Motori elettrici per la trazione veicolare - Vincenzo Di Dio
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Motori elettrici
per la trazione veicolare
Vincenzo Di Dio
Tipologie di motori elettrici
utilizzati per la trazione veicolare
• Motori a corrente continua
Sincroni
• Motori a corrente alternata
Asincroni
Correnti elettriche e campi magnetici La corrente elettrica produce effetti uguali a quelli di un magnete, cioè crea un campo magnetico. Se una corrente elettrica fluisce lungo un conduttore verticale dal basso verso l’alto; un ago magnetico, libero di ruotare, si orienta su un piano orizzontale perpendicolarmente al conduttore indirizzando il proprio polo Nord in senso antiorario se visto dall’alto.
Legge di Faraday – Newman – Maxwell - Lenz
d
e N
Interpreta la nascita di una f.e.m. per effetto della
variazione di B su un circuito di N spire.
dt
Le correnti indotte (quando possono circolare) si oppongono alla causa
che le ha generate.
α (angolo tra B e la direzione normale a S)
_
φB varia nel tempo se variano B
S
Legge di Faraday – Newman – Maxwell - Lenz
Variazioni di φ per variazione di S
x x x x xix x x
x x x x x x x x d d dx
e ( BS ) Bl Blu
lx x x x x x x x
T dt dt dt
T verso destra => I è antioraria
x x x x x x x x
Il sistema reagisce con una F = B ·l·i che si oppone al moto (sforzo
frenante contrapposto al tiro)
In assenza di attrito la potenza meccanica immessa nel sistema ( T ·u ) è
uguale alla potenza elettrica generata ( e ·i ).
Legge di Faraday – Newman – Maxwell - Lenz
Il funzionamento è reversibile => pr incipio di funzionamento del motore
elettrico
x x x x xi x x x
F = B · l· i
x x x x x x x x
F
x x x x x x x x Il movimento fa nascere una f.e.m. che si
contrappone facendo circolare una i’ che
si contrappone a i
x x x x x x x x
G
Il motore elettrico a corrente continua
Fase 1 Fase 2
Quando la corrente scorre negli Il rotore continua
avvolgimenti, si genera un a girare.
campo magnetico intorno al
rotore. La parte sinistra del
rotore è respinta dal magnete di
sinistra ed attirata da quello di
destra. Analogamente fa la
parte in basso a destra. La
coppia genera la rotazione.
Fase 3 Fase 4
Quando le armature si allineano
orizzontalmente, il collettore
inverte la direzione di corrente
attraverso gli avvolgimenti,
modificando anche il campo
magnetico. Il processo ritorna
quindi allo stato di partenza e il
ciclo si ripete.
Il motore elettrico a corrente continua Il motore in corrente continua ha una parte che gira (rotore) e una parte che genera il campo magnetico fisso (nell'esempio i due magneti colorati) detta statore. Il collettore a spazzole inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica che percorre i due avvolgimenti generando un campo magnetico che entra ed esce dalle parti arrotondate dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i magneti permanenti fissi. La velocità di rotazione dipende da: – Tensione applicata. – Corrente assorbita dal rotore. – Carico applicato La coppia generata è proporzionale alla corrente Il controllo è molto semplice
Il motore elettrico a corrente continua
Il motore elettrico a corrente continua
Collettore a lamelle: è un organo costituito da tante
lamelle di rame trafilate a sezione trapezoidale
disposte una contigua all’altra in modo da formare
una struttura cilindrica cava, interponendo tra l’una e
l’altra una lastrina di materiale isolante (in genere un
foglio di mica dello spessore di qualche millimetro).
Forcella: è una sbarretta di rame a forma di Y che viene
opportunamente sagomata al fine di consentire il
collegamento dei capi delle sezioni dell’avvolgimento
rotorico con ciascuna lamella di rame del collettore.Campo Rotante Galileo Ferraris
Consideriamo 3 spire disposte
sfasate di 120° nello spazio, in un
mezzo a permeabilità magnetica
costante, attraversate da un
sistema trifase simmetrico di
correnti.Campo Rotante Galileo Ferraris
i1 I x sent 3 campi magnetici
i2 I x sen(t 120) diretti normalmente
al piano delle
i3 I x sen(t 240) corrispondenti spire
h1 GI x sent
h2 GI x sen(t 120)
h3 GI x sen(t 240)Campo Rotante Galileo Ferraris
Consideriamo le componenti del
campo risultante secondo x e y.
1
hx h1 (h2 h3 ) cos 60 h1 (h2 h3 )
2
3
hy (h3 h2 ) cos 30 (h3 h2 )
2Campo Rotante Galileo Ferraris
1 1 1
hx h1 (h2 h3 ) GI x sent GI x sen(t 120) GI x sen(t 240)
2 2 2
GI x sent sent cos120 cos tsen120 sent cos 240 cos tsen 240
1 1
2 2
1 1 1 3 1 1 1 3
GI x sent sent cos t sent cos t
2 2 2 2 2 2 2 2
1 3 1 3
GI x sent sent cos t sent cos t
4 4 4 4
1 3
GI x sent sent GI x sent
2 2
Essendo: sen( ) sen cos sen cos Campo Rotante Galileo Ferraris
GI x sen(t 240) sen(t 120)
3 3
hy (h3 h2 )
2 2
GI x sent cos 240 cos tsen 240 sent cos120 cos tsen120
3
2
3 1 3 1 3
GI x sent cos t sent cos t
2 2 2 2 2
GI x 3 cos t GI x cos t
3 3
2 2
Essendo: sen( ) sen cos sen cos Campo Rotante Galileo Ferraris
Di conseguenza:
2 2
3 3 3
H hx2 hy2 GI x sent GI x cos t GI x
2 2 2
hx
tg
; tgt
hy
Si ottiene un campo di intensità costante che ruota a pulsazione ω pari a quella
delle correnti sinusoidali di alimentazione delle bobine.
La successione con cui si alimentano le bobine determina il verso di rotazione del
campo.
In generale il verso di rotazione è quello della successione dei ritardi.I motori elettrici a corrente alternata
Motore asincrono Il motore asincrono è un motore elettrico in corrente alternata in cui la velocità di rotazione dell'albero è minore della velocità di rotazione del campo magnetico generato dagli avvolgimenti di statore, ovvero non c'è sincronismo tra le due velocità; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di seguito.
Motore asincrono
Motori di piccola e media
potenza
Motore ad asse orizzontale con
Motore ad asse orizzontale ventilazione a circuito apertoMotore asincrono
Motore di potenza
alette di
raffreddamento
asse orizzontale, supporti a
cavalletto, raffreddamento a
circuito apertoMotore asincrono ad asse verticale
cuscinetti
di guida
reggispintaMotore asincrono - Caratteristiche costruttive
L
conduttori attivi di
ferro di statore rotore (indotto)
cuscinetti ventola di
raffreddamento
D
ferro di
rotore
scudo di
supporto
alette di
raffreddamento
avvolgimento di statore (induttore) alette rotanti di
raffreddamentoMotore asincrono - Caratteristiche costruttive
d
e N
dt
Le correnti indotte
(quando possono
circolare) si oppongono
alla causa che le ha
generate.
n
F=B∙l∙iMotore asincrono - Caratteristiche costruttive
Macchina sincrona con tale denominazione vengono indicate tutte le macchine (generatori e motori) a c.a. la cui velocità di funzionamento è costantemente e rigidamente legata alla frequenza della tensione generata o applicata ai morsetti «Sincrono» deriva dal greco: “sýn” significa “con”, “chrónos” significa “tempo”
Motore brushless a magneti permanenti Statore dove ha sede un avvolgimento, tipicamente trifase connesso a stella, attraverso cui il motore viene alimentato Rotore dotato di magneti permanenti capaci di instaurare un campo magnetico al traferro del tutto simile a quello prodotto dall’avvolgimento di eccitazione posto sul rotore dei normali motori sincroni; Vantaggi dei motori brushless: elevata densità di potenza, volumi ridotti facilità di controllo ridotta manutenzione, ridotto peso e momento d’inerzia più elevate accelerazione e velocità, Svantaggi dei motori brushless : costi non proprio competitivi (dovuti ai magneti permanenti) necessità di un circuito elettronico di commutazione dell’alimentazione
Motori brushless a magneti permanenti
Classificazione e nomenclatura
con gabbiaMotori brushless a magneti permanenti
Classificazione e nomenclatura
Gli azionamenti con motori a magneti permanenti senza gabbia possono essere
classificati, in base alla tecnica di controllo impiegata, essenzialmente nelle due
seguenti categorie:
- azionamenti con motori a m. p. con alimentazione sinusoidale;
- azionamenti con motori a m. p. con alimentazione rettangolare.
Alla prima categoria appartengono gli azionamenti con continua retroazione della
posizione del rotore al fine di alimentare il motore con tensioni o correnti
sinusoidali: ciò viene ottenuto applicando la tecnica della modulazione della
larghezza di impulso alla grandezza continua in ingresso all'inverter. In questo caso
la f.e.m. ideale del motore é sinusoidale e pertanto quando nelle fasi del motore
stesso fluiscono correnti sinusoidali viene prodotta una coppia elettromagnetica
costante (PM synchronous e A.C brushless).
Gli azionamenti con motori a m.p., alimentati con onda rettangolare, per la
commutazione delle correnti di fase, si basano invece su una retroazione non
continua della posizione di rotore, ma piuttosto ottenuta in punti fissi e ben
determinati, per esempio ogni 60 gradi elettrici. In questo caso le correnti imposte
alle fasi della macchina hanno forma rettangolare.Motoruote brushless a magneti permanenti
Pneumatico Vantaggi delle motoruota
Motore
Cerchione
elettrico • eliminazione cambio e del differenziale
Rotore riduzione delle perdite
Statore
maggiore affidabilità
minore rumorosità
Albero
fisso • utilizzo dei m.p.
Cuscinetti assenza perdite eccitazione
Connessione traferri ampi
maggiore densità di coppia
meccanicaMotoruote brushless a magneti permanenti
Problematiche
• configurazione complessa alti costi di produzione
• progetto non consolidato affidabilità?
• collocazione nella ruota vincoli dimensionali
• smagnetizzazione dei m.p. limiti di temperatura
limiti su fmm di indotto
raffreddamento
• costi dei m.p.Motoruote brushless a magneti permanenti
Configurazioni in ragione della distribuzione di flusso:
radiale (a), assiale monolatero (b) assiale bilatero (c)
Pneumatico
Cerchione
Motore Motore
elettrico elettrico
Rotore Rotore
Statore
Albero
fisso Connessione
Cuscinetti meccanica
Connessione
meccan ica
meccanica Rotori
(a) (b) (c)Tipologie di motoruote a magneti permanenti
• motore a flusso radiale • motore a flusso radiale
(radial flux PM m.: RFPM) (axial flux PM m.: AFPM)
AFPM
RFPMMotore a flusso radiale (RFPM)
nucleo rotorico
• Facilità di assemblaggio (configurazione
m.p. e tecnologie consolidate)
• Taglie diverse variando unicamente la
profondità assiale (a parità di diametro)
• Ondulazione di coppia ridotta con profili
statore
opportuni dei denti statorici o con skewing
bobine di fase
dei m.p. (maggiori costi)
RFPM m.p.
bobina
condotto di raffreddamento
statoreMotore a flusso assiale (AFPM-NS)
bobine
di fase
•Coppia sviluppata su due superfici
laterali (configurazioni double-side)
•Effetto ridotto degli urti in senso
verticale
•Compensazione delle forze assiali
nucleo esercitate dai m.p.
rotorico •Ondulazione di coppia compensata
statore
m.p. sfasando i m.p. sui due lati
bobine di •Sdoppiamento delle bobine di fase
fase
raffreddamento riduzione d’ingombro e installazione
facilitata (cablaggio più laborioso);
AFPM-NSPuoi anche leggere
