Negli avvolgimenti delle macchine elettriche di media e grande potenza il conduttore non deve soltanto trasportare corrente. Deve anche sopportare tensionamenti in fase di avvolgimento, piegature, compressioni, vibrazioni e sforzi elettrodinamici per tutta la vita della macchina. Quando queste sollecitazioni diventano importanti, l’isolamento a smalto da solo può non bastare. In questi casi le piattine ricoperte di fibra di vetro offrono una protezione meccanica aggiuntiva, che si integra con il sistema isolante e lo rende più robusto.
In questo articolo vediamo cosa sono queste piattine, in cosa si distinguono da quelle semplicemente smaltate, perché e quando conviene rinforzare il conduttore, in quali macchine si usano e quali aspetti tenere sotto controllo in lavorazione e in fase di verifica della qualità.
Cosa sono le piattine ricoperte con fibra di vetro
Una piattina ricoperta con fibra di vetro è un conduttore a sezione rettangolare, tipicamente in rame, su cui viene applicato un rivestimento di filati di vetro avvolti attorno al metallo. La ricopertura può essere applicata direttamente sul conduttore nudo oppure su una piattina già smaltata. In questo secondo caso smalto e vetro lavorano insieme: lo smalto garantisce l’isolamento elettrico di base, il vetro aggiunge protezione meccanica e spessore isolante.
La fibra di vetro è un materiale inorganico: non brucia, non fonde alle temperature di esercizio delle macchine elettriche e mantiene la propria resistenza anche in presenza di forti carichi termici. Per ottenere una ricopertura compatta e ben aderente, i filati vengono normalmente fissati con vernici leganti oppure abbinati a fibre di poliestere. È il caso del DAGLAS, un filato che combina vetro e poliestere: con il calore la componente in poliestere si fonde e incolla le fibre tra loro e al conduttore, formando una guaina più uniforme e flessibile.
La ricopertura può essere singola o doppia, a seconda del livello di protezione richiesto e dello spessore isolante complessivo che il progetto può accettare. Nella gamma L.Pi.Emme la piattina in rame smaltata e ricoperta con vetro ha classe termica 200 °C e fa riferimento alle norme IEC 60317-29, IEC 60317-60 e IEC 60317-61 e alle corrispondenti NEMA MW 36-C, 42-C e 52-C.
Differenza tra piattina smaltata e piattina ricoperta
La piattina smaltata è isolata da un film di vernice applicato in più passate e polimerizzato in forno. Lo spessore dell’isolamento è ridotto, la superficie è liscia e il fattore di riempimento dell’avvolgimento è molto alto. Questa soluzione è ideale quando lo spazio è limitato e le sollecitazioni meccaniche restano moderate. Lo smalto ha però uno spessore di pochi centesimi di millimetro, e un urto, un’abrasione contro un componente metallico o una piega troppo stretta possono danneggiarlo e creare un punto debole nell’isolamento.
La piattina ricoperta aggiunge sopra il metallo, o sopra lo smalto, uno strato di materiale applicato meccanicamente: nastri di carta, film polimerici, mica oppure, come in questo caso, filati di vetro. L’isolamento diventa più spesso e lo spessore si può regolare scegliendo il tipo di ricopertura e il numero di strati. La superficie fibrosa del vetro, inoltre, assorbe vernici e resine di impregnazione, contribuendo a consolidare l’avvolgimento.
Il prezzo da pagare è un ingombro maggiore. A parità di sezione di rame, una piattina ricoperta occupa più spazio di una piattina solo smaltata e riduce il fattore di riempimento. La scelta tra le due soluzioni dipende quindi dal bilanciamento tra compattezza e robustezza. Come spiegato nella guida alla piattina in rame isolata per avvolgimenti, non esiste un isolamento migliore in assoluto: c’è quello più adatto alle condizioni reali della macchina.
Perché rinforzare meccanicamente il conduttore
Il rinforzo meccanico delle piattine serve a proteggere l’isolamento in tutte le fasi in cui il conduttore è più esposto a danni, a partire dalla produzione. Durante l’avvolgimento la piattina viene tirata, piegata, guidata da rulli e pressata contro le spire adiacenti. Nelle bobine preformate dei motori e dei generatori subisce poi sagomature, piegature di testata e compressioni prima di essere inserita nelle cave. Ognuna di queste operazioni può segnare o incrinare uno smalto non protetto.
In esercizio le sollecitazioni continuano. Le forze elettromagnetiche generano vibrazioni costanti tra le spire. Le correnti di cortocircuito producono sforzi elettrodinamici improvvisi e molto intensi. I cicli di riscaldamento e raffreddamento fanno dilatare e contrarre rame e materiali isolanti in modo diverso. Nel tempo queste sollecitazioni possono causare abrasioni tra spire vicine o tra conduttore e pacco magnetico, fino al cedimento dell’isolamento.
La ricopertura in fibra di vetro funziona come una guaina protettiva. Distribuisce le pressioni localizzate, assorbe parte degli urti e delle abrasioni e, una volta impregnata, lega le spire tra loro e riduce i movimenti relativi. Così il film di smalto sottostante resta integro più a lungo e l’avvolgimento conserva nel tempo le sue caratteristiche elettriche.
Vantaggi negli avvolgimenti industriali
Nei conduttori per avvolgimenti industriali, il primo vantaggio della ricopertura in vetro è l’affidabilità. Un isolamento meno soggetto a danni meccanici riduce gli scarti in produzione, i difetti che emergono solo al collaudo e i guasti precoci in campo. Nelle macchine di grande potenza, dove un fermo o una riparazione hanno costi molto alti, questo margine di sicurezza vale spesso più del maggiore ingombro.
Il secondo vantaggio è la resistenza termica. La fibra di vetro sopporta senza difficoltà temperature ben superiori a quelle di esercizio, e la classe termica complessiva del conduttore dipende dallo smalto e dalle vernici leganti usate. Nel caso delle piattine L.Pi.Emme la classe è 200 °C, adatta quindi ad avvolgimenti che lavorano in condizioni termiche impegnative.
Molto apprezzata è anche la compatibilità con l’impregnazione. La struttura fibrosa del vetro trattiene vernici e resine, che riempiono gli spazi tra le spire ed eliminano le sacche d’aria. L’avvolgimento impregnato diventa un blocco compatto, più resistente alle vibrazioni e più efficace nel trasferire il calore verso l’esterno.
Infine, la doppia funzione di isolamento e protezione semplifica il progetto. Si può usare il vetro per aumentare lo spessore isolante dove serve, senza dover aggiungere materiali separati tra le spire, e scegliere tra ricopertura singola e doppia in base alla tensione e alle sollecitazioni previste.
Applicazioni in motori, trasformatori e generatori
Le piattine ricoperte con vetro trovano il loro impiego principale nelle macchine rotanti di media e grande potenza. Nei generatori le bobine di statore e rotore subiscono forti sollecitazioni meccaniche e termiche, e il rinforzo in vetro protegge l’isolamento sia durante la formatura delle bobine sia in esercizio. Nei motori in corrente continua la piattina rame vetro è una soluzione consolidata per gli avvolgimenti di campo e di armatura, dove vibrazioni, forze centrifughe e temperature elevate mettono alla prova il conduttore. Anche nei motori di media tensione le bobine preformate beneficiano di un conduttore più robusto nelle fasi di sagomatura e inserimento in cava.
Nei motori e generatori di media e alta tensione la ricopertura in vetro fa spesso parte di un sistema isolante più complesso. L’isolamento verso massa e la resistenza alle scariche parziali sono affidati a materiali specifici come i conduttori ricoperti con nastri micati. Il compito di ciascun materiale in queste macchine è approfondito nell’articolo sull’isolamento in mica per motori e generatori ad alta tensione.
Nei trasformatori, soprattutto quelli a secco e quelli impregnati con vernici o resine, i conduttori ricoperti di vetro si usano quando gli avvolgimenti devono resistere a sforzi elettrodinamici importanti e servono buona impregnabilità e resistenza termica. In altre tipologie di trasformatore si preferiscono invece isolamenti a nastro in carta o film polimerici, come quelli dei conduttori ricoperti per bassa tensione e trasformatori. La scelta dipende dal sistema isolante complessivo e dal tipo di raffreddamento.
Aspetti da valutare durante la lavorazione
Lavorare una piattina ricoperta con fibra di vetro richiede alcune attenzioni diverse rispetto a una piattina solo smaltata. La prima riguarda gli ingombri. Lo spessore della ricopertura, singola o doppia, aumenta le dimensioni della piattina sia in larghezza sia in spessore. Va quindi considerato fin dal dimensionamento della cava o della finestra, insieme alle tolleranze del conduttore isolato.
La seconda riguarda le piegature. La fibra di vetro ha una buona resistenza alla trazione ma tollera meno le deformazioni concentrate. Raggi di curvatura troppo stretti, piegature di costa accentuate o tensionamenti eccessivi possono danneggiare il filato, specialmente sugli spigoli della piattina. Per questo i raggi degli spigoli del conduttore devono essere controllati e uniformi, e il processo di avvolgimento va regolato in modo da evitare strisciamenti contro guide e utensili.
Una terza attenzione riguarda le estremità e le giunzioni. Nei punti di taglio il vetro tende a sfilacciarsi. Per brasature, saldature o connessioni la ricopertura va rimossa in modo pulito, senza intaccare il rame e senza lasciare residui che compromettano la qualità del collegamento. La lavorazione delle fibre di vetro richiede anche le normali precauzioni per la sicurezza degli operatori, come l’uso di guanti e il controllo delle polveri nelle zone di taglio e spelatura.
C’è infine il processo di impregnazione. La compatibilità tra vernici leganti della ricopertura, vernice o resina di impregnazione e ciclo di polimerizzazione va verificata in fase di progetto, perché è da questa combinazione che dipendono la compattezza finale dell’avvolgimento e la sua classe termica effettiva. Anche la scelta del materiale conduttore influisce sul risultato: rame e alluminio hanno comportamenti diversi in piega e nelle giunzioni, come emerge dal confronto tra piattine in rame e alluminio negli avvolgimenti industriali.
Controlli qualità sulla ricopertura
L’efficacia di una ricopertura in fibra di vetro dipende dalla sua uniformità. Un filato applicato in modo irregolare, con zone più sottili o scoperte, crea esattamente quei punti deboli che il rinforzo dovrebbe eliminare. Per questo i controlli sulla ricopertura sono parte integrante della qualità del conduttore.
I controlli dimensionali sono il primo passo. Spessore e larghezza della piattina isolata devono rientrare nelle tolleranze previste, perché anche piccoli scostamenti, moltiplicati per il numero di spire, alterano le dimensioni finali dell’avvolgimento. A questi si aggiunge l’esame visivo della superficie, che deve essere continua, senza sfilacciature, accumuli o tratti di conduttore scoperti.
Le verifiche meccaniche valutano invece il comportamento della ricopertura in condizioni simili a quelle di lavorazione: aderenza al conduttore, tenuta in piega e resistenza all’abrasione. Una ricopertura che si stacca o si apre durante la piegatura non protegge lo smalto proprio nel momento in cui serve di più. Le prove elettriche, come la verifica della tensione di scarica dell’isolamento, completano il quadro. I metodi di prova per i conduttori per avvolgimenti sono definiti dalle norme della serie IEC 60851, mentre i requisiti specifici dipendono dalla norma di prodotto di riferimento.
Accanto alle prove sul prodotto conta l’organizzazione del sistema qualità che governa la produzione. L.Pi.Emme ha un sistema certificato ISO 9001 dal 2019, a garanzia di processi produttivi documentati e controllati.
Piattine ricoperte con vetro L.Pi.Emme
L.Pi.Emme lavora da oltre 25 anni nella fornitura e produzione di conduttori per avvolgimenti elettrici e nel tempo ha investito per ampliare le lavorazioni disponibili. Oltre alle piattine smaltate, l’azienda può rinforzarle meccanicamente con l’applicazione di fibre di vetro DAGLAS. Dal 2022 dispone inoltre di una macchina per rivestire fili tondi con nastri e fibra di vetro a partire da 0,8 mm. L’evoluzione degli impianti è raccontata nella pagina Chi siamo.
Le piattine in rame smaltate e/o ricoperte con vetro di L.Pi.Emme hanno queste caratteristiche:
- conduttore in rame a sezione rettangolare, con sezioni fino a 100 mm²;
- ricopertura in vetro singola o doppia, per protezione meccanica;
- classe termica 200 °C;
- norme di riferimento IEC 60317-29, IEC 60317-60 e IEC 60317-61, NEMA MW 36-C, 42-C e 52-C;
- applicazioni in generatori, motori in corrente continua e motori di media tensione.
Per progetti che richiedono combinazioni diverse, ad esempio vetro abbinato ad altri nastri o materiali non standard, l’azienda realizza ricoperture speciali su specifica del cliente e mette a disposizione i propri macchinari da laboratorio per sviluppare progetti di isolamento particolari. Una gamma di conduttori per avvolgimenti elettrici che consente di trovare con un unico interlocutore la soluzione adatta a ogni macchina.
Devi scegliere la piattina giusta per il tuo avvolgimento? Materiale del conduttore, sezione e tipo di ricopertura vanno definiti insieme al processo con cui la bobina verrà formata, avvolta e impregnata. Contatta L.Pi.Emme per ricevere supporto tecnico: analizzeremo con te le caratteristiche del progetto per individuare la configurazione più adatta alla tua lavorazione.
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