L'impatto di questo quadro sulle prestazioni del motore si legge su tre livelli. Primo, più rame significa un campo magnetico più forte e una coppia maggiore. Secondo, il percorso di avvolgimento ottimizzato accorcia la lunghezza dei conduttori; la resistenza DC e le perdite nel rame diminuiscono, la stessa potenza viene prodotta con meno energia e l'autonomia del veicolo aumenta. Terzo, uno statore più densamente impacchettato può essere realizzato in dimensioni più piccole - questa è la ragione fisica dell'aumento della densità di potenza.

Prestazioni termiche: perché gestisce meglio il calore?

Nel motore elettrico il calore nasce dalle perdite nei conduttori. L'avvolgimento hairpin qui offre un duplice vantaggio: una minore perdita nel rame genera meno calore; la struttura ordinata e compatta della testata di avvolgimento distribuisce invece il calore prodotto in modo da poter essere portato all'esterno. Mentre nei fili tondi gli spazi d'aria rimasti tra i conduttori disposti casualmente si comportano come un isolante termico, la geometria ordinata dell'hairpin elimina questi spazi.

Il risultato è una maggiore capacità di trasporto di corrente per conduttore e una gestione della temperatura più semplice. Soprattutto se valutato insieme al raffreddamento a spruzzo d'olio, l'avvolgimento hairpin si distingue come una soluzione che aumenta insieme efficienza e densità di potenza nei motori dei veicoli elettrici. Una temperatura di funzionamento più bassa e omogenea prolunga inoltre la vita del sistema di isolamento, migliorando direttamente l'affidabilità del motore.

Quanto è vantaggioso l'hairpin ad alti regimi?

Qui le cose non procedono in una sola direzione. La grande sezione dei conduttori dell'hairpin può diventare uno svantaggio alle alte frequenze: l'effetto di spostamento della corrente, noto come skin effect, fa scorrere la corrente solo nello strato superficiale del conduttore e aumenta la resistenza effettiva. Poiché il regime sale, sale anche la frequenza, quindi il vantaggio dell'hairpin nelle perdite DC può essere parzialmente annullato dalle perdite AC ad alti regimi. Per questo aumentare il fattore di riempimento non è vantaggioso in ogni obiettivo di progetto; i guadagni dipendono dalla frequenza, dalla corrente e dal progetto dell'isolamento.

Tuttavia gli esempi di successo pratico sono forti: i vantaggi dell'hairpin, 160 kW di potenza e 18.000 giri/min verificato con una guida di progettazione completa in un motore a magneti permanenti con questa configurazione. Nei motori PMSM ad alta velocità, i parametri chiave tra avvolgimento hairpin e avvolgimento a filo tondo sono ancora oggi un tema di ricerca attivo. C'è anche un dato contrastante interessante: in un confronto di cicli di guida, la variante IPMSM con avvolgimento continuo, che non richiede saldatura, è risultata nel ciclo WLTP 0,63% più efficiente. La differenza è piccola ma il messaggio è chiaro: l'hairpin non vince automaticamente in ogni condizione e in ogni ciclo.

Il riassunto equilibrato è questo: l'hairpin non è una tecnologia destinata a distruggere l'avvolgimento classico, ma a completarlo. Quando si tengono conto dei costi di produzione e del ciclo di vita, la differenza netta nella maggior parte delle applicazioni è più modesta di quanto suggeriscano le cifre del fattore di riempimento.

Come si produce uno statore hairpin: la catena di produzione in quattro fasi

La storia produttiva dell'hairpin è l'altra metà del motivo per cui questa tecnologia è così attraente. Il processo è adatto all'automazione completa dall'inizio alla fine e una tipica linea comprende stazioni di formatura del filo, inserimento, espansione, torsione, taglio e saldatura. Tempi di ciclo brevi e volumi di produzione crescenti riducono il costo unitario.

1. Formatura: Il filo di rame piatto viene svolto e appiattito, l'isolamento viene parzialmente rimosso con laser o meccanicamente per la saldatura, poi il filo viene tagliato a lunghezza e piegato. Un isolamento senza giunzioni nella curva è il vincolo più critico della piegatura.
2. Inserimento: I pin vengono inseriti assialmente nel pacchetto dello statore. In un singolo statore hairpin si utilizzano tipicamente 3-16 geometrie hairpin diverse .
3. Piegatura e saldatura: Le estremità piegate secondo lo schema di avvolgimento di testa ricevono il contatto elettrico tramite saldatura laser; l'obiettivo è una geometria di saldatura omogenea e un apporto termico minimo. La rimozione laser dell'isolamento è più costante e precisa della abrasione meccanica con spazzola rotante: le spazzole, consumandosi, consumano anche il rame.
4. Isolamento e impregnazione: Le estremità saldate vengono ri-isolate con powder coating o resina poliuretanica; il rivestimento protegge da ossidazione e umidità, e l'intero statore viene impregnato.

Nelle applicazioni di trazione la sfida principale è l'affidabilità del processo. Differenze di altezza relative o offset laterali nelle estremità hairpin possono causare difetti di saldatura; una saldatura difettosa, oltre a un perdita elettrica aggiuntiva, può rendere il motore inutilizzabile. Per questo tre diverse tecnologie di giunzione, a resistenza, laser e micro TIG, vengono attivamente confrontate. Inoltre vengono esaminate come tema ingegneristico a parte anche le limitazioni della catena di processo della tecnologia hairpin continua.

Quali produttori sono passati all'avvolgimento hairpin?

Il percorso della tecnologia verso la produzione di serie inizia in modo sorprendentemente antico: il primo utilizzo si vide nella Chevrolet Tahoe ibrida del modello 2008, nei due motori del cambio 2ML70. Anche la Chevrolet Volt era equipaggiata con un motore hairpin sviluppato da Remy. La vera diffusione però è arrivata con l'era dei veicoli elettrici.

Il gruppo Volkswagen oggi utilizza statori hairpin in modelli come ID.3, ID.4, Audi e-tron GT e Porsche Taycan. Il primo modello hairpin di BMW è stato la iX3 . GM, nel 2021'de 64 kW'lık hibrit ASM'den Hummer EV'nin 255 kW'lık PSM'sine uzanan yeni una serie di motori con la tecnologia hairpin. Tesla invece 2023 ha annunciato che utilizzerà l'hairpin nel motore di nuova generazione. Anche JLR è tra i produttori che hanno dichiarato di utilizzare questa tecnologia nella produzione. Sul fronte della ricerca e sviluppo, i progetti Pro-E-Traktion sostenuto da BMW e HaPiPro2 del RWTH Aachen, AnStaHa del KIT e IPANEMA, KIPrEMo e KIKoSA dell'FAU Erlangen-Nürnberg riflettono la collaborazione industria-accademia in questo campo. Sul fronte dell'approvvigionamento, attori come BorgWarner, Denso e Hitachi sono citati come i determinanti del mercato.

L'hairpin è la scelta giusta per ogni motore?

Nella pratica ingegneristica, la risposta dipende dal profilo operativo dell'applicazione. Nei motori di trazione che richiedono alta coppia e densità di potenza a regimi bassi-medi, i vantaggi dell'hairpin in termini di perdite DC e gestione termica si traducono facilmente in profitto; una produzione adatta all'automazione fornisce economie di scala. Al contrario, nelle applicazioni che operano continuamente ad alta frequenza o in cui il volume di produzione non giustifica l'investimento in automazione, l'avvolgimento classico rimane una scelta sensata e continuerà a esistere anche nei prossimi anni. Il compito del progettista non è scegliere l'avvolgimento con il numero più alto nella tabella del fattore di riempimento, ma quello che garantisce la perdita totale e il costo più bassi nel proprio ciclo - l'hairpin è spesso il vincitore di questo calcolo, ma non sempre.

Fonti

• Cos'è un motore hairpin - Vantaggi e processo di assemblaggio
• Tecnologia hairpin
• Uno sguardo più da vicino agli avvolgimenti dei motori hairpin
• Gestione termica dei motori di trazione con avvolgimento hairpin
• Un confronto tra avvolgimenti continui e hairpin per trazioni elettriche
• Una guida completa alla progettazione degli avvolgimenti hairpin
• Guida al confronto tra avvolgimento a filo tondo e avvolgimento hairpin
• Confronto tra I-pin, hairpin e X-pin
• Soluzioni di statore hairpin per la produzione di motori elettrici
• Saldatura dello statore hairpin: confronto tra 3 tecnologie di giunzione
• Motori con avvolgimento hairpin: riempimento delle gole, perdite AC e controllo dei difetti di produzione