Tesi Motori termici per la trazione

Il motore elettrico

Zuccalà Matteo

CFP Galdus

III Operatore elettrico

Relatore: Prof. Revelli Franco

Anno scolastico 2017-2018

Sommario

• 1. Perché ho scelto questo argomento per la mia tesina pag. 3
• 2. Definizione di motore elettrico pag. 3
• 3. Cenni storici pag. 3
• 4. Cenni sull’elettromagnetismo pag. 11
• 4.1 Forza di Lorenz pag. 11
• 4.2 Magneti permanenti ed Elettromagneti pag. 12
• 5. Tipi di motore elettrico pag. 13
• 6. Parti principali di un motore elettrico pag. 14
• 6.1 Lo statore pag. 14
• 6.2 Il rotore pag. 16
• 7. La tensione continua pag. 18
• 8. Motori a corrente continua pag. 18
• 8.1 Motore DC a spazzole pag. 19
• 8.1.1 Principio di funzionamento pag. 20
• 8.1.2 Come è fatto un motore in DC pag. 21
• 8.1.3 Applicazioni pag. 26
• 8.1.4 Vantaggi pag. 26
• 8.1.5 Svantaggi dei motori DC pag. 27
• 8.2 Motore DC senza spazzole (Brushless) pag. 28
• 8.2.1 Principio di funzionamento pag. 28
• 8.2.2 Come è fatto un motore DC Brushless pag. 31
• 8.2.3 Applicazioni pag. 33
• 8.2.4 Vantaggi pag. 34
• 8.2.5 Svantaggi pag. 34
• 9. La tensione alternata sinusoidale pag. 35
• 10. Motori in corrente alternata (AC) pag. 39
• 10.1 Motore AC a spazzole (motore Universale) pag. 39
• 10.1.1 Principio di funzionamento pag. 39
• 10.1.2 Come è fatto un motore Universale pag. 40
• 10.1.3 Applicazioni pag. 41
• 10.1.4 Vantaggi e svantaggi pag. 41
• 10.2 Il motore Sincrono e Asincrono pag. 41
• 10.2.1 Principio di funzionamento pag. 42
• 10.2.2 Come sono fatti i motori Sincrono ed Asincrono pag. 45
• 10.2.3 Il rotore del motore Asincrono pag. 46
• 10.2.4 Il rotore del motore Sincrono pag. 48
• 10.2.5 Collegamenti elettrici (sistema trifase) pag. 49
• 10.2.6 Motori asincroni monofase pag. 52
• 10.2.7 Applicazioni pag. 53
• 10.2.8 Vantaggi e svantaggi pag. 53
• 11. Motori passo-passo (Stepper Motor) pag. 54
• 11.1 Costituzione e principio di funzionamento pag. 55
• 11.1.1 Motori bipolari e unipolari pag. 59
• 11.2 Motore passo-passo Ibrido pag. 61
• 11.2.1 Principio di funzionamento pag. 64
• 11.3 Applicazioni pag. 67
• 11.4 Vantaggi pag. 67
• 11.5 Svantaggi pag. 68
• 12. Bibliografia pag. 69

– –Fotografia di copertina IME Industria Motori Elettrici Motore Brushless PMSM 106,5

1. Perché ho scelto questo argomento per la mia tesi

Parecchi oggetti che fanno parte della nostra vita quotidiana, contengono al proprio interno motori elettrici, basti pensare ad un semplice asciugacapelli ad un ventilatore o ad una lavatrice, per poi passare a macchine più complesse come un treno una nave o, alla stessa automobile, che oggi più che mai, sta subendo una vera trasformazione che probabilmente porterà alla sostituzione dei motori a scoppio (che producono scarichi tossici per l’ambiente e che inevitabilmente porteranno all’esaurimento delle risorse combustibili come il petrolio).

È quindi nata in me la curiosità di ricercare informazioni più dettagliate sul mondo dei motori elettrici, per cercare di capire come funzionano e perché li utilizziamo.

2. Definizione di motore elettrico

Con il termine motore elettrico si definisce una macchina elettrica in cui la potenza di ingresso è di tipo elettrico e quella di uscita è di tipo meccanico, assumendo così la funzione di attuatore.

Questa tipologia di macchina elettrica è fondata, analogamente a quanto accade nel generatore elettrico, sulle forze elettromagnetiche che interagiscono tra un sistema di correnti elettriche ed un campo magnetico.

3. Cenni storici

L'idea di utilizzare le azioni elettrodinamiche per produrre lavoro meccanico risale alla prima metà dell'Ottocento.

La prima macchina elettromagnetica rotante conosciuta, è stata inventata da Michael Faraday nel 1821: consisteva in un filo conduttore tenuto fermo verticalmente alla sua estremità superiore in modo che l'estremità inferiore fosse immersa in un piatto contenente mercurio.

Un magnete permanente circolare era sistemato al centro del piatto.

Quando una corrente elettrica veniva fatta scorrere nel filo, questo ruotava attorno al magnete mostrando che la corrente generava un campo magnetico attorno al filo (a destra della figura). Lo stesso accadeva al magnete mobile attorno al filo fisso (a sinistra della figura).

L'origine del concetto di elettricità prodotta mediante moto, si fa risalire al 1831, quando Michael Faraday e Joseph Henry notarono che un conduttore, spostandosi all'interno di un campo magnetico, produceva corrente elettrica.

La figura mostra una spira di forma rettangolare che ruota con velocità costante in un campo magnetico di intensità uniforme. La spira costituisce il circuito immerso nel campo magnetico. Per produrre la corrente elettrica indotta è necessario spendere dell’energia meccanica per far ruotare la spira all’interno del campo magnetico.

A causa del movimento della spira, cambia continuamente l’intensità del campo magnetico che attraversa il circuito elettrico: l’intensità è massima quando il piano della spira è perpendicolare alla direzione del campo e diminuisce durante la rotazione fino ad annullarsi quando il piano della spira è parallelo alla direzione del campo; poi riprende a crescere fino a raggiungere nuovamente il valore massimo.

Per effetto della continua variazione dell’intensità del campo magnetico che attraversa la spira si ha la formazione di una f.e.m. indotta di intensità variabile. Ogni mezzo giro il verso della corrente che circola nella spira si inverte (vedi fig.).

Ai poli di una spira che ruota in un campo magnetico con moto circolare uniforme, si ottiene una tensione alternata; ciò significa che le polarità della forza elettromotrice, cambiano con la stessa frequenza del moto circolare della spira ed il suo valore cambia nel tempo con l’andamento caratteristico di una curva detta sinusoide.

Ai capi della spira ci sono due anelli interi dal quale si preleva la tensione alternata.

Tra il 1860 ed i 1864 uno scienziato italiano Antonio Pacinotti costruisce il primo prototipo di un motore elettrico efficiente partendo dall’idea di costruire un generatore di corrente continua: era costituita da un anello di ferro dolce su cui erano avvolte delle bobine di filo elettrico collegate in serie tra loro in modo da formare una spirale continua avvolgente l'anello, che veniva fatto ruotare con una manovella tra i poli di un elettromagnete.

Le estremità delle bobine erano collegate a due a due, ad uno dei segmenti metallici in cui era suddiviso il collettore (un cilindro di materiale isolante calettato sull'albero di rotazione dell'anello, recante tanti segmenti conduttori quante sono le bobine dell'anello) su cui strisciava una coppia di spazzole diametralmente opposte.

Particolare dell’anello con il sistema delle spazzole. Anello con collettore.

In questo modo Pacinotti fu capace di generare una corrente quasi continua realizzando di fatto un raddrizzatore meccanico. L'apparato fu chiamato dal suo inventore macchina magneto-elettrica.

Ai capi della spira c’era un anello diviso in due semi-anelli. Questo sistema permetteva di generare una tensione continua poiché ai capi delle spazzole veniva prelevata solo la parte positiva della sinusoide. Più spire concatenate davano un andamento come da figura.

La macchina era reversibile, ossia era in grado di funzionare sia come generatore che come motore.

Nello schema sono mostrati i collegamenti elettrici degli avvolgimenti statorici e di quelli rotorici.

Quando veniva usata da generatore, dai morsetti usciva la corrente prodotta per induzione dalla rotazione dell’anello; viceversa se si poneva una differenza di potenziale ai capi dei morsetti, la macchina funzionava da motore.

Pacinotti però, non brevettò mai la sua invenzione e così fu il belga Z.T. Gramme a sfruttare industrialmente l'idea e a costruire negli anni 1870-71 numerose dinamo di dimensioni commerciali.

Tuttavia le macchine così costruite erano ancora caratterizzate da bassi rendimenti. Di importanza decisiva fu la scoperta del campo magnetico rotante che portò all’invenzione del motore asincrono.

Nell'autunno del 1885 Galileo Ferraris, fisico e ingegnere piemontese (1847-1897), tra i fondatori e primo presidente dell'Associazione Elettrotecnica Italiana, dimostrò pubblicamente che, disponendo due bobine perpendicolarmente tra loro e facendole percorrere da due correnti fortemente sfasate (quasi di 90°), si generava, nello spazio compreso tra esse, un campo magnetico rotante, che poteva essere rivelato ad esempio con il dispositivo illustrato nella fig. a.b.

Prototipo del motore bifasico di Ferraris.

a. Schema bifasico di Ferraris.

Quando le bobine sono percorse da correnti in quadratura di fase (sfasate cioè di 90°) si osserva che il cilindretto di rame sospeso tra O e O' tende a ruotare torcendo il filo di sospensione. Se il sistema di sospensione è realizzato con perni e cuscinetti si osserverà la rotazione continua del cilindretto.

Ferraris sperimentava con correnti alternate a circa 40 Hz (le inversioni della corrente erano circa 80 al secondo) cui doveva corrispondere un campo rotante a 2400 giri al minuto. Nelle sue esperienze lo scienziato ottenne velocità fino a circa 900 giri al minuto oltre le quali, a causa della primitività del sistema, non era possibile andare.

Lo sfasamento delle correnti era ottenuto inserendo una resistenza da 15 a 18 Ω sulla bobina 2BBB2', compensando la riduzione della corrente con un maggior numero di spire.

Nello stesso periodo Nicola Tesla (1856-1943), fisico e ingegnere serbo-statunitense, otteneva analoghi risultati.

Gli studi di Galileo Ferraris, contenenti anche la descrizione di un piccolo motore asincrono furono pubblicati nell'aprile del 1888 sulla rivista "Il Nuovo Cimento".

Il 1° maggio dello stesso anno Tesla otteneva il brevetto del motore asincrono.

Prototipo motore asincrono di Tesla.

A seguito dell'introduzione del sistema trifase di distribuzione dell'energia elettrica e grazie appunto alla scoperta del campo magnetico rotante, si diffuse rapidamente l'uso del motore asincrono o motore a induzione.

Nel 1892 un industriale americano George Westinghouse comprò i brevetti di Tesla e costruì il primo motore su scala commerciale.

Tuttora si tratta della macchina elettrica rotante maggiormente diffusa nel mondo.

Il campo magnetico rotante è anche alla base del funzionamento della macchina sincrona, la quale oggi è prevalentemente usata come generatore (alternatore).

Motore asincrono moderno con rotore a gabbia di scoiattolo.

4. Cenni sull’elettromagnetismo

Prima di cominciare il nostro viaggio nel mondo dei motori, è bene fare qualche richiamo su alcuni principi dell’elettromagnetismo.

4.1 Forza di Lorenz

“Un conduttore di lunghezza l, percorso da una corrente I e collocato in un campo magnetico con vettore induzione B, è soggetto ad una forza F che ha direzione perpendicolare al piano formato da B ed I”.

F = B I l

L’intensità della forza dipende dall’intensità della corrente, dall’angolo formato dalla direzione della corrente stessa e dal campo magnetico: la forza è massima quando queste variabili sono perpendicolari ed è nulla quando sono parallele.

Infine, è importante sottolineare che la forza che muove il filo non agisce sul conduttore in quanto corpo materiale: la forza magnetica si esercita sulle cariche elettriche in movimento dentro il conduttore.

Il verso della forza si può determinare con la regola della mano sinistra.

Quando il dito indice indica il verso del campo magnetico e il dito medio indica il verso della corrente, allora il pollice indica il verso della forza.

4.2 Magneti permanenti ed elettromagneti

Nei magneti naturali come la magnetite, con la quale sono costruite le calamite, ed nei magneti permanenti, la disposizione ordinata degli atomi magnetici, conferisce all’intero corpo le proprietà magnetiche, mentre nei materiali ferromagnetici come ferro e acciaio, la disposizione degli atomi magnetici può diventare ordinata soltanto con un intervento esterno (contatto con materiale magnetico, o al passaggio di corrente elettrica).

Magnete permanente Materiale ferromagnetico Elettromagnete Magnete naturale.

Per aumentare l’effetto magnetico prodotto dalla corrente si può avvolgere su un cilindro di ferro, un filo conduttore protetto da una guaina di materiale isolante per evitare il corto circuito: si ottiene così una bobina (o solenoide).

Quando le spire del circuito sono percorse da corrente elettrica avviene l’allineamento degli atomi magnetici e nella bobina si crea un campo magnetico uniforme facendo così diventare le estremità del cilindro di ferro, i poli di un elettromagnete.

Nel magnete naturale se vogliamo aumentare la forza magnetica, possiamo soltanto aumentare la dimensione del magnete.

5. Tipi di motore elettrico

La divisione classica è tra motori in corrente continua (DC Direct Current) e motori in corrente alternata (AC Alternating Current). Tuttavia questa non è una classificazione estremamente precisa, poiché esistono motori costruttivamente simili ai DC che possono essere alimentati anche in AC, chiamati motori universali.

Altra distinzione può essere quella tra i motori sincroni, nei quali la frequenza di alimentazione è pari ad un multiplo della frequenza di rotazione, ed asincroni, in cui le due frequenze sono diverse.

Una categoria a parte meritano i motori passo-passo (o stepper motor dall’inglese) che fondamentalmente sono dei motori DC ma, che tramite un pilotaggio particolare basano il movimento su piccolissimi e precisi spostamenti.

6. Parti principali di un motore elettrico

Il motore elettrico, indipendentemente da come viene alimentato, è composto da una parte fissa chiamata Statore e da una parte in movimento chiamata Rotore.

In questi due componenti si generano due flussi magnetici rispettivamente il flusso statorico ed il flusso rotorico, che interagendo fra di loro, danno origine ad una coppia di forze (detto anche momento torcente in meccanica), che provoca il movimento rotatorio dell’albero motore che solitamente è solidale al Rotore.

Si ha quindi la trasformazione dall’energia elettrica in energia meccanica attraverso la rotazione dell’albero del motore.

6.1 Lo statore

Lo statore, nel motore elettrico, è l'insieme delle parti fisse.

Lo statore ha la funzione di sostenere, almeno parzialmente, la macchina e solitamente è sede degli avvolgimenti detti induttori.

Gli avvolgimenti sono realizzati con filo di rame smaltato (quindi isolato non da una guaina plastica ma, da un sottile film di vernice particolare), e alloggiati in cave appositamente ricavate in lamierini di lega acciaio-silicio, da mezzo millimetro di spessore fino a svariati millimetri, o da acciaio massiccio.

A seconda del tipo di motore e della sua costruzione, può alloggiare anche magneti permanenti a superficie liscia (solitamente nei piccoli motori DC) al posto degli avvolgimenti.

Statore a magnete permanente. Statore ad avvolgimenti.

Nel caso di statore a magneti permanenti per generare tale flusso abbiamo bisogno almeno di una coppia di magneti con polarità inversa (coppia polare N-S) disposti uno di fronte all’altro. Fra i due magneti si genera in natura, un flusso magnetico che va da Nord a Sud senza avere la necessità di essere alimentato da corrente.

Nel caso di statore costruito con avvolgimenti, il concetto non cambia molto.

L’obiettivo è sempre avere almeno una coppia polare in grado di generare il flusso magnetico statorico. In questo caso è richiesta l’alimentazione degli avvolgimenti che, attraversati da corrente, produrranno tale flusso creando in tal modo un elettromagnete.

Statore avvolto con una coppia polare. Statore avvolto con più coppie polari.

6.2 Il rotore

Il rotore nei motori elettrici definito anche indotto, è l'insieme delle parti rotanti.

Il tipo di rotore cambia a seconda del tipo di motore elettrico.

Il movimento avrà luogo in funzione della velocità angolare, della coppia motrice e della coppia resistiva data dal carico, ed il tutto sarà influenzato anche dagli attriti.

L'indotto dei motori DC può essere:

• A magneti permanenti: Sistema utilizzato dal motore senza spazzole (brushless) e dal motore passo-passo. Rotore a magneti permanenti a 4 poli. Rotore a magneti permanenti a 8 poli. Rotore di uno motore passo-passo.
• Avvolto: Sistema utilizzato dalla quasi totalità dei motori in corrente continua e dai motori universali, dove le varie matasse vengono eccitate in un determinato ordine tramite un collettore a spazzole. Avvolgimenti Albero Particolare del collettore Rotore avvolto collettore.

L'indotto dei motori AC monofase, bifase e trifase, a seconda del loro tipo di funzionamento, può essere:

• Avvolto con anelli di fasi, a Gabbia di Scoiattolo: Questi rotori vengono usati dai motori asincroni. Rotore a Gabbia di Scoiattolo. Rotore avvolto.
• Avvolti con anelli di eccitazione DC e a Magneti Permanenti: Questi rotori vengono usati nei motori sincroni. Rotore a magneti permanenti. Rotore avvolto con anelli.

7. La tensione continua

Si definisce tensione continua quella differenza di potenziale derivata da un generatore o da un accumulatore (pila) che non subisce variazioni nel tempo. In questo caso, infatti, la tensione elettrica assume un valore indipendente dal tempo e sempre costante.

Un circuito elettrico sottoposto ad una tensione c