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
dt
Interpreta la nascita di una f.e.m. per effetto della
variazione di B su un circuito di N spire.
Le correnti indotte (quando possono circolare) si oppongono alla causa
che le ha generate.
α (angolo tra B e la direzione normale a S)
B
S
_
φB varia nel tempo se variano
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
lx
T
x x x x x x x
e
d
d
dx
  ( BS )   Bl
  Blu
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
x x x x x x x x
F
x x x x x x x x
x x x x x x x x
G
F = B · l· i
Il movimento fa nascere una f.e.m. che si
contrappone facendo circolare una i’ che
si contrappone a i
Il motore elettrico a corrente continua
Fase 1
Fase 2
Quando la corrente scorre negli
avvolgimenti, si genera un
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.
Il rotore continua
a girare.
Fase 3
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.
Fase 4
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 sent


i2  I x sen(t  120)  
i3  I x sen(t  240)
h1  GI x sent
h2  GI x sen(t  120)
h3  GI x sen(t  240)
3 campi magnetici
diretti normalmente
al piano delle
corrispondenti spire
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
hy  (h3  h2 ) cos 30 
3
(h3  h2 )
2
Campo Rotante Galileo Ferraris
hx  h1 
1
1
1
(h2  h3 )  GI x sent  GI x sen(t  120)  GI x sen(t  240) 
2
2
2

1
1

 GI x sent  sent cos120  cos tsen120  sent cos 240  cos tsen 240 
2
2


 3 1
 3 
1

 1 1
 1 1
 GI x sent  sent     cos t 
  sent     cos t 
 
2
 2 2
 2 2

 2  2
 2 

1
3
1
3

 GI x sent  sent 
cos t  sent 
cos t  
4
4
4
4


 3
1

 GI x sent  sent   GI x sent
2

 2
Essendo:
sen(   )  sen cos   sen cos 
Campo Rotante Galileo Ferraris
hy 

3
3
(h3  h2 ) 
GI x sen(t  240)  sen(t  120) 
2
2
3
GI x sent cos 240  cos tsen 240  sent cos120  cos tsen120 
2

 1
3
3
1
3


GI x  sent 
cos t  sent 
cos t  
2
2
2
2

 2


3
3
GI x  3 cos t  GI x cos t
2
2
Essendo:
sen(   )  sen cos   sen cos 
Campo Rotante Galileo Ferraris
Di conseguenza:
2
2
3
3
 3

H  hx2  hy2   GI x sent    GI x cos t   GI x
2
2
 2

; 
tg
hx
 tgt
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
Motore ad asse orizzontale con
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
ferro di statore
cuscinetti
conduttori attivi di
rotore (indotto)
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
Cerchione
Motore
elettrico
Rotore
Statore
Albero
fisso
Cuscinetti
Connessione
meccanica
Vantaggi delle motoruota
• eliminazione cambio e del differenziale
riduzione delle perdite
 maggiore affidabilità
 minore rumorosità
• utilizzo dei m.p.
assenza perdite eccitazione
 traferri ampi
 maggiore densità di coppia
Motoruote brushless a magneti permanenti
Problematiche
• configurazione complessa
• progetto non consolidato
• collocazione nella ruota
• smagnetizzazione dei m.p.
• costi dei m.p.
 alti costi di produzione
 affidabilità?
 vincoli dimensionali
 limiti di temperatura
 limiti su fmm di indotto
 raffreddamento
Motoruote brushless a magneti permanenti
Configurazioni in ragione della distribuzione di flusso:
radiale (a), assiale monolatero (b) assiale bilatero (c)
Pneumatico
Cerchione
Motore
elettrico
Motore
elettrico
Rotore
Rotore
Statore
Albero
fisso
Connessione
meccanica
Cuscinetti
Connessione
meccan ica
meccanica
(a)
(b)
Rotori
(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
e tecnologie consolidate)
m.p.
• Taglie diverse variando unicamente la
profondità assiale (a parità di diametro)
statore
bobine di fase
RFPM
• Ondulazione di coppia ridotta con profili
opportuni dei denti statorici o con skewing
dei m.p. (maggiori costi)
m.p.
bobina
condotto di raffreddamento
statore
Motore a flusso assiale (AFPM-NS)
bobine
di fase
statore
•Coppia sviluppata su due superfici
laterali (configurazioni double-side)
•Effetto ridotto degli urti in senso
verticale
•Compensazione delle forze assiali
esercitate dai m.p.
nucleo
rotorico •Ondulazione di coppia compensata
sfasando i m.p. sui due lati
m.p.
•Sdoppiamento delle bobine di fase
bobine di

fase
riduzione d’ingombro e installazione
raffreddamento
facilitata (cablaggio più laborioso);
AFPM-NS