L’energia eolica è diventata una pietra angolare del mix globale di energie rinnovabili, con turbine che raggiungono capacità multi-megawatt e diametri dei rotori che superano i 150 metri. All’interno di ogni gondola di una turbina eolica si trova un generatore, spesso un generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG) o un generatore sincrono a magnete permanente a trasmissione diretta, il cui statore è un monumento dell’ingegneria elettromeccanica. L'avvolgimento dello statore per questi enormi generatori rappresenta una sfida produttiva formidabile, che richiede avvolgitori statorici per carichi pesanti in grado di gestire conduttori in rame di grande sezione trasversale, pile di nuclei di diverse tonnellate e i massimi standard di affidabilità. Questo articolo approfondisce il mondo delle apparecchiature per l'avvolgimento dello statore delle turbine eoliche e come garantisce che questi giganti dell'energia verde funzionino perfettamente per decenni.

A differenza dei piccoli motori, gli statori dei generatori eolici utilizzano bobine formate o barre Roebel costituite da più fili di conduttore di rame rettangolare, isolati con nastri a base di mica e sistemi di resina. Tuttavia, in alcuni generatori di fascia media e DFIG, sono ancora comuni gli avvolgimenti distribuiti con avvolgimento casuale che utilizzano filo smaltato rotondo o rettangolare. L'avvolgitore statorico per queste applicazioni è un sistema a portale o a piattaforma rotante appositamente costruito che inserisce bobine preformate o le avvolge direttamente nelle fessure del nucleo.

Per l'inserimento diretto della bobina, la macchina utilizza attuatori idraulici o servoelettrici per spingere le bobine nelle fessure dello statore. I rivestimenti delle fessure e i separatori sono preinstallati e la macchina avvolgitrice guida con attenzione le gambe della bobina in posizione senza danneggiare l'isolamento. Vengono quindi inseriti dei cunei per fissare le bobine. Questo processo richiede un alto grado di coordinamento e controllo della forza; le moderne macchine per l'avvolgimento dello statore utilizzano trasduttori di pressione e allineamento laser per garantire che le bobine siano posizionate correttamente. Una bobina non completamente inserita provoca sacche d'aria, scariche parziali ed eventuali guasti all'isolamento: un rischio inaccettabile in una navicella a 100 metri dal suolo.

Per l'avvolgimento continuo del filo nello statore, la macchina può impiegare un grande braccio rotante che alimenta il filo mentre lo statore viene indicizzato. Poiché i nuclei possono pesare diverse tonnellate, l'avvolgitore dello statore deve avere una base massiccia e rigida e cuscinetti di precisione in grado di ruotare agevolmente il pezzo. La tensione di avvolgimento per il filo di grosso spessore deve essere sufficientemente elevata da produrre una bobina densa ma controllata con precisione per evitare sollecitazioni dell'isolamento.

I generatori di turbine eoliche funzionano a media tensione (tipicamente da 690 V a 3300 V) e i sistemi collegati alla rete sono soggetti a picchi di tensione dovuti alla commutazione del convertitore e ai fulmini. Il ruolo dell'avvolgitore dello statore nel preservare l'integrità dell'isolamento non può essere sopravvalutato. Durante tutto il processo di avvolgimento, è necessario evitare qualsiasi scheggiatura, abrasione o piega nell'isolamento della spira. Alcune macchine sono dotate di monitoraggio continuo dell'isolamento, applicando un test CC a bassa tensione durante l'avvolgimento per rilevare eventuali rotture nel momento in cui si verificano. Se viene rilevato un guasto, la macchina si ferma immediatamente, consentendo all'operatore avvolgitore di riparare l'isolamento prima che la bobina sia completamente inserita.

Anche la formazione degli avvolgimenti terminali e il collegamento delle bobine agli anelli di supporto sono fasi critiche. Le moderne macchine avvolgitrici integrano stazioni di allacciatura automatizzate che utilizzano cavi in ​​poliestere o fibra di vetro per legare saldamente le estensioni della bobina, impedendo il movimento causato dalle forze elettromagnetiche durante il funzionamento del generatore. Queste forze possono essere enormi durante i guasti della rete, quindi lo schema di allacciatura e la tensione sono attentamente controllati.

Nelle applicazioni eoliche offshore, i generatori PM a trasmissione diretta sono preferiti per la loro ridotta manutenzione, poiché eliminano il riduttore. I loro statori hanno un diametro molto grande (diversi metri) e un elevato numero di poli. L'avvolgimento dello statore per un generatore PM a trasmissione diretta spesso comporta l'avvolgimento di singoli denti segmentati utilizzando una macchina avvolgitrice ad aghi e quindi l'assemblaggio dei denti in un anello. Questo approccio segmentato consente un elevato riempimento delle fessure e una gestione più semplice. L'avvolgitore statorico utilizzato per ciascun segmento è un avvolgitore ad ago specializzato che può ospitare una lunghezza del dente di oltre un metro, con una guida del filo che si telescopica e si ritrae con precisione. La macchina garantisce che ogni dente massiccio riceva lo stesso posizionamento dell'avvolgimento, che è fondamentale per l'equilibrio magnetico del generatore.

L'avvolgimento manuale di bobine statoriche di grandi dimensioni è ergonomicamente pericoloso e incoerente. Gli avvolgitori di statori per carichi pesanti automatizzano le attività fisicamente più impegnative, come il sollevamento e l'inserimento di bobine, il taglio dell'isolamento e l'applicazione di cunei. I robot collaborativi (cobot) lavorano sempre più spesso insieme a queste macchine, gestendo compiti come la guida dei fili e la movimentazione dei materiali. I sistemi di controllo della macchina includono interblocchi di sicurezza e barriere fotoelettriche per proteggere gli operatori dalle parti in movimento, soddisfacendo i rigorosi standard di sicurezza della produzione industriale.

L'avvolgitore statorico per carichi pesanti per generatori eolici unisce forza bruta e delicata precisione. Gestisce in modo affidabile massicci conduttori in rame, salvaguarda l'isolamento ad alta tensione e contribuisce al funzionamento impeccabile delle turbine eoliche che devono generare energia per 20 anni o più con un intervento minimo. Mentre l’energia eolica continua la sua crescita esponenziale, le macchine che avvolgono il cuore di questi generatori rimarranno un anello fondamentale nella catena energetica sostenibile, garantendo che la promessa di energia pulita venga mantenuta ad ogni rotazione delle pale.