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MATTEO ZUCCALA’
CFP GALDUS
III OPERATORE ELETTRICO
Relatore: Prof. Revelli Franco
Anno scolastico 2017-2018
IL MOTORE ELETTRICO
1
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
2
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
3
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.
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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
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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
6
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.
Anello con collettore
Particolare dell’anello con il sistema delle spazzole.
7
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.
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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.
a. Schema bifasico di Ferraris
b. Prototipo del motore bifasico di Ferraris
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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
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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 è 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).
Motere asincrono moderno con rotore a gabbia di scoiattolo
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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.
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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
Magnete naturale
Elettromagnete
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.
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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 distinzioni 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.
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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.
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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 ad avvolgimenti
Statore a magnete permanente
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’obbiettivo 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
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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.
Rotore avvolto
Particolare del Collettore collettore
Avvolgimenti
Albero
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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 avvolto
Rotore a Gabbia di Scoiattolo
Avvolti con anelli di eccitazione DC e a Magneti Permanenti:
Questi rotori vengono usati nei motori sincroni.
Rotore avvolto con anelli
Rotore a magneti permanenti
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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 continua è attraversato
da una corrente continua, anch'essa indipendente dal tempo.
8. Motori in corrente continua
Sono a corrente continua numerosi motori di piccola potenza per usi domestici,
ma anche motori per trazione ferroviaria e marina della potenza di molte centinaia
di kW.
Tutte le macchine DC (a magneti permanenti e non) hanno un comportamento
reversibile: possono comportarsi sia da motori che da generatori (vedi la comune
dinamo per le biciclette).
Si dividono in due categorie, i motori con le spazzole e i motori senza spazzole
detti brushless.
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Piccolo motore DC
Alcuni motori DC
Costruzione dello statore di una macchina
DC da 1500 KW
Avvolgimenti di rotore di una macchina
DC da 1500 KW
8.1 Motore DC a spazzole
È un motore elettrico a corrente continua avente il rotore ad avvolgimenti e lo
statore a magneti permanenti (piccoli motori) o ad avvolgimenti (motori con
potenze elevate).
Poiché il rotore è del tipo avvolto, sull’albero del rotore vengono posti dei contatti
striscianti costituiti dal sistema spazzole – collettore in modo da poter alimentare
gli avvolgimenti che produrranno quindi il flusso magnetico rotorico. La
commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti del rotore, e quindi la
variazione dell'orientamento del campo magnetico rotorico, avviene
meccanicamente.
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Schema di base di un motore DC
a spazzole.
8.1.1 Principio di funzionamento
In questa immagine è illustrato il
momento in cui la corrente scorre
nella spira, quindi secondo la legge
di Lorenz sulla spira si creerà una
coppia di forze dovuta al passaggio
di corrente in un campo
magnetico, questa coppia di forze
fa ruotare la spira finché non si
allinea con il campo magnetico.
Quindi nella seconda fase la spira
continua il suo moto per arrivare
all’allineamento.
21
Nella terza fase avviene
l’allineamento della spira con il
campo magnetico, quindi
teoricamente il motore si dovrebbe
fermare, però l’alimentazione è
collegata, tramite delle spazzole, ad
un commutatore (semianello) che in
questa fase, come in quella opposta,
inverte il senso della corrente nelle
spire, quindi per la regola delle tre
dita, le spire dovranno allinearsi al
campo e il moto continua.
Grazie al semianello è possibile l’inversione del senso della corrente ad ogni
mezzo giro, che percorrendo la spira in verso contrario modificava il verso del
campo magnetico generato dalla spira stessa consentendo di fatto la
continuazione del moto nella stessa direzione.
8.1.2 Come è fatto un motore in DC
Il motore in DC è costituito principalmente da uno statore, che è la parte fissa
della macchina, e da un rotore che è la parte in movimento.
Lo statore 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 dove viene prodotto il campo magnetico.
Lo statore ha la forma di un cilindro cavo e nei motori di grosse dimensioni è
dotato di un basamento o di piedi che lo fissano a terra.
I motori elettrici possono avere anche più espansioni polari.
22
Motori 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.
Motore con statore a magneti permanenti
Motore con statore ad avvolgimenti
Il 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 alloggiati, 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.
23
Montato sullo stesso albero del rotore si ha il collettore che ha lo scopo di fornire
agli avvolgimenti la tensione di alimentazione e fare si che la coppia generata
dalla corrente che li attraversa, sia costante o quantomeno unidirezionale.
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 e lo collegano elettricamente ai terminali
esterni della macchina. Sono realizzate in materiale conduttore più tenero del
collettore, solitamente grafite, in modo che col tempo siano queste ad usurarsi in
quanto la loro sostituzione risulta più semplice ed economica di un intervento sul
collettore.
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Una coppia di spazzole in grafite
La parte in aria tra statore e rotore viene definita traferro, in questa zona il
campo magnetico ha la maggiore intensità.
Nella figura seguente è rappresentato lo schema completo di una macchina in
corrente continua con statore avvolto.
Il circuito magnetico di statore è formato da espansioni di coppie polari (P).
Una macchina con una coppia polare avrà due poli, mentre una con due coppie
polari avrà quattro poli ecc.
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L’asse neutro individua il piano che taglia longitudinalmente la macchina e in cui
si ha induzione magnetica nulla.
Viene detta passo polare τ(tao), la distanza angolare tra i poli della macchina.
Per i motori con statore avvolto, esistono principalmente due possibili
collegamenti elettrici a secondo del lavoro che vogliamo fare compiere al motore:
Collegamento in parallelo (shunt)
Gli avvolgimenti dello statore e del rotore sono collegati in parallelo. Si avrà una
coppia maggiore ma minore velocità.
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Collegamento in serie (series)
Gli avvolgimenti di statore e di rotore sono collegati in serie. Si avrà una coppia
inferiore ma maggiore velocità.
8.1.3 Applicazioni
I motori a corrente continua, anche se la tendenza attuale è passare a quelli in
corrente alternata, sono ancora molto diffusi nelle applicazioni in cui è richiesta la
regolazione della velocità come nei robot industriali, nelle apparecchiature di
processo e nelle macchine utensili; vengono anche usati in campo automobilistico
(per il comando di vari accessori come tergicristalli, finestrini, ventilatori,
impianto di climatizzazione, ecc.), nella trazione a filo (funivie seggiovie, skilift)
e nella trazione ferroviaria.
8.1.4 Vantaggi
La velocità di rotazione dipende dalla tensione applicata, dalla corrente assorbita
dal rotore e naturalmente dal carico applicato all’albero.
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La coppia generata è proporzionale alla corrente ed il controllo di velocità più
semplice agisce sulla tensione d’alimentazione: aumentando o diminuendo la
tensione il motore va più piano o più veloce. L’inversione della rotazione si
ottiene semplicemente invertendo le polarità dell’alimentazione.
La coppia è inversamente proporzionale alla frequenza meccanica; ciò è molto
utile per la trazione in quanto il massimo spunto si ha con veicolo fermo, inoltre il
sistema tende da solo alla autoregolazione sulla velocità.
Riassumendo si può affermare che il motore DC ha tutte le funzioni necessarie
per un mezzo mobile: oltre alla funzione di motore, nelle macchine ibride, può
recuperare l'energia funzionando da dinamo quando serve l'azione frenante o
agire semplicemente da freno.
8.1.5 Svantaggi dei motori DC
Il punto debole di questo tipo di motore è l’accoppiamento spazzola collettore.
Non si possono raggiungere velocità elevate (tra i 3000 e i 4500 RPM) poiché
questo implicherebbe una pressione esagerata delle spazzole sul collettore per
mantenere il contatto elettrico, che provocherebbe forti attriti riducendo
l’efficacia del motore stesso
Le spazzole vanno periodicamente sostituite per evitare di rovinare il collettore
soprattutto in apparecchi come trapani, smerigliatrici e avvitatori. Sostituire le
spazzole in motori piccoli, di solito, è un’operazione abbastanza semplice, mentre
sostituire il collettore del rotore è molto più costoso e di solito non conveniente.
Le spazzole strisciando sul collettore provocano scintillio generando disturbi
elettrici nell’ambiente circostante ed inoltre non è indicato l’uso di queste
macchine in ambienti dove vengono utilizzate sostanze infiammabili.
Nei motori di grossa potenza, il peso degli avvolgimenti rotorici influisce sul
momento di inerzia e provoca anche surriscaldamenti che possono influire sul
campo magnetico stesso rendendolo meno efficiente.
28
8.2 Motore DC senza spazzole (Brushless)
Il motore brushless (senza spazzole) è un motore elettrico a corrente continua
avente il rotore a magneti permanenti e lo statore a campo magnetico rotante.
A differenza di un motore a spazzole, non ha bisogno di contatti elettrici
striscianti (spazzole) sull'albero del rotore poiché la presenza di magneti genera
autonomamente il campo magnetico rotorico.
La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti dello statore, e
quindi la variazione dell'orientamento del campo magnetico da essi generato, non
avviene meccanicamente ma elettronicamente.
8.2.1 Principio di funzionamento
Il motore brushless si basa sulle forze di interazione fra magnete permanente ed
elettromagnete, sfruttando il basilare concetto che due poli dello stesso segno
(N-N o S-S) si respingono mentre due poli di segno diverso (N-S o S-N) si
attraggono.
Sul rotore vengono disposte coppie polari a magneti permanenti, mentre sullo
statore vengono posti gli avvolgimenti in modo da costruire delle coppie polari
(almeno due); nel nostro esempio sono tre (a, b e c).
Schema del Rotore
Schema dello statore
Gli avvolgimenti vengono alimentati ad uno ad uno con una certa sequenza,
tramite un dispositivo chiamato inverter.
29
Fig.1
Fig.2
Fig.3
Se noi alimentiamo opportunamente l’avvolgimento “a” (fig.1), si creerà un
elettromagnete con polarità N-S che provocherà l’attrazione dei poli opposti dei
magneti presenti sul rotore, facendo compiere al rotore stesso una rotazione fino
all’allineamento con l’avvolgimento eccitato.
Se noi spegniamo l’avvolgimento “a” ed eccitiamo l’avvolgimento “b” (fig.2), il
rotore si porterà verso l’avvolgimento eccitato compiendo ancora una rotazione
fino all’allineamento con l’avvolgimento eccitato.
La cosa si ripeterà spegnendo l’avvolgimento “b” ed eccitando l’avvolgimento
“c” (fig.3).
Fin qui però il rotore non ha ancora compiuto un giro completo.
Fig.4
Fig.5
Fig.6
Per fare compiere al rotore l’intera rotazione, oltre ad eccitare i singoli
avvolgimenti, dobbiamo invertire le correnti, in modo da invertire le polarità
degli stessi da N a S o viceversa (figure 4, 5 e 6).
30
In pratica il rotore, segue il movimento del campo magnetico rotante, generato
dallo statore, ma anche lo statore deve conoscere sempre la posizione del rotore
per poter eccitare correttamente gli avvolgimenti, in modo da dare al motore
velocità e coppia costante. Vengono così inseriti nel motore degli appositi sensori
in grado di rilevare la posizione del rotore. Questi sensori possono essere interni
(sensori ad effetto Hall), oppure esterni (encoder) montati direttamente sull’albero
del motore e successivamente letti tramite dei sensori ottici.
Tre sensori Hall inseriti tra avvolgimenti
e rotore.
Encoder con sensore.
L’inverter oltre ad alimentare gli avvolgimenti dello statore, si occupa del
controllo della velocità del motore aumentando o diminuendo la frequenza di
eccitazione degli elettromagneti, mentre invertendo la sequenza si invertirà anche
il senso di rotazione del motore.
schema
funzionale di
pilotaggio di un
motore
brushless.
31
8.2.2 Come è fatto un motore DC Brushless
Il motore è composto da uno statore e da un rotore.
Nei motori di piccola potenza il rotore può essere esterno allo statore montato
come una coppetta rovesciata intorno allo statore.
È il caso di motorini per Floppy Driver, CD ma soprattutto delle ventoline di
raffreddamento di piccola e media potenza.
Esempio di motore BLDC
Magneti permanenti su rotore esterno
Avvolgimenti statorici
Motore di un Floppy Driver
Lo statore è sempre la parte portante e fissa del motore, ed è generalmente
costruito con lamierini impaccati ferro dolce/acciaio dove vengono ricavate le
cave o le espansioni polari sede degli avvolgimenti statorici che produrranno il
campo magnetico rotante.
Avvolgimenti di Statore
Assieme Statore - Rotore
32
Il rotore è costruito con magneti permanenti e può avere più coppie polari.
Per la sua costruzione, oltre alla magnetite, si usano materiali più performanti ma
anche più costosi come le leghe di Samario-Cobalto o Neodimio/Ferro/Boro.
Rotore in magnetite a
due coppie polari.
Rotore in magnetite a
quattro coppie polari.
Rotori a lega di
Neodimio/Ferro/Boro
A seconda del tipo di rotore che si vuole costruire e del materiale che si vuole
impiegare, i magneti possono essere disposti in diversi modi:
In periferia (fig. a) solitamente Magnetite
Incorporati (fig. b) Neodimio (il Neodimio tende ad ossidarsi)
Inseriti (fig. c) terre rare Samario-Cobalto
I sensori, che siano ad effetto Hall o Ottici, forniscono all’inverter un segnale
uguale a zero (0) o a uno (1) a seconda che vedano il passaggio del polo N o S; di
conseguenza l’inverter ecciterà gli avvolgimenti necessari alla rotazione del
motore.
33
Qui di seguito possiamo vedere una possibile configurazione schematizzata.
8.2.3 Applicazioni
Il campo di applicazione dei motori brushless è importante e in notevole crescita
anche se essenzialmente circoscritto a potenze medio-piccole (≤ 50 KW) in
quanto le macchine di grossa taglia richiedono magneti di dimensioni e costo
attualmente assai elevati. Ci sono tuttavia impieghi in applicazioni navali di tali
motori con tecnologie a superconduzione, che hanno potenze dell'ordine di MW.
Sono utilizzati per macchine utensili a controllo numerico, automazione
industriale, robotica, trazione leggera, macchine da ufficio, apparecchiature
trasportabili, attrezzature mediche e trovano impiego anche nel campo
aerospaziale. Questa tipologia di motore viene utilizzata anche nelle automobili
di Formula E con potenze di circa 200KW.
34
8.2.4 Vantaggi
Il primo sostanziale vantaggio riguarda la durata di vita del motore.
Rispetto ai tradizionali motori in corrente continua con le spazzole, presentano
vari vantaggi, dovuti essenzialmente all'assenza delle spazzole e del
commutatore, quali ad esempio:
- ridotta manutenzione (non ci sono le spazzole)
- maggiore affidabilità nel tempo
- campo di variazione della velocità più ampio (grazie all’inverter)
- assenza di limitazioni ambientali (non c’è lo scintillio provocato dal
sistema spazzole-collettore)
- maggiore rendimento (solitamente 0,98)
- più agevole dissipazione del calore, in quanto gli avvolgimenti disposti
sullo statore danno minore resistenza termica al calore da essi generati
- più elevato rapporto potenza/dimensioni grazie all’uso di magneti
permanenti in leghe di samario-cobalto o meglio, Neodimio/Ferro/Boro.
- ridotta inerzia e più elevate prestazioni dinamiche per la presenza sul rotore
di magneti permanenti e quindi di minor peso rispetto al rotore con
avvolgimenti.
- minore rumore acustico ed elettrico irradiato
8.2.5 Svantaggi
Il principale svantaggio di questo tipo di motori sta nel maggiore costo.
A differenza dei motori a spazzole, dove il controllo della velocità è realizzato da
un potenziometro o un reostato (poco efficienti, ma economici) qui viene
effettuato elettronicamente da un controller, un dispositivo elettronico fornito dal
costruttore del motore o da terze parti, che dovrà essere aggiunto al costo del
motore.
35
Inoltre i magneti permanenti con il quale viene costruito il rotore, presentano
costi più elevati rispetto ai normali avvolgimenti di un rotore per motore a
spazzole.
Prima di affrontare lo studio dei motori alimentati in corrente alternata, dobbiamo
fare qualche considerazione su cosa sia la corrente alternata e quali vantaggi
offra.
9. La tensione alternata sinusoidale
La tensione di alimentazione negli impianti civili ha un valore di 230 volt.
L'andamento non è costante (linea retta orizzontale), come nella tensione
continua, ma variabile in modo ripetitivo (periodico) e alternato (positivo-
negativo): è una tensione alternata sinusoidale.
La porzione che si ripete uguale nel tempo prende il nome di periodo, e viene
misurato in secondi.
La frequenza f, misurata in hertz (Hz), indica quante volte il periodo si ripete in
un secondo. Ad esempio in Italia il periodo della tensione di alimentazione
alternata si ripete 50 volte in un secondo, per cui la frequenza è pari a 50 Hz. In
una presa di corrente il neutro è costantemente a tensione zero. La variazione
della tensione sinusoidale risulta totalmente a carico della fase, che per metà
periodo è positiva e per l'altra metà è negativa.
36
Quando applichiamo una tensione alternata a un circuito, anche la corrente che ne
consegue ha un andamento alternato sinusoidale con la stessa frequenza, ovvero
per metà periodo scorre in un senso e per l'altra metà scorre nell'altro.
Si tenga presente che un periodo ha durata estremamente breve: 1/50 di secondo
pari a 0,02 secondi.
Sistema Trifase
Un sistema trifase è alimentato da tre fasi ovvero da tre tensioni alternate
sinusoidali. Le tre forze elettromotrici E1, E2, E3, hanno la stessa frequenza ma
sono sfasate tra loro di 120 gradi.
Esse alimentano contemporaneamente l'utilizzatore, anch'esso ovviamente di tipo
trifase.
L'uguaglianza della frequenza (legata alla velocità di rotazione antioraria dei
vettori) garantisce la costanza nel tempo dello sfasamento. In figura vediamo le
tre forze elettromotrici, rappresentate da tre vettori di uguale lunghezza, che
ruotano sfasate costantemente tra loro di 120 gradi.
Possiamo trovare le tre fasi contrassegnate con nomi diversi, ma l'importante è
indicare la giusta sequenza.
37
In bassa tensione con potenze medie e alte si utilizza il sistema trifase, mentre
con potenze basse si usa il sistema monofase.
In media e alta tensione si ha esclusivamente il sistema trifase.
In un sistema monofase abbiamo a disposizione due cavi (fase e neutro), mentre
in un sistema trifase abbiamo generalmente a disposizione quattro cavi (tre fasi e
un neutro comune).
Graficamente il potenziale del neutro è rappresentato dal punto N di applicazione
dei vettori (centro stella) e ogni fase ha una differenza di potenziale rispetto al
neutro di 230 volt (Fig. a).
Fig. a
Fig. b
38
Nel sistema trifase possiamo prelevare la tensione tra fase e neutro (230 V) e tra
fase e fase (400 V vedi Fig. b). Infatti in ogni istante le tre fasi, grazie allo
sfasamento di 120°, non hanno lo stesso potenziale.
I valori di tensione sono verificabili anche geometricamente: se, ad esempio,
consideriamo il segmento 1-N come lungo 230 unità, quello 1-2 risulterà lungo
400 unità.
Matematicamente: tensione tra fase e fase = √3 * tensione tra fase e neutro
L'alimentazione trifase offre, pertanto, due possibilità di collegamento:
A Stella: Si collegano i tre ingressi dell'utilizzatore tra fase e neutro (1-N, 2-N,
3-N), applicando così ad ognuno una tensione di 230 volt (figura a sinistra). Se le
tre fasi sono interessate dalla stessa corrente (I1 = I2 = I3), non si ha circolazione
di corrente sul neutro (IN = 0).Infatti sul neutro circola la somma delle tre
correnti, ma tre correnti uguali sfasate tra loro di 120° danno come somma un
valore nullo.
A Triangolo: Si collegano i tre ingressi dell'utilizzatore tra fase e fase (1-2, 2-3,
3-1) applicando così una tensione di 400 volt (figura a destra). Non si ha bisogno
del neutro.
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10. Motori in corrente alternata (AC)
La scoperta del campo magnetico rotante e la successiva diffusione dell’utilizzo
della corrente alternata trifase alla fine dell’800, diede inizio allo sviluppo di
motori alimentati in corrente alternata.
I motori in corrente alternata si dividono in motori a spazzole, motori asincroni e
motori sincroni. Questi tre tipi di motori si differenziano principalmente per
principio di funzionamento, costruzione e tipo di alimentazione (monofase,
trifase).
10.1 Motore AC a spazzole (motore Universale)
Il motore AC a spazzole è sostanzialmente un motore alimentato in corrente
alternata monofase ed è una variante del motore in corrente continua a spazzole.
Per questo motivo è detto anche motore universale poiché può essere alimentato
sia in DC che in AC.
10.1.1 Principio di funzionamento
In un motore DC il campo magnetico generato dallo statore è sempre
unidirezionale per effetto della corrente continua che non cambia polarità nel
tempo, e quindi per fare compiere un giro completo al rotore bisogna invertire la
polarità della corrente degli avvolgimenti rotorici ogni mezzo giro (sistema
spazzole-collettore a semianello).
Diversamente, alimentando il motore in AC, questa inversione avviene
automaticamente dato che tale corrente cambia polarità nel tempo con una
frequenza ben prestabilita, che nel nostro paese, come in tutta Europa è di 50Hz
(50 cicli al secondo).
40
L’unico possibile collegamento elettrico
fra gli avvolgimenti statorici e quelli
rotorici è di tipo serie, poiché
alimentando il motore in AC, l’inversione
di corrente e di campo magnetico fra
statore e rotore avviene in maniera
automatica garantendo così la continua
rotazione del rotore.
Nelle figure si può notare l’inversione contemporanea del campo magnetico statorico e del
campo magnetico rotorico.
10.1.2 Come è fatto un motore Universale
Lo statore di questo motore è costituito da lamierini impaccati di ferro dolce o
acciaio ed è sede degli avvolgimenti statorici realizzati con rame smaltato.
In questo tipo di motore non è possibile avere uno statore a magneti permanenti
poiché questo genererebbe un campo magnetico statorico unidirezionale.
Il rotore è del tipo avvolto e di conseguenza necessita del sistema spazzole –
collettore per alimentare gli avvolgimenti rotorici.
41
Motore universale
Statore
Rotore
10.1.3 Applicazioni
Questi motori vengono usati principalmente per utensili elettrici come trapani,
smerigliatrici, seghetti, piccoli elettrodomestici come frullatori, aspirapolvere e
per macchine che presentano un collegamento a cavo che utilizzano la classica
tensione di rete domestica raggiungendo potenze contenute nell’ordine di 2/3
KW.
10.1.4 Vantaggi e svantaggi
Sono semplici da costruire e molto compatti, sono molto economici ed è semplice
la loro manutenzione che si riduce alla sostituzione periodica delle spazzole.
Non hanno aspettative di vita elevata, spesso oltre alle spazzole si rovina il
collettore che rende antieconomica la riparazione del motore. Non raggiungono
velocità notevoli anche se, con accorgimenti particolari e nuovi materiali possono
arrivare ai 20000 giri al minuto (RPM).
10.2 Il motore Sincrono e Asincrono
Questi due tipi di motore sono molto simili anche se presentano alcune differenze
costruttive che ne determinano la diversa classificazione.
42
Entrambe i motori sfruttano il principio del campo magnetico rotante generato
normalmente da un sistema di alimentazione Trifase.
Il motore sincrono deve il suo nome al fatto che la frequenza di rotazione del
rotore è sincronizzata con la frequenza del campo magnetico rotante e della
tensione di alimentazione.
Il motore asincrono, inventato da Galileo Ferraris nel 1887, invece è un tipo di
motore in cui la frequenza di rotazione non è uguale alla frequenza del campo
rotante e di rete. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù
del suo principio di funzionamento.
10.2.1 Principio di funzionamento
Partiamo dallo statore e di come viene generato il campo magnetico rotante.
Lo statore ospita normalmente un avvolgimento trifase, i cui conduttori sono
distribuiti in modo che una terna di correnti sinusoidali, nel tempo, produca una
distribuzione spaziale di campo magnetico sinusoidale rotante.
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fase 1
Fase 2
Fase 3
43
La rotazione del campo magnetico avviene ad una velocità fissa legata alla
frequenza di alimentazione, detta velocità di sincronismo NS.
Se in questo campo rotante poniamo una spira chiusa su se stessa, per la legge di
Faraday, sulla spira verrà prodotta una corrente indotta che darà luogo a sua volta
ad un campo magnetico che cercherà di opporsi al campo magnetico rotante.
A questo punto la spira comincerà a ruotare inseguendo il campo magnetico
rotante.
La velocità di rotazione del rotore NRotore, risulterà così sempre leggermente
inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico rotante NS (dal 2 al 6%
circa) e dipenderà fortemente dal carico applicato all’albero. Questo fenomeno è
detto scorrimento (S) in inglese SLIP ed è il valore relativo dello scarto tra la
velocità del rotore e la velocità del campo magnetico rotante.
S = (NS – NRotore) / NS ed è un valore espresso in percentuale (%).
A vuoto (senza applicare nessun carico sull’albero del motore) lo scorrimento
vale 0,5% ; è grazie a questo fenomeno che il motore riesce a partire
autonomamente. Finché c’è scorrimento il motore si muove, a scorrimento nullo
il motore si ferma.
44
In conclusione il rotore girerà sempre ad una velocità leggermente inferiore della
velocità del campo rotante.
Questo appena descritto è il principio di funzionamento di un motore asincrono.
Nel motore sincrono il concetto di campo magnetico rotante è identico, ma
cambia la costruzione del rotore, che è costituito da magneti permanenti o da
avvolgimenti alimentati con una corrente continua che producono un campo
magnetico unidirezionale (sempre N-S).
In questo caso i poli del rotore vengono attratti dal campo magnetico rotante
creando delle forze di attrazione fra poli diversi (N-S) e rendendo la velocità di
rotore sincrona con la velocità del campo magnetico.
Fino a qualche anno fa, a motore fermo, l’applicazione della tensione alternata
generava un problema di avviamento: il rotore, per effetto dell’inerzia non aveva
il tempo di seguire il campo magnetico rotante, rimanendo fermo. Il motore
veniva quindi fatto partire mediante l’utilizzo di un motore asincrono e
successivamente, dopo avere scollegato quest’ultimo, veniva collegata la tensione
di alimentazione ed inserito il carico meccanico utilizzatore.
Se il motore sincrono veniva frenato o accelerato oltre un certo limite, si
innescava una serie di oscillazioni che portavano il motore al blocco e si potevano
verificare forti sovracorrenti tali da danneggiare il motore. Per questo motivo
andava prevista una protezione dalle sovracorrenti, ad esempio con un interruttore
magnetotermico di protezione.
Oggigiorno, con l’avvento dell’elettronica di potenza (i moderni inverter) è
possibile variare la tensione di alimentazione in ampiezza e frequenza e fare in
modo che il campo elettromagnetico generato sia sempre sincrono alla rotazione
del rotore anche durante la fase di partenza. In questo modo non c’è più bisogno
del motore asincrono per far partire il motore.
45
10.2.2 Come sono fatti i motori Sincrono ed Asincrono
Come tutti i motori sono costituiti da uno statore che è la parte fissa del motore e
da un rotore che è la parte mobile o rotante.
Lo statore, per entrambi i motori, sarà costruito con lamierini impaccati in
acciaio e sarà sede degli avvolgimenti statorici deputati a produrre il campo
magnetico rotante.
Lamierini impaccati
Avvolgimenti statorici
Gli avvolgimenti in rame smaltato possono essere alloggiati in cave ricavate
direttamente sul corpo dello statore o nelle classiche espansioni polari.
Analizzando il sistema di alimentazione trifase per la sistemazione dei poli si
parlerà di terne polari.
Statore con espansioni polari (anisotropo)
Statore con cave interne (isotropo)
46
In entrambe le figure i poli con gli avvolgimenti rappresentati dalle tre
colorazioni (rosso, azzurro e verde) risultano sfasati di 120° tra loro e sono il
numero minimo per il sistema trifase ovvero una coppia polare per fase.
Per aumentare la coppia motrice si possono avere più coppie polari per fase, ma
all’aumentare del numero di coppie polari, corrisponde una diminuzione della
velocità del motore secondo la seguente formula:
n = (60 * f ) / P n = 60 * 50Hz / P (RPM = Giri Per Minuto)
dove “n” è la velocità di sincronismo del campo magnetico rotante, “f “ la
frequenza di rete e P il numero delle coppie polari per fase.
Quindi sostituendo nella formula si avrà che per un motore con 1 coppia polare
per fase la velocità di sincronismo è pari a 3000 giri/minuto (RPM), con due
coppie 1500, con tre coppie 750.
10.2.3 Il rotore del motore Asincrono
I rotori più diffusi per i motori asincroni, sono quelli a Gabbia di Scoiattolo così
chiamati per la loro conformazione tipica che richiamano appunto una gabbia
circolare.
Rotore a Gabbia di Scoiattolo
In blu la
rappresentazione
delle correnti
indotte e la
relativa coppia
prodotta.
47
Poiché sono costituiti da un insieme di spire chiuse in corto circuito, e al
momento dell’avvio del motore, devono sopportare una corrente elevata (circa 7
volte la corrente di normale esercizio), vengono realizzati con barre di alluminio
chiuse alle due estremità da due anelli in rame o acciaio.
Lo spazio tra le barre viene riempito con lamierini impaccati di materiale
ferromagnetico.
Lamierini di riempimento
Campo magnetico della gabbia
Nei motori di elevate potenze, per ridurre la corrente di spunto all’avvio, si usano
rotori di tipo avvolto. In questo tipo di macchine, nelle cave rotoriche vi è un
normale avvolgimento, simile a quello statorico, di tipo trifase e collegato a stella,
come mostrato in Figura.
48
I capi di queste fasi vengono collegati a degli anelli conduttori, calettati
sull’albero del motore ma, isolati da questo; sui questi anelli poggiano delle
spazzole collegate ad un reostato esterno di avviamento, completamente inserito
all’atto di chiusura dell’interruttore sulla linea, ma che va disinserito,
gradualmente, all’aumento della velocità di rotazione e completamente escluso
(cortocircuitato) in condizioni di normale funzionamento.
Vale la pena di precisare che il numero delle fasi del rotore può essere diverso da
quello di statore, ma è indispensabile che il numero di poli sia uguale per i due
avvolgimenti.
Qui sotto sono rappresentati due motori asincroni con rotore a gabbia (a) e con
rotore avvolto con i tre anelli dell’avvolgimento rotorico (b).
10.2.4 Il rotore del motore Sincrono
Il rotore del motore sincrono è costituito da magneti permanenti aventi diversi
poli di polarità alterna (N-S-N-S) o da avvolgimenti alimentati in corrente
continua, anche detta corrente di eccitazione. Prima dell’introduzione degli
inverter, per superare il problema dell’avviamento del motore, spesso veniva
49
usato un trucco: Sul rotore di tipo avvolto, ad esempio, veniva posta una gabbia di
scoiattolo.
Rotore avvolto con gabbia di scoiattolo
Il motore quindi, veniva avviato come se fosse un motore asincrono ed in seguito,
quando raggiungeva la velocità quasi di sincronismo, venivano alimentati gli
avvolgimenti rotorici ed applicato il carico. In questo modo si riusciva ad avere
un motore sincrono autoavviabile.
10.2.5 Collegamenti elettrici (sistema trifase)
Come abbiamo visto in precedenza, il sistema di alimentazione trifase è alla base
del principio di funzionamento dei motori sincroni e asincroni poiché per
generare il campo magnetico rotante, abbiamo bisogno di tre fasi di uguale
frequenza ma sfasate fra di loro.
Fondamentalmente è possibile collegare gli avvolgimenti del nostro motore, in
due diversi modi; il collegamento a stella o il collegamento a triangolo.
Naturalmente il motore deve essere predisposto a questi tipi di collegamento e
deve riportare sulla targhetta espressamente i dati di alimentazione.
50
Collegamento stella Collegamento triangolo
Tipica morsettiera sul motore
(1,2)
Nei motori di piccola potenza (fino a 10KW), si può alimentare direttamente il
motore senza avere problemi di eccessivi assorbimenti sulla linea di
alimentazione.
Per motori di potenza superiore l’avviamento viene fatto in diversi modi, uno di
questi consiste nell’avviare il motore con un collegamento a stella per limitare la
corrente e la tensione, in modo da fare partire il motore dolcemente; quando il
motore raggiunge la velocità desiderata, si stacca il collegamento stella e si
inserisce il collegamento triangolo che aggiunge potenza al motore (Fig. a).
Fig. a
Fig. b
Un’ altro modo è quello di inserire dei reostati in serie alle fasi del motore, per
ridurre la tensione di alimentazione in avvio (Fig. b) che progressivamente vanno
esclusi man mano che il motore raggiunge la velocità di regime.
51
L’inversione della
rotazione avviene
invertendo due fasi
dell’avvolgimento.
Di solito questa
operazione si fa a motore
fermo.
Il modo più efficiente per controllare un motore asincrono è l’uso di un inverter.
Tramite questo apparecchio è possibile controllare il motore sia nelle fasi di avvio
che di messa in regime in maniera lineare e costante ed inoltre potendo variare
anche la frequenza di alimentazione è possibile raggiungere velocità diverse da
quelle imposte dalla costruzione del motore stesso.
Poiché in questi tipi di motore, la velocità del campo rotante dipende dal numero
di coppie polari e dalla frequenza di alimentazione, è facile dedurre che a parità di
coppie polari se noi per esempio raddoppiamo la frequenza, la velocità risulterà
doppia.
Schema base di un inverter trifase
52
I motori trifase possono essere adattati anche per funzionare in monofase. Si usa
un condensatore (C) per creare un campo magnetico rotante con una sola fase. In
questo modo in L3 avremo la corrente in anticipo mentre L1 e L2 si possono
collegare in serie o in parallelo (Fig. a). Qui sotto una tabella riassuntiva dei
possibili collegamenti a stella e a triangolo, nelle due varianti di senso di marcia
(Fig. b).
Fig. a
Fig. b
10.2.6 Motori asincroni monofase
I motori asincroni monofase sono di uso comune.
Per creare un campo magnetico rotante con una sola fase si usano due
avvolgimenti statorici angolati di 90° e alimentati con due correnti anch’esse
sfasate di circa 90° elettrici mediante un condensatore collegato in serie ad una di
esse. Su L2 passa una corrente in anticipo rispetto a quella di L1. L2 ha di solito
una resistenza maggiore di L1. Per invertire il senso di rotazione, basta invertire i
poli di uno degli avvolgimenti.
53
10.2.7 Applicazioni
Per quanto riguarda i motori sincroni monofase, si può dire che il migliore
impiego lo trovano come generatori. Tuttavia esistono alcune applicazioni
particolari come ad esempio nell’industria cartaria, dove grazie alla perfetta
sincronia e alla velocità costante che caratterizzano questi motori, si possono
trascinare i grossi rotoli di carta, senza che questi subiscano dei danni.
I motori asincroni monofase vengono utilizzati in tutte quelle macchine di uso
domestico come lavatrici, frullatori, asciugacapelli, pompe di scarico per lavatrici
e lavastoviglie, ventilatori ed altri oggetti che si possono trovare nell’ambito del
civile.
I motori asincroni trifase sono la stragrande maggioranza delle macchine
elettriche esistenti al mondo (circa il 80%). Sono utilizzati prevalentemente in
ambito industriale con potenze che vanno dai 10KW a qualche MW e li possiamo
trovare in gru, ascensori, montacarichi, pompe per il sollevamento delle acque,
nella moderna trazione ferroviaria ed anche su qualche macchina ibrida a trazione
mista combustibile/elettrica.
10.2.8 Vantaggi e svantaggi
Motore sincrono.
Questo tipo di motore offre un elevato rapporto potenza/peso, elevata affidabilità,
bassa inerzia del rotore e genera calore solo sullo statore. Chiaramente questo
motore elettrico presenta un costo più elevato dell’asincrono, soprattutto quello
con il rotore a magneti permanenti e ad alte temperature il magnete permanente
può smagnetizzarsi.
54
Motore asincrono.
Il primo grande vantaggio è il basso costo, ma è importante anche la resistenza
alle alte temperature. Per contro, si genera forte calore sul rotore e l’elevata
inerzia di quest’ultimo rende più difficile l’accelerazione.
Il movimento del rotore legato allo scorrimento, crea delle ondulazioni alla
coppia motrice in relazione al carico pertanto a parità di carico spesso bisogna
dimensionare il motore alla taglia superiore rispetto ad un motore sincrono che
resta più compatto.
11. Motori passo-passo (Stepper Motor)
Il motore passo-passo spesso chiamato anche step o stepper è un motore elettrico
sincrono in corrente continua pulsata con gestione elettronica senza spazzole
(brushless), che può suddividere la propria rotazione, in un grande numero di
passi (step).
Questi motori possono essere fatti avanzare a singoli passi e bloccati in una
posizione qualunque, in modo da consentire facilmente posizionamenti di grande
precisione, utili in una vasta serie di applicazioni.
Per poter essere pilotati, i motori passo-passo richiedono però sequenze di impulsi
particolari, che debbono essere generati da opportuni circuiti elettronici.
55
11.1 Costituzione e principio di funzionamento
La tipica costituzione di un motore passo-passo prevede l’impiego di un rotore a
magnete permanente (e quindi privo di avvolgimenti) dotato di un certo numero
di “denti”, con lo statore costituito da numerose espansioni polari anch’esse
provviste di denti e alimentate da altrettanti avvolgimenti.
Struttura di un motore passo-passo ibrido
Questi avvolgimenti sono collegati in modo da portare esternamente un numero
fisso di fili, che può essere di 4, 5 o 6 conduttori. A questi conduttori (fra di loro
non intercambiabili) viene applicata la corretta sequenza di impulsi per
l’avanzamento del rotore.
I “passi” ottenibili – che dipendono dalle modalità costruttive del motore –
possono andare da 40 a 200, a seconda dei modelli.
56
Per facilitare la comprensione del
modo di funzionamento (e quindi di
pilotaggio) di questo tipo di motore,
immaginiamo di schematizzare il
motore considerando uno statore con
solo 4 espansioni polari ed un rotore
costituito da un magnete permanente
avente il solito polo Nord e Sud, come
in figura.
Gli avvolgimenti A e B sono in serie, in modo che applicando una tensione
positiva ad A e negativa a B la corrente può fluire da A a B, polarizzando in tal
modo entrambe le espansioni polari; la stessa cosa accade per gli avvolgimenti C
e D, anch’essi in serie. A, B, C e D vengono dette anche le “fasi” del motore
passo-passo.
Se si fornisce tensione al conduttore A, collegando B a massa e lasciando
scollegate le fasi C e D, a causa della magnetizzazione delle espansioni polari
connesse alle fasi A e B, il magnete permanente del rotore ruoterà, orientandosi in
modo da allineare le proprie espansioni polari Nord e Sud nella direzione A-B,
come mostrato in figura 1.
57
Fig.1
Se successivamente si toglie
tensione alla fase A e la si commuta
alla fase C in modo da alimentare il
percorso di corrente da C a D, il
rotore ruoterà in senso orario di un
quarto di giro allineandosi lungo la
direzione C-D. Per provocare un
ulteriore avanzamento si fornirà
tensione alla fase B, poi alla D e così
via, provocando una continua
rotazione dell’asse del motore.
La sequenza degli impulsi elettrici da fornire è quella evidenziata in figura 1
(corrispondente a due giri del motore), dove le varie sequenze sono sincronizzate
da un clock, il cui periodo determina ovviamente la frequenza di ripetizione degli
impulsi, e quindi la velocità di rotazione del motore.
Questo tipo di pilotaggio è detto “a singola fase” o “a onda” (wave drive).
Un altro modo di pilotare il motore è quello di alimentare contemporaneamente
due fasi, ad esempio A e C: in tal modo il rotore si allinea in una direzione
intermedia fra le due espansioni polari dello statore. Lo scopo di questa doppia
alimentazione è quello di ottenere una forza di attrazione magnetica più intensa
fra statore e rotore, e quindi una maggior coppia meccanica di rotazione per il
motore.
Questa tecnica viene detta per tale motivo “pilotaggio a due fasi” (two phases
drive).
58
Fig.2
Con questa tecnica, per fare
avanzare il motore in senso
orario è necessario fornire
sequenze di impulsi del tipo A-C,
poi C-B, in seguito B-D e infine
D-A, in modo da provocare la
completa rotazione dell’asse, ma
sempre con il polo Nord del
rotore allineato in una posizione
intermedia fra due fasi. In figura
2 è mostrata la sequenza degli
impulsi richiesti con le rispettive
posizioni assunte dal rotore.
È possibile altresì alternare le due sequenze: ad esempio si può alimentare prima
A, poi la coppia A-C, poi C, poi la coppia B-C, poi B, e così via.
Fig.3
Il rotore si allinea
dapprima verso A,
poi in posizione
intermedia fra A e
C, poi verso C,
poi in posizione
intermedia fra C e
B, poi verso B, e
così via.
59
Lo scopo è quello di far compiere al rotore movimenti “a mezzo passo”, e quindi
attuare posizionamenti più precisi, anche se con una complicazione della
sequenza degli impulsi (vedi figura 3).
Il pilotaggio a mezzo passo alterna le due sequenze tipiche del pilotaggio a
onda e a due fasi ed è detta half-step.
Abbiamo visto che per un motore ideale a 4 espansioni polari è possibile
compiere passi di un quarto di giro (90 gradi) oppure, attuando un controllo a
mezzo passo, di un ottavo di giro, ovvero 45 gradi. In un motore reale il numero
di espansioni polari è maggiore, ma sempre multiplo di quattro, in modo da
utilizzare esternamente solo 4 fili.
Per tale motivo gli avvolgimenti sono connessi in parallelo quattro a quattro (il
primo con il quinto, il secondo con il sesto, e così via).
Grazie a questo accorgimento le sequenze di impulsi evidenziati nelle figure 1, 2
e 3 rimangono invariate anche per motori da decine o centinaia di passi. È ovvio
che all’aumentare del numero di passi si ridurrà progressivamente l’angolo di
rotazione per ogni passo, che solitamente va da 1.8 ai 9 gradi.
Per questi motori, quindi, per poter compiere un giro completo sarà necessario
ripetere più volte le combinazioni sopra descritte.
Per invertire il senso di marcia del motore basterà invertire la sequenza degli
impulsi in tutte e tre le configurazioni descritte.
11.1.1 Motori bipolari e unipolari
Il motore che abbiamo finora analizzato è quello di tipo “bipolare”, così
denominato poiché permette di invertire le polarità degli avvolgimenti e quindi di
far fluire la corrente in entrambe le direzioni.
Alcuni motori sono invece avvolti in modo da possedere una configurazione
interna come quella di figura 4, ottenuta rendendo disponibile esternamente il
punto centrale del filo di passaggio fra le due fasi opposte dello statore (A e B da
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un lato, C e D dall’altro) in modo da disporre di un totale di 6 fili, di cui quattro
sono le normali fasi, e due “prese centrali”.
Fig.4
Alcuni tipi di motori dispongono di soli 5 fili, dove 4 sono le fasi A, B, C e D e il
quinto è dato dall’unione delle due prese centrali V+.
La configurazione a 5 e 6 fili identifica il motore unipolare, in quanto la corrente
nella singola fase ha sempre lo stesso verso.
Il numero di differenti posizioni di equilibrio presenti in una rotazione completa
dell'albero è in genere indicato come passi per giro e dipende dal numero dei
denti del rotore e dai poli dello statore, non dal numero di fili uscenti o dal
numero delle fasi. Il numero di passi per giro è spesso stampato sul contenitore ed
espresso in gradi.
Al fine di fornire alle quattro fasi A, B, C, D del motore passo-passo la corretta
sequenza di impulsi è necessario utilizzare circuiti logici pilotati da un generatore
di clock, eventualmente variabile al fine di controllarne la velocità.
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È possibile sfruttare un generatore di clock basato ad esempio su di un oscillatore
astabile seguito da un divisore e da una rete logica che ricavi i segnali necessari.
Questi segnali non potranno però essere utilizzati direttamente per il pilotaggio
del motore, ma richiederanno un’amplificazione della corrente ed un’eventuale
innalzamento della tensione, a seconda del tipo di motore utilizzato.
Per questo motivo vengono utilizzati come finali di potenza, transistors o mosfet.
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 e
Q6 sono un esempio
di finale di potenza
per motori passo
passo.
11.2 Motore passo-passo Ibrido
I motori passo-passo si dividono tradizionalmente in tre gruppi: motori a magnete
permanente (descritti precedentemente), motori a riluttanza variabile (la
differenza consiste nella costruzione del rotore che è costituito da lamierini
impaccati di materiale ferromagnetico) e motori ibridi; questi ultimi sono i
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migliori ed ormai i più usati e rappresentano il meglio delle due precedenti
tecniche costruttive, pertanto in questo documento saranno i soli ad essere trattati.
Come tutti i motori, sono costituiti da una parte fissa (statore) e da una parte
rotante (rotore).
Il rotore appare come una coppia di ruote dentate affiancate e solidali all'albero (i
"denti" sono chiamati coppette) costituite da un nucleo magnetico polarizzato
assialmente (le due ruote sono permanentemente magnetizzate, una presenta la
polarità Nord e l'altra la polarità Sud) e le coppette sono in materiale
ferromagnetico.
Il numero di denti è variabile; solitamente sono 50.
I denti delle due ruote non sono allineati. Fra essi vi è uno sfasamento
esattamente pari ad 1/2 del passo dei denti: il dente di una delle due sezioni
corrisponde quindi alla valle dell'altra mentre tra un dente e l’altro abbiamo il
passo intero.
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Nel rotore non sono presenti fili elettrici e quindi manca completamente ogni
connessione elettrica tra la parte in movimento e quella fissa. In genere il rotore è
montato su cuscinetti a sfera, anche nei modelli economici.
Lo statore appare come il classico insieme di avvolgimenti ed il circuito
magnetico è costituito da 4 o, più frequentemente, 8 "espansioni polari" (otto in
quello mostrato nella fotografia).
Statore
Particolare dell’accoppiamento Rotore - Statore
All'interno dello statore sono presenti piccoli denti che si affacciano esattamente a
quelli del rotore o meglio, sono esattamente affacciati al rotore solo il gruppo di
denti appartenenti ad una espansione polare e a quella opposta; le altre coppie
sono sfalsate rispettivamente di 1/4, 1/2 e 3/4 del passo dei denti. Avvolti intorno
ai poli magnetici dello statore ci sono i fili che, opportunamente percorsi da
corrente, generano il campo magnetico.
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11.2.1 Principio di funzionamento
Supponiamo che le bobine superiore e inferiore costituiscano la fase A, mentre le
bobine destra e sinistra costituiscono la fase B.
Supponiamo che il rotore bianco si trovi nella parte anteriore e magnetizzato sul
polo N dal magnete permanente mentre i denti del rotore colorato in blu, si
trovino nella parte posteriore e siano magnetizzati sul polo S.
Il rotore è fermo
Nello stato iniziale, eccitiamo la fase
A in modo che il polo superiore nella
figura diventi il polo S ed il polo
inferiore diventi il polo N. Poiché il
dente sul rotore bianco ha polarità N,
verrà attratto dal polo S della fase A,
e poiché il dente sul rotore blu ha
polarità S, verrà attratto dal polo N
nella fase A.
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Nella sequenza che verrà mostrata nelle prossime figure, eccitando
opportunamente le fasi dello statore, si avrà il movimento del rotore (nel nostro
caso in senso antiorario).
Possiamo seguire il movimento verificando le posizioni del marker rappresentato
dal pallino nero (●) in alto al centro del rotore.
Il rotore compie ¼ di passo
Eccitiamo la fase B in modo che
il polo a destra nella figura 1
diventi il polo S ed il polo a
sinistra diventi il polo N, il dente
sul rotore bianco con polarità N,
verrà attratto dal polo S della fase
B, e il dente sul rotore blu con
polarità S, verrà attratto dal polo
N nella fase B.
Il rotore compie ¼ di passo
Eccitiamo la fase A invertendo
il senso della corrente in modo
che il polo in alto nella figura
2 diventi il polo N ed il polo in
basso diventi il polo S, il dente
sul rotore bianco con polarità
N, verrà attratto dal polo S
della fase A, e il dente sul
rotore blu con polarità S, verrà
attratto dal polo N nella fase
B.
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Il rotore compie ¼ di passo
Eccitiamo la fase B invertendo
il senso della corrente in modo
che il polo a destra nella figura
3 diventi il polo N ed il polo a
sinistra diventi il polo S, il
dente sul rotore bianco con
polarità N, verrà attratto dal
polo S della fase B, e il dente
sul rotore blu con polarità S,
verrà attratto dal polo N nella
fase B.
Il motore compie ¼ di passo
Eccitando la fase A allo stesso
modo dell'energizzazione eseguita
nello stato iniziale, il rotore si
sposta ancora di ¼ di passo.
Come si può vedere, prendendo i
quattro passaggi da 1 a 4, il rotore
ha ruotato in senso antiorario di
un dente intero ovvero un passo.
Per far ruotare il rotore in senso orario, basta eseguire i passaggi nell'ordine
inverso (ovvero, da 4 a 1).
Questo tipo di motore offre rapporti di coppia elevata con velocità medie.
Come abbiamo visto, ad ogni spostamento del rotore abbiamo due punti precisi di
vincolo; la parte superiore del rotore è vincolata ad un polo mentre la parte
inferiore è vincolata al polo opposto.
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In un motore avente rotore con 50 denti, i passi necessari per compiere un giro
intero sono 200, quindi bisognerà ripetere i quattro step precedentemente descritti
per ben 50 volte.
Un parametro importante per qualificare un motore passo-passo ibrido è la
risoluzione ovvero lo spostamento angolare per ogni passo; più questo parametro
è piccolo più precisi risultano essere gli spostamenti del motore.
11.3 Applicazioni
I motori passo-passo costituiscono la scelta ideale per tutte quelle applicazioni di
piccola potenza che richiedono posizionamenti rapidi e precisi, quali ad esempio:
stampanti a getto di inchiostro, plotter, macchine fotografiche, orologi, sistemi di
posizionamento dei telescopi, macchine utensili a controllo numerico, robotica,
valvole a farfalla delle autovetture, analizzatori del sangue, dispositivi per la
fabbricazione di chip integrati, apparecchiature di prova e di collaudo,
automazione industriale, controllori programmabili, controlli aerospaziali,
servomeccanismi in generale, robotica, ecc.
11.4 Vantaggi
I vantaggi fondamentali dei motori passo-passo sono:
- possibilità di controllare il moto in modo digitale senza la necessità di sensori di
posizione;
- eccellente dinamica;
- elevata robustezza e affidabilità;
- semplicità costruttiva e di controllo e costo non elevato;
- limitazioni ambientali e manutenzione praticamente nulle, in quanto brushless;
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- elevate coppie a bassa velocità, quindi assenza della necessità di riduttori
meccanici.
11.5 Svantaggi
- necessità di circuiti elettronici;
- problemi di risonanza;
- tempi di stabilizzazione relativamente lunghi;
- funzionamento a scatti, con vibrazioni ai bassi regimi;
- velocità massime limitate (in genere ≈1000÷1500 g/1').
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12. Bibliografia
Zanichelli, Conoscere la materia F7– Magnetismo ed Elettromagnetismo
Wikipedia, La macchina elettrica
Wikipedia, Il motore elettrico
Mario Priori - tesina, Il motore elettrico nella società di massa
P. De Vittor, Motori passo-passo
www.vitobarone.it – Sicurezza Elettrica
www.electrotecnica.unina.it – cap. 3 Motore asincrono
www.sandroronca.it – Elettrotecnica, campo magnetico rotante trifase
www.Sicmemotori.it/motore-sincrono-e-asincrono-differenze/
www.nidec.com – Structure and operation of HB-type motor
Video: www.YouTube.com - www.learnengineering.org/
- DC Motor, How it works
- How do Universal motors works
- Brushless DC Motors, How it works
- How does an Induction Motor works
- How does a Stepper Motor works
