Macchine elettriche in corrente continua: motori e generatori

Generalità

Può essere definita macchina un dispositivo che converta energia da una forma a un'altra. Le macchine elettriche in particolare convertono energia elettrica in energia meccanica e viceversa.

In particolare vengono definiti MOTORI ELETTRICI le macchine che convertono energia elettrica in energia meccanica: I dispositivi che invece convertono energia meccanica in energia elettrica vengono detti GENERATORI:

MOTORI

Energia Elettrica Energia Meccanica

A seconda che le macchine elettriche abbiano parti mobili o meno si ha una suddivisione in:

• Macchine elettriche rotanti
• Macchine elettriche statiche

GENERATORI

Energia Meccanica Energia Elettrica

Delle ultime fanno parte i TRASFORMATORI, che hanno la funzione di modificare l'ampiezza di tensione e corrente.

Un'ulteriore classificazione delle macchine elettriche sia ha in base alla forma dell'energia elettrica utilizzata: si avranno quindi

• Macchine in corrente continua
• Macchine elettriche in corrente alternata

Le macchine elettriche hanno la particolarità di essere reversibili, cioè una stessa macchina può funzionare sia da motore che da generatore.

I generatori in corrente continua vengono detti DINAMO, quelli in corrente alternata ALTERNATORI

Il Motore In Corrente Continua

Costituzione

È una macchina elettrica rotante in corrente continua che converte energia elettrica in energia meccanica.

È costituita principalmente da uno STATORE, che è la parte fissa della macchina e ha il compito di produrre il FLUSSO MAGNETICO necessario al suo funzionamento. È realizzato in materiale ferromagnetico (ferro, ghisa, acciaio), ed è dotato di opportune ESPANSIONI POLARI ove viene prodotto il campo magnetico.

Lo statore ha la forma di un cilindro cavo ed è fornito di un basamento o di piedi che lo fissano a terra.

B N S ESPANSIONI POLARI

Le macchine elettriche possono possedere anche più coppie polari.

Macchine di piccola potenza producono il flusso magnetico mediante magneti permanenti posizionati in corrispondenza delle espansioni polari.

Per macchine di potenza superiore invece il flusso magnetico viene generato mediante una corrente di eccitazione che percorre appositi avvolgimenti detti appunto AVVOLGIMENTI DI ECCITAZIONE, posizionati intorno alle espansioni polari.

B 5 B N B 5 2Il ROTORE è costituito da un cilindro di materiale ferromagnetico posizionato all'interno dello statore, ed è libero di ruotare intorno al proprio asse.

Sul rotore sono allocati, in apposite cave gli avvolgimenti di armatura, detti anche avvolgimento di indotto, ai capi dei quali, con rotore in movimento, si genera una forza elettromotrice.

La parte in aria tra statore e rotore viene definita TRAFERRO, in questa zona il campo magnetico ha la maggiore intensità.

Montato sullo stesso albero del rotore si ha il COLLETTORE. Questo ha lo scopo di fornire agli avvolgimenti la tensione di alimentazione e fare si che la coppia generata dalla corrente che il attraversa sia costante o quantomeno unidirezionale.

CAVE AVVOLGIMENTI DI INDOTTO LAMELLE ISOLANTE

Il collettore è costituito da lamelle in rame, disposte a formare un cilindro, in collegamento elettrico con i conduttori che costituiscono gli avvolgimenti di armatura. Le lamelle sono isolate tra loro mediante un dielettrico, solitamente mica.

Le spazzole strisciano sul collettore sul collettore e lo collegano elettricamente ai terminali esterni della macchina. Sono realizzate in materiale conduttore più tenero del collettore, 3solitamente grafite, in modo che col tempo siano queste ad usurarsi in quanto la loro sostituzione risulta più semplice ed economica che un intervento sul collettore.

I Colletore

8 SPAZZOLE

Data la presenza di parti in contatto diretto il sistema spazzole-collettore è la parte più delicata della machina.

Nella figura seguente è rappresentato lo schema completo di una macchina in corrente continua.

Avvolgimenti induttori Rotore (Indotto) Statore (Induttore) S N Cassa statorica Albero meccanico Collettore Spazzola

Circuito magnetico di statore

Il numero di coppie polari viene definito con la lettera p.

Quindi una macchina con una coppia polare avrà due poli, con due coppie polari quattro poli ecc.

L'asse neutro individua il piano che taglia longitudinalmente la macchina e in cui si ha induzione magnetica nulla.

Viene detta passo polare t la distanza angolare tra i poli della macchina 4360° T = 2 . p N + 0 Asse neutro S @ Asse neutro e Asse neutro N S S N Passo polare r 1 b)

L'andamento dell'induzione al traferro per le due macchine è rappresentato nelle figure seguenti, dove si assume di percorrerlo in senso orario a partire dal punto O. Si considera positiva l'induzione entrante nel rotore, negativa quella uscente.

Si può osservare come, in corrispondenza delle espansioni polari, l'induzione magnetica B si possa considerare costante

B T Passo polare 180° 360° a) B Passo polare /180° 360º b)

Sistema spazzole collettore

Per comprendere il funzionamento del motore è bene partire dalla forza di Lorentz.

5B 5 N I F

Un conduttore immerso in un campo magnetico B, e percorso da una corrente I é sottoposto ad una forza

F = B.l . I

dove B è l'induzione magnetica l è la lunghezza del conduttore I è la corrente

Il verso della forza si determina attraverso la regola della mano sinistra.

B I

Se al posto del conduttore rettilineo si considera una spira, sui suoi lati opposti agiranno due forze uguali ed opposte che daranno luogo ad una coppia.

S F B 1 A 1 B C B I N ICI 1 C- D F I B 1 6 IPROBLEMA 1 F

Supponendo la corrente entrante dal lato destro della spira, e quindi uscente dal quello sinistro, sulla spira in esempio agirà una coppia di forze tale da farla ruotare in senso orario.

quando la spira si trova a 90°, alle due forze F non corrisponde più alcuna coppia in quanto agiscono sulla stessa retta ( non c'è braccio).

Al massimo la spira continua a ruotare per inerzia

B 4 -17 Fr F Fd 3,

Se la spira supera i 90° addirittura si ha una coppia che tende a farla ruotare in direzione opposta.

( la forza agente sul singolo conduttore (F) è stata scomposta in due direzioni: una tende a "dilatare" la spira (Fd) e l'altra a farla ruotare (Fr)

Soluzione: Anello di Pacinotti

Anziché alimentare le la spira in maniera statica, cioè con la corrente che entra sempre con lo stesso verso su un lato della spira. Pacinotti elabora un'alimentazione mediante un anello diviso in due metà, ai capi delle quali arriva la tensione di alimentazione, e dei contatti striscianti collegati alla spira.

FP + i colori blu e rosso rappresentano uno stesso lato della spira 1 1 A Anello Contatto Strisciante

Come si può notare nella spira disegnata a destra dopo mezzo giro, sui suoi lati agiscono forze tali da mantenere costante la direzione di rotazione.

In sintesi si può notare come dopo una rotazione di 180° la coppia agente sulla spira sia concorde con quella iniziale

a questa base si ha l'evoluzione del motore in corrente continua:

• Anziché una spira si usano degli avvolgimenti per ottenere coppie più elevate
• Gli avvolgimenti sono solidali con il rotore
• Si usano diversi avvolgimenti in modo da ottenere su ciascuno la coppia massima e ottenere una coppia pressochè costante sul rotore
• L'alimentazione viene fornita ai contatti striscianti e non ai semianelli
• Gli anelli vengono suddivisi in tanti settori (collettore) ognuno dei quali collegato ad un capo di un avvolgimento

Coppia nel motore in CC

Le due forze nel disegno precedente danno luogo a una coppia

C = F .2r = B.l . I .2.r

dove r è il raggio del rotore, I la lunghezza dei conduttori "esposti" al campo magnetico.

In definitiva si arriva all'espressione

C = KT.P.I

dove : KT è una costante che dipende dai parametri costruttivi della macchina (lunghezza, diametro, numero di poli, tipo di avvolgimenti ed altri) ¢ è il flusso di eccitazione (costante nei motori a magneti permanenti) I è la corrente di armatura, ossia quella che percorre gli avvolgimenti di rotore

Nell'ipotesi di flusso costante, la formula diventa

C=KM . I

La costante elettrica KM si misura in Nm/A.

Forza Elettromotrice indotta

Quando il rotore è in movimento in conduttori sono sottoposti ad un flusso magnetico che varia nel tempo. In base alla legge di Faraday-Neumann-Lenz si genera ai loro capi una forza elettromotrice. Con una serie di passaggi si può giungere alla seguente espressione che permette di determinare la tensione ai capi degli avvolgimenti di rotore:

E= KA.0 .00

¢ è il flusso di eccitazione (costante nei motori a magneti permanenti) w è la velocità angolare del rotore

Nell'ipotesi di flusso costante, la formula diventa

E= KE . W

La costante elettrica KE dipende dal flusso magnetico e dal numero di spire dell'avvolgimento. E' un parametro fondamentale della macchina a corrente continua e si misura in V s/rad; in esso sono dunque raggruppate tutte le costanti costruttive della macchina.

OSSERVAZIONI

KM è analoga a quanto detto precedentemente per KE, hanno addirittura lo stesso valore (ma diverso nome perché hanno diverse unità di misura); se si trascurano le perdite nel ferro si ha KM=KE le due costanti hanno una denominazione diversa solo per il fatto che che si misurano in unità diverse:KE in (V s/rad) mentre KM in (N m/A) KM viene detta costante meccanica.

Le funzioni del rotore e dello statore, possono essere invertite, mettendo i magneti sul rotore e l'armatura sullo statore, come avviene nel caso del motore brushless.

I motori a magneti permanenti sono molto usati nelle applicazioni di bassa potenza (piccoli elettrodomestici) e la loro coppia massima è comunemente limitata al 150% della coppia nominale, per impedire la smagnetizzazione dei magneti permanenti.

I motori ad eccitazione parallelo sono quelli più usati negli azionamenti a velocità variabile per la ottima regolazione di velocità ottenibile e la facilità di invertire sia velocità che coppia.

I motori ad eccitazione in serie sono adatti per azionamenti che richiedono alte coppie di spunto e frequenti sovraccarichi e in cui però la coppia resistente non scende mai a valori così bassi da determinare velocità eccessive (trazione elettrica e impianti di sollevamento di carichi pesanti).

Utilizzare le configurazioni eccitazione serie ed eccitazione parallelo comporta il vantaggio di poter alimentare induttore ed indotto da una sola sorgente di alimentazione.

Il dispositivo appena descritto, viene chiamato, motore ad eccitazione indipendente, in esso il campo magnetico B viene generato non da un magnete permanente (calamita) ma da un elettromagnete .

L'intero sistema può essere schematizzato come: 10