MOTORI ELETTRICI

1

• MOTORI ELETTRICI

ARGOMENTI MOTORI ELETTRICI
2
Argomenti sui motori elettrici

• Principio di funzionamento dei motori elettrici
• Introduzione
• Funzionamento di un motore in corrente continua
• Motore sincrono
• Motore asincrono
• Motore in corrente continua
• Motore in corrente continua
• Generazione del campo magnetico statore e tipi di
  motori a magnete permanente in corrente continua
• Motore brushless
• Caratteristiche statiche e dinamiche di un motore
  in corrente continua

GLOSSARIO
INDICE
INTRODUZIONE
MOTORI ELETTRICI
3
Introduzione
GLOSSARIO

• L'elemento che deve attuare il comando è detto
  attuatore
• L'attuatore lo possiamo vedere come trasduttore
  perché trasforma una determinata forma di energia
  con una forma d'energia diversa

INDICE
INTRO. MOTORI ELETTRICI
ARGOMENTI SUI MOTORI ELETTRICI
4
Introduzione al funzionamento dei motori
elettrici

• Fenomeni legati alla presenza di campi magnetici
• Un conduttore rettilineo percorso da corrente,
  immerso in un campo magnetico, è soggetto a una
  forza il cui valore dipende dal valore della
  corrente che circola nel filo, dal valore
  dell'induzione magnetica che lo interessa e dalla
  lunghezza del filo. Si possono determinare
  tramite la regola della mano sinistra
• Se una spira si muove in un campo magnetico, ai
  suoi capi nasce una forza elettromotrice indotta
  che è proporzionale alla velocità con cui le
  linee di forza vengono tagliate

GLOSSARIO
INDICE
REGOLA DELLA MANO SINISTRA
INTRODUZIONE
5
Regola della mano sinistra
GLOSSARIO
INDICE
SPIRA IN UN CAMPO MAGNETICO
IN. FUNZION. MOTORI ELETTRICI
6
Spira immersa in un campo magnetico
GLOSSARIO
INDICE
COPPIA INDOTTA PER LA CORRENTE
REGOLA DELLA MANO SINISTRA
7
Circuito motore elettrico con coppia indotta al
passaggio della corrente
GLOSSARIO
INDICE
FUNZIONAMENTO MOTORE ELETT.
SPIRA IN UN CAMPO MAGNETICO
8
Funzionamento di un motore in corrente continua
GLOSSARIO

• La parte fissa è lo statore, in cui è generato un
  campo magnetico
• Il rotore, o armatura, che ruota all'interno
  dello statore
• Alle estremità di ogni spira ha un collettore
  solidale con le spire, realizzato con quattro
  settori conduttivi, separati tra loro da
  materiale isolante
• Due spazzole di grafite sono pressate da una
  molla sul collettore per avere un contatto
  elettrico le spazzole sono fisse quindi
  strisciano soltanto sul collettore e alle
  spazzole sono connessi terminali per
  l'alimentazione delle spire

INDICE
STATORE E ROTORE MOTORE CONT.
COPPIA INDOTTA PER LA CORRENTE
9
Statore e rotore di un motore in corrente
continua
GLOSSARIO
INDICE
MOTORE SINCRONO
FUNZIONAMENTO MOTORE ELETT.
10
Motore sincrono
GLOSSARIO

• Un motore realizzato utilizzando la rotazione del
  campo magnetico è detto motore sincrono poiché
  esiste sincronismo tra la velocità angolare con
  cui ruota il campo magnetico e la velocità
  dell'asse del motore

INDICE
ROTORE MOTORE SINCRONO
MOTORE SINCRONO
11
Rotore in un motore sincrono
GLOSSARIO

• Non è realizzato utilizzando conduttori attivi,
  ma per mezzo di espansioni polari eccitati da
  appositi avvolgimenti
• Le espansioni polari del rotore derivano
  dall'interazione tra due campi magnetici diversi,
  uno generato dallo statore e l'altro dal rotore

INDICE
STRUTTURA MOTORE SINCRONO
MOTORE SINCRONO
12
Struttura di un motore sincrono a singola fase e
due coppie polari di rotore
GLOSSARIO
INDICE
SEZIONI TRASVERSALI MOTORE SINCR.
ROTORE MOTORE SINCRONO
13
Sezioni trasversali dei rotori di motori sincroni
a magneti permanenti
GLOSSARIO
INDICE
PERCORSI FLUSSO MAGNETICO SUP.
STRUTTURA MOTORE SINCRONO
14
Percorsi del flusso magnetico secondo gli assi
diretto ed in quadratura di rotore in
unamacchina sincrona a magneti permanenti
superficiali
GLOSSARIO
INDICE
PERCORSI FLUSSO MAGNETICO INT.
SEZIONI TRASVERSALI MOTORE SINCR.
15
Percorsi del flusso magnetico secondo gli assi
diretto ed in quadratura di rotore in
unamacchina sincrona a magneti permanenti
interni o annegati
GLOSSARIO
INDICE
VELOCITA' MOTORE SINCRONO
PERCORSI FLUSSO MAGNETICO SUP.
16
Velocità del motore sincrono
GLOSSARIO

• V.M.S n(f60)/p rpm
• nnumero di giri al minuto
• ffrequenza della corrente che genera il campo
  rotante
• pnumero di coppie polari che generano il campo
  rotante

INDICE
CONSIDERAZIONI MOTORE SINCRONO
PERCORSI FLUSSO MAGNETICO INT.
17
Considerazioni finali sul motore sincrono
GLOSSARIO

• La coppia motrice in un motore sincrono risulta
  continua solo se il rotore è sincrono con il
  campo magnetico rotante, cioè se ruota alla
  stessa velocità del campo rotante
• La caratteristica principale del motore sincrono
  è quella di ruotare esattamente alla stessa
  velocità del campo rotante generato dallo
  statore, quindi tale motore non è autoavviante
• In un motore sincrono la velocità è costante e
  non dipende dal valore del carico a cui è
  soggetto il motore

INDICE
MOTORE ASINCRONO
VELOCITA' MOTORE SINCRONO
18
Motore asincrono o a induzione

• È molto simile al motore sincrono, ma può fare a
  meno dell'alimentazione esterna delle spire di
  rotore
• É autoavviante
• Gli elementi attivi nel rotore sono i conduttori
  paralleli alle espansioni polari dello statore

GLOSSARIO
INDICE
PRINCIPI MOTORE ASINCRONO
CONSIDERAZIONI MOTORE SINCRONO
19
Principio di funzionamento di un motore asincrono
GLOSSARIO

• La rotazione del flusso F genera una tensione
  indotta nella spira
• La conseguente corrente genera l'interazione con
  il campo magnetico e la coppia

INDICE
VELOCITA' MOTORE ASINCRONO
MOTORE ASINCRONO
20
Velocità del motore asincrono
GLOSSARIO

• V.M.A s(n1-n2)/n1
• sscorrimento, cioè la frazione di giro che il
  rotore perde per ciascun giro rispetto al campo
• n1velocità del campo
• n2velocità del rotore
• n1-n2velocità di scorrimento

INDICE
CONSIDERAZIONI MOTORE ASINCRONO
PRINCIPI MOTORE ASINCRONO
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Considerazioni finali sul motore asincrono
GLOSSARIO

• In un motore asincrono la coppia è direttamente
  proporzionale alla differenza tra le velocità
  angolari del campo magnetico e del rotore
• Il motore asincrono può autoavviarsi perché nella
  fase di avviamento la coppia ha un valore diverso
  da zero
• Il campo magnetico rotante può essere generato
  con una singola fase o con un sistema trifase
• In un motore asincrono la velocità non è
  costante, ma dipende dal valore del carico
  applicato

INDICE
MOTORI IN CORRENTE CONTINUA
VELOCITA' MOTORE ASINCRONO
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Motori in corrente continua
GLOSSARIO

• Sono dispositivi in grado di variare la propria
  velocità in funzione di una grandezza di comando
• Hanno un valore rilevante di coppia di spunto e
  possono sopportare sovraccarichi anche notevoli
• È una macchina reversibile, cioè può funzionare
  anche come generatore di tensione continua

INDICE
USO MOTORI CONTINUI
CONSIDERAZIONI MOTORE ASINCRONO
23
Dove vengono usati i motori in corrente continua
GLOSSARIO

• Molto usati anche se con continue manutenzioni e
  costi più elevati rispetto ai motori in corrente
  alternata
• Usati soprattutto nelle applicazioni in cui è
  necessario variare con continuità la velocità del
  motore in un campo esteso di valori
• Usati soprattutto nei servomotori, motori che
  devono essere in grado di rispondere con notevole
  prontezza a un comando fornito loro in ingresso
• I servomotori sono leggeri, con basso momento
  d'inerzia e bassa riluttanza di armatura e sono
  in grado quindi di rispondere velocemente e
  modificare, una volta comandati, la velocità e la
  posizione dell'asse del servomotore

INDICE
VELOCITA' DI RISPOSTA
MOTORI IN CORRENTE CONTINUA
24
Velocità di risposta o prontezza del motore in
corrente continua

• La velocità di risposta o prontezza è una
  caratteristica dinamica del sistema e dipende
  dagli elementi che nel sistema sono in grado di
  immagazzinare energia
• Nel motore esistono due elementi in grado di
  immagazzinare energia l'induttanza della spira
  di armatura (rotore) e la massa del rotore con il
  suo momento d'inerzia

GLOSSARIO
INDICE
GENERAZIONE CAMPO MAGENTICO DI STATORE
USO MOTORI CONTINUI
25
Generazione del campo magnetico di statore

• A seconda della tecnologia usata per generare il
  campo magnetico di statore, i motori in corrente
  continua sono
• Motori a magnete permanente o PM (Permanent
  Magnet)
• Motori a controllo di campo

GLOSSARIO
INDICE
MOTORI PM
VELOCITA' DI RISPOSTA
26
Motori a magnete permanente o PM

• Il campo magnetico di statore è generato da un
  magnete permanente

GLOSSARIO
INDICE
TIPI MOTORI PM
GENERAZIONE CAMPO MAGNETICO DI STATOTRE
27
Tipi di motore a magnete permanente in corrente
continua

• A seconda della tecnologia usata per realizzare
  l'avvolgimento di rotore esistono tre tipi di
  motori a magnete permanente
• Iron-core
• Surface-wound
• Moving- coil o core-less

GLOSSARIO
INDICE
IRON-CORE
MOTORI PM
28
Iron-core

• I conduttori attivi di rotori sono alloggiati
  all'interno di cave
• Il magnete permanente è realizzato utilizzando
  una lega di bario e ferrite oppure una lega di
  alluminio, nichel, cobalto e ferro (AlNiCo) o
  ancora, un insieme di terre rare
• I motori realizzati con questa struttura sono
  molto affidabili ed economici, ma presentano un
  elevato momento di inerzia del rotore e un
  elevato valore dell'induttanza di armatura
• Presenta il fenomeno del cogging, causato dal
  riscaldamento del sistema che innesca
  un'oscillazione continua della velocità angolare
  del sistema

GLOSSARIO
INDICE
MOTORE IRON-CORE
TIPI MOTORI PM
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Motore a magnete permanente iron-core
GLOSSARIO
INDICE
SURFACE-WOUND
IRON-CORE
30
Surface-wound
GLOSSARIO

• I conduttori attivi sono collocati sulla
  superficie esterna del rotore e fissati in
  piccole scanalature (wound)
• Grazie alla sua struttura siamo in grado di
  ottenere valori del momento di inerzia e
  dell'induttanza di armatura minori rispetto ai
  motori iron-core e non presenta il fenomeno di
  cogging

INDICE
MOTORE SURFACE-WOUND
MOTORE IRON-CORE
31
Motore a magnete permanente surface-wound
GLOSSARIO
INDICE
MOVING-COIL
SURFACE-WOUND
32
Moving- coil o core-less

• Il rotore è costituito dall'insieme dei
  conduttori attivi, sostenuti da un supporto
  cilindrico in vetro epoxy che ne migliora le
  caratteristiche di resistenza meccaniche
• Il nucleo di materiale ferro-magnetico che chiude
  il circuito magnetico è solidale con lo statore e
  non ruota, quindi ha valori molto piccoli di
  momento d'inerzia del rotore
• Le caratteristiche magnetiche del rotore
  consentono valori molto piccoli per l'induttanza
  di armatura

GLOSSARIO
INDICE
MOTORE MOVING-COIL
MOTORE SURFACE-WOUND
33
Motore a magnete permanente moving-coil
GLOSSARIO
INDICE
MIGLIORAMENTI DELLA RICERCA
MOVING-COIL
34
Miglioramenti fatti grazie alla ricerca

• Sostituzione dei magneti di statore in AlNiCo con
  quelli in samarium-cobalto
• Sostituzione dei conduttori di rame del rotore
  con conduttori di alluminio

GLOSSARIO
INDICE
CONSEGUENZE MIGLIORAMENTI DELLA RICERCA
MOTORE MOVING-COIL
35
Conseguenze ai miglioramenti fatti grazie alla
ricerca

• Miglioramento delle caratteristiche meccaniche e
  magnetiche del motore
• Valori molto bassi della costante di tempo
  meccanica
• Accelerazioni di valore molto maggiore rispetto
  ai motori a magnete permanente di altro tipo
• Elevati valori di rendimento e di coppia
• A parità di coppia, un ridotto spessore, che
  consente di costruire motori per circuiti stampati

GLOSSARIO
INDICE
MOTORI A CONTROLLO DI CAMPO
MIGLIORAMENTI DELLA RICERCA
36
Motori a controllo di campo
GLOSSARIO

• Il campo magnetico di statore è generato da un
  avvolgimento alloggiato in apposite cave dello
  statore, in cui viene fatta passare la corrente
  di eccitazione

INDICE
COLLEGAMENTI DELLA BOBINA
CONSEGUENZE MIGLIORAMENTI DELLA RICERCA
37
Tipi di collegamenti della bobina di eccitazione
nei motori a controllo di campo

• In serie al circuito di armatura e alimentata
  quindi dalla stessa corrente di armatura
• In parallelo al circuito di armatura e quindi
  essere interessata dalla stessa tensione di
  armatura
• In parte in serie e in parte in parallelo

GLOSSARIO
INDICE
COLLEGAMENTO SERIE
MOTORI A CONTROLLO DI CAMPO
38
Collegamento in serie al circuito di armatura

• Vantaggi
• Coppia di spunto maggiore
• Velocità a vuoto più elevata
• Svantaggi
• Se non connessa correttamente può provocare danni
  al sistema

GLOSSARIO
INDICE
COLLEGAMENTO PARALLELO
COLLEGAMENTI DELLA BOBINA
39
Collegamento in parallelo al circuito di armatura

• Vantaggi
• Caratteristica velocità-corrente di armatura
  lineare
• Svantaggi
• Valori minori di coppia e di velocità

GLOSSARIO
INDICE
COLLEGAMENTO SIA PARTE SERIE CHE PARALLELO
COLLEGAMENTO SERIE
40
Collegamento in parte in serie e in parte in
parallelo

• Vantaggi da tutti e due i tipi di connessione

GLOSSARIO
INDICE
MOTORE BRUSHLESS
COLLEGAMENTO PARALLELO
41
Motore brushless
GLOSSARIO

• Per questo tipo di motore si utilizza una
  tecnologia costruttiva in grado di eliminare il
  gruppo collettore/spazzole perché il magnete
  permanente non deve essere alimentato da una
  sorgente esterna
• Sono usati come servomotori

INDICE
SCHEMA MOTORE BRUSHLESS
COLLEGAMENTO SIA PARTE SERIE CHE PARALLLO
42
Schema di principio di un motore in corrente
continua brushless
GLOSSARIO
INDICE
SPIEGAZIONI MOTORE BRUSHLESS
MOTORE BRUSHLESS
43
Spiegazioni sul motore brushless

• L'inversione della corrente nei conduttori attivi
  è affidata a un commutatore elettronico
• Tramite dei sensori posti nel motore siamo in
  grado di sapere la posizione dell'asse
• I conduttori attivi sono divisi in tre serie,
  con angolo di 120 tra loro, e alloggiati in
  apposite cave ricavate nello statore
• Il commutatore è pilotato da una logica di
  controllo che elabora segnali dei sensori di
  posizione e genera comandi per attivare i
  transistori
• La diversa disposizione dell'avvolgimento fa sì
  che il motore brushless abbia minore resistenza
  termica verso l'esterno rispetto altri motori in
  corrente continua

GLOSSARIO
INDICE
CARATTERISTICHE STATICHE E DINAMICHE
SCHEMA MOTORE BRUSHLESS
44
Caratteristiche statiche e dinamiche di un motore
in corrente continua

• La condizione di regime di un motore è quella in
  cui la velocità angolare dell'asse è costante e
  corrisponde alla grandezza di comando di ingresso
  
• Le caratteristiche di funzionamento del motore
  rilevate nella condizione di regime costituiscono
  le caratteristiche statiche del motore
• Nel caso in cui si operi sulla grandezza di
  comando del motore variandola, il motore modifica
  la propria condizione di funzionamento di regime,
  portandosi, dopo un determinato transitorio, in
  una condizione di regime diversa dalla precedente
  e determinata dal valore della variazione della
  grandezza di comando
• Le caratteristiche di funzionamento del motore
  rilevato in tale transitorio costituiscono le
  caratteristiche dinamiche del motore

GLOSSARIO
INDICE
1)GLOSSARIO
SPIEGAZIONI MOTORE BRUSHLESS
45
1)Glossario dei termini specifici sui motori
elettrici

• Attuatore Componente che attua un'azione di
  comando gli attuatori più comuni sono i motori
• Statore Parte del motore che non ruota
• Rotore Parte del motore che ruota è indicato
  anche con il termine di armatura
• Commutatore Insieme formato dal collettore e
  dalle spazzole, che alimenta il circuito di
  armatura di un motore in continua e che consente
  alla coppia generata sui conduttori attivi di non
  invertire il suo segno in corrispondenza del
  punto morto
• Velocità di scorrimento In un motore asincrono è
  la differenza tra le velocità del campo magnetico
  rotante e la velocità del rotore
• Scorrimento Frazione di angolo giro che il
  rotore perde rispetto al campo rotante in ciascun
  giro

INDICE
2)GLOSSARIO
CARATTERISTICHE STATICHE E DINAMICHE
46
2)Glossario dei termini specifici sui motori
elettrici

• Cogging Condizione di funzionamento del motore
  in cui la velocità angolare non risulta uniforme,
  ma subisce variazioni il fenomeno è determinato
  dal riscaldamento dell'avvolgimento di armatura
  dovuto al campo magnetico ed è evidente a basse
  velocità
• Iron-core, surface-wound e core-less Tecnologie
  diverse utilizzate per la realizzazione
  dell'armatura di un motore in continua a magnete
  permanente (PM)
• Costante di macchina Nei motori in continua di
  tipo PM è il valore che assume sia la costante
  elettrica sia la costante meccanica del motore

GLOSSARIO
INDICE
3)GLOSSARIO
1)GLOSSARIO
47
3)Glossario dei termini specifici sui motori
elettrici

• Coppia di stallo Coppia presente sull'asse del
  motore, quando l'asse è bloccato
• Coppia di stazionamento (coppia di spunto)
  Coppia che deve essere fornita all'asse del
  motore perché possa iniziare a ruotare è pari
  all'attrito statico
• Rigidità del motore Parametro del motore in
  continua che descrive l'entità della variazione
  della velocità determinata da una variazione del
  carico

GLOSSARIO
INDICE
4)GLOSSARIO
2)GLOSSARIO
48
4)Glossario dei termini specifici sui motori
elettrici

• Motore in continua Motore alimentato in continua
  che realizza la continuità della coppia sull'asse
  per mezzo di un commutatore
• Motore sincrono Motore alimentato in alternata
  che realizza la continuità della coppia sull'asse
  generando un campo magnetico di statore rotante.
  La velocità di rotazione dell'asse è sincrona con
  la velocità angolare del campo rotante generato e
  non dipende dal valore del carico. Non può
  autoavviarsi
• Motore asincrono o a induzione Motore alimentato
  in alternata che realizza la continuità della
  coppia sull'asse per mezzo di un campo magnetico
  di statore rotante a differenza del motore
  sincrono, la coppia che agisce sull'asse è
  funzione dello scorrimento e la velocità angolare
  dell'asse dipende dal valore del carico. Può
  autoavviarsi
• Motore brushless Motore in continua che utilizza
  un inverter elettronico per invertire il verso
  della corrente nei conduttori attivi i
  conduttori attivi sono alloggiati nello statore

GLOSSARIO
INDICE
3)GLOSSARIO
49
Realizzazione della presentazione sui motori
elettrici

• Autori Bego Dias Rafael Judy e Ucci Matteo
• Classe 5B Elettronica
• Scuola ITIS Lanciano (CH)

GLOSSARIO
INDICE
RICERCHE DI APPROFONDIMENTO
DALL'INIZIO