L’AUTOMOBILE AD IDROGENO:
IL MOTORE ELETTRICO PER LA TRAZIONE
PROGETTO REALIZZATO DALL’IPIAS «A. ZOLI» DI ATRI
(TE) IN COLLABORAZIONE CON LA FONDAZIONE
TERCAS A.S. 2012/13
Docenti:
•Di Pietro Giuseppe
•Sansonetti Ivano
•Classi III A e IV A IPIAS
Motori Elettrici
In alternata
 Sincroni
 Asincroni
In continua:
 motori DC universali
 a impulsi
• Passo-passo
• Brushless
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Motori in continua DC
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MOTORI UNIVERSALI
Sono i classici motori che troviamo ovunque,
Vantaggi
 poco costosi,
 leggeri
 si possono comandare con estrema facilità, variandone la
tensione di alimentazione si varia la velocità,
 Possono raggiungere velocità di rotazione di 20 mila giri
minuto;
Svantaggi
 la presenza di spazzole e collettore che oltre ad usurarsi
generano disturbi e calore,
 scarsa precisione sia per il posizionamento sia per la velocità
di rotazione (quest'ultima in particolare è legata a fattori
variabili quali la temperatura)
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Le macchine in corrente continua (DC) sono versatili e molto usate nell’industria. Possono
operare come generatori o come motori, anche se il loro uso come generatori è piuttosto
limitato, dato l’uso diffuso dell’energia elettrica in AC. Come motori sono molto comuni poiché
la loro velocità può essere controllata con relativa facilità. In particolare vengono usati piccoli
motori DC per realizzare dispositivi di controllo: i servomotori per il posizionamento.
Lo statore di tale macchina è a poli salienti. L’avvolgimento di campo è sullo statore, quello di
armatura è sul rotore. Una corrente continua percorre l’avvolgimento di campo e produce il
flusso magnetico nella macchina. La tensione indotta nell’avvolgimento di armatura è
alternata. Un commutatore meccanico o un convertitore AC/DC elettrico rendono la tensione
dell’avvolgimento di armatura unidirezionale.
Principi di funzionamento
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Consideriamo una macchina a due poli. La distribuzione del flusso al traferro è quella
mostrata in figura. Consideriamo un avvolgimento a-b posto sul rotore. I due morsetti sono
collegati ad un anello conduttore. Due spazzole sono posizionate sui due anelli. Se il rotore è
in rotazione, vengono indotte delle tensioni sui due conduttori. Essendo i due tratti di
conduttore in serie, tali tensioni si sommano. La tensione complessiva eab è quindi alternata e
la sua forma d’onda nello spazio è la stessa di quella del flusso al traferro.
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Caratteristiche fondamentali
un motore DC è dotato di due morsetti
la velocità e il verso di rotazione dell'albero
motore dipendono dalla corrente tra i morsetti
cambiando il verso della corrente si cambia il
verso di rotazione dell'albero
+
-
-
+
aumentando o diminuendo il modulo della
corrente varia la coppia fornita dal motore
Il Commutatore
•
•
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Sostituiamo i due anelli conduttori con due semianelli (che costituiscono il commutatore). Il
segmento Ca è connesso al morsetto a della spira e il segmento Cb al morsetto b. Per una
rotazione antioraria del rotore il morsetto sotto il polo N è positivo rispetto al morsetto sotto il
polo S. Quindi la spazzola B1 è sempre connessa al morsetto positivo e la spazzola B2 al
morsetto negativo. Quindi, anche se la tensione eab ai morsetti della spira è alternata, la
tensione alla spazzole e12 è unidirezionale.
In una macchina reale si usano molti avvolgimenti distribuiti e questi rendono la e12 molto
simile ad una tensione continua.
Funzionamento come motore
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Nel funzionamento come motore, la corrente viene portata all’avvolgimento di rotore
attraverso le spazzole, che fanno sì che la corrente abbia sempre lo stesso verso nei
conduttori sotto lo stesso polo, così da avere una coppia costante:
Configurazioni delle macchine DC
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A seconda dell’alimentazione e del collegamento degli avvolgimenti di campo e di armatura si
hanno differenti configurazioni:
Confronto tra motori DC a campo avvolto e
PM
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I motori PM sono più piccoli e più leggeri dei motori a campo avvolto per una data potenza
nominale. Inoltre hanno maggiore efficienza data la mancanza di perdite nell’avvolgimento di
campo.
Un ulteriore vantaggio dei motori PM è la loro caratteristica velocità-coppia essenzialmente
lineare, che ne rende molto più semplice l’analisi e il controllo. Anche l’inversione della
rotazione si ottiene facilmente, invertendo la polarità della sorgente.
Un notevole svantaggio dei motori PM è che possono smagnetizzarsi se vengono esposti a
campi magnetici elevati o a temperature troppo alte o troppo basse.
Uno svantaggio meno ovvio dei motori PM è che le loro prestazioni variano da motore a
motore più che nei motori avvolti, date le variazioni dei materiali ferromagnetici.
Rotore
Statore a magneti permanenti
Il circuito equivalente
elettrico
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Il circuito equivalente di un motore DC è costituito da una
resistenza Ra (qualche ohm), da un induttore La
(milliHenry, ininfluente a regime ma importante alla
partenza e per i problemi che causa) e da un
generatore di tensione Eg, proporzionale alla velocità
di rotazione.
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Caratteristiche fondamentali
un motore DC è dotato di due morsetti
la velocità e il verso di rotazione dell'albero
motore dipendono dalla corrente tra i morsetti
cambiando il verso della corrente si cambia il
verso di rotazione dell'albero
+
-
-
+
aumentando o diminuendo il modulo della
corrente varia la coppia fornita dal motore
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Regolare la velocità di rotazione
Regolare la velocità ad "anello aperto“ L'obbiettivo è ottenere
una velocità sostanzialmente omogenea senza effettuare una
misura diretta della stessa. Infatti misurare la velocità di rotazione
è un'operazione relativamente complessa e costosa, giustificata
solo se sono richieste prestazioni elevate. Se il carico è variabile
per mantenere costante la velocità è necessario aumentare la
tensione all'aumentare della corrente erogata, cioè occorre
realizzare un regolatore di tensione con resistenza di uscita
negativa.
Regolare la velocità ad "anello chiuso“ Per la regolazione in
anello chiuso è necessario misurare la velocità effettiva per
esempio attraverso un sensore (dinamo tachimetrica o encoder
incrementale). La velocità deve poi essere confrontata con la
velocità voluta ed il risultato utilizzato per determinate la tensione
di alimentazione del motore. Questo metodo, peraltro necessario
se viene richiesta una certa precisione, si scontra con la
possibilità di creare un sistema instabile
Controllo ON-OFF
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il pilotaggio più semplice è quello ON-OFF che
permette di comandare il motore solo alla
massima velocità di rotazione in un verso
(interruttore ON) oppure fermarlo (interruttore
OFF):
Questo tipo di controllo non permette
né la regolazione della velocità del
motore né la possibilità di far girare il
motore in entrambi i versi di rotazione.
Per far girare il motore nel verso
opposto è necessario infatti invertire il
segno della corrente che passa
all'interno del motore stesso