Motori elettrici per la trazione veicolare - Vincenzo Di Dio
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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 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 ) 2
Campo 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 aperto
Motore asincrono Motore di potenza alette di raffreddamento asse orizzontale, supporti a cavalletto, raffreddamento a circuito aperto
Motore asincrono ad asse verticale cuscinetti di guida reggispinta
Motore 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 raffreddamento
Motore 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∙i
Motore 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 gabbia
Motori 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 meccanica
Motoruote 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 RFPM
Motore 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 statore
Motore 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-NS
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