2-1-1c Motori elettrici incluso le metodologie di avviamento

INTENSITÀ DEL CAMPO MAGNETICO

Per calcolare l'intensità del campo magnetico B ci mettiamo tra le espansioni o poli di un magnete permanente ad U in cui il campo magnetico B è di tipo uniforme. Considerando una particella carica q in movimento con una certa velocità V genera un campo magnetico. Se la carica penetra con una velocità V perpendicolare alle linee di flusso del campo magnetico uniforme B tra i poli del magnete nasce l'interazione di due campi magnetici che da origine ad una forza che farà descrivere alla carica un orbita di tipo circolare. L'unità di misura del campo magnetico è il Tesla. Le cariche elettriche che stanno attraversando lo schermo in questo momento si muovono di moto rettilineo uniforme. Se all’improvviso accendiamo un campo magnetico uniforme e perpendicolare alla velocità delle particelle perché uscente dallo schermo, le cose cambiano: la carica adesso sente una forza che sappiamo essere di origine magnetica e comincia a muoversi di moto circolare uniforme.

FORZA DI LORENTZ

La forza magnetica che agisce sulla particella dunque, non fa cambiare il modulo del vettore velocità V ⃗ ma modifica solo la sua direzione. L’energia cinetica della particella carica non cambia perciò il lavoro compiuto su di essa dalla forza magnetica è nullo.

Ma ciò significa che la forza di cui stiamo parlando F ⃗q è perpendicolare in ogni punto allo spostamento ∆s ⃗ e di conseguenza alla velocità della carica q. In altre parole la forza magnetica è la forza centripeta che determina il moto circolare di una particella carica inserita in un campo magnetico. 

Gli esperimenti mostrano che il raggio della traiettoria assunta da una particella di massa m e carica q è uguale alla massa per la velocità v fratto la carica q per il campo magnetico B. Il raggio dell’orbita circolare è dunque direttamente proporzionale alla massa m della particella e alla sua velocità v, è inversamente proporzionale alla sua carica q e al campo magnetico B presente.

Se inseriamo l’espressione del raggio r = mv/qB nella formula per la forza centripeta Fc = m v2/r otteniamo il modulo della forza magnetica che agisce su una carica q che ha una velocità v perpendicolare al campo magnetico B. Questa forza che è perpendicolare sia alla velocità che al campo magnetico si chiama forza di Lorentz. Poiché la forza di Lorentz è istante per istante perpendicolare alla velocità e quindi allo spostamento, si ha che il lavoro da essa compiuto è sempre nullo. Infatti: L = F s cosα ed essendo F ⃗  ⊥ s ⃗  si ha che α = 90° e quindi cos α=0. Quindi la forza di Lorentz è una forza che non compie lavoro! 

COME E’ FATTO IL CAMPO MAGNETICO INDOTTO

Come abbiamo visto, quando avviciniamo una calamita ad un circuito, il campo magnetico B ⃗ nei pressi del circuito aumenta e all’interno del circuito  si genera istantaneamente una corrente elettrica indotta che è dovuta alla variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata dal circuito stesso.

La corrente indotta nel circuito a sua volta crea un campo magnetico, ma come è fatto questo campo magnetico indotto. Per scoprirlo dobbiamo per prima cosa capire qual è il verso della corrente indotta nel circuito.  

Supponiamo che la corrente indotta circoli in senso orario, il campo magnetico indotto in questo caso sarebbe rivolto verso il basso proprio come quello della calamita. Ma un campo di questo tipo non farebbe altro che accentuare l’aumento del flusso totale e ciò allora creerebbe una corrente indotta più intensa e un nuovo campo magnetico indotto innescando così un processo senza fine. Basterebbe insomma far variare il flusso del campo magnetico attraverso un circuito per ottenere gratis una quantità di energia elettrica illimitata. Ma tutto questo è in contrasto col principio di conservazione dell’energia.

Ne concludiamo che nel nostro caso la corrente indotta deve circolare in senso antiorario in modo da contrastare l’aumento del campo magnetico innescato dall’avvicinamento della calamita. Queste considerazioni sono riassunte nella legge di Lenz secondo la quale il verso della corrente indotta è sempre tale da opporsi alla variazione di flusso che la genera.

IL CAMPO MAGNETICO ROTANTE TRIFASE

Consideriamo adesso un rotore che ha 3 paia di avvolgimenti montati in spazi uguali. Due serie di bobine della stessa coppia sono diametralmente opposti e sono collegate in serie. Questo crea tre serie di avvolgimenti montati meccanicamente a 120° tra loro. Se alimentiamo con una tensione trifase i tre avvolgimenti, le correnti nei tre avvolgimenti avranno lo stesso valore ma spostate nel tempo di un angolo di 120° tra loro.

Durante il mezzo ciclo positivo della fase R, la corrente fluirà in questa direzione lungo questi due avvolgimenti. 

In accordo con la regola della mano destra, il flusso magnetico è in questa direzione, creando le polarità Nord e Sud.

Nel mezzo ciclo negativo invece, la corrente fluirà in direzione opposta, perciò anche le linee di flusso magnetico cambieranno direzione.

Per la fase Y durante i mezzicicli positivo e negativo, le linee di flusso saranno in questa direzione. 

Per la fase B durante i mezzicicli positivo e negativo, le linee di flusso saranno in questa direzione. 

La grandezza del flusso è direttamente proporzionale alla corrente, così come la corrente varia nel tempo, il flusso magnetico creato dalle tre fasi varierà di conseguenza come mostrato.

Come le linee di flusso non possono incrociarsi, i tre flussi combinano nel produrre un campo magnetico avente una grossa polarità Nord  e un’altra polarità Sud.

Questo vuol dire che questo statore produce un campo a 2 poli. Il campo magnetico ruota con il tempo e fa un giro completo in un ciclo del flusso corrente. La velocità di rotazione dipende dalla durata di un ciclo o dalla frequenza di alimentazione e dal numero dei poli. Affinchè la velocità di rotazione del campo è necessariamente sincronizzata con la frequenza di alimentazione, essa è chiamata velocità di sincronismo.

Se la frequenza è 50 Hz, il campo risultante fa un giro in 1/50, che sono 3000 giri al minuto. La velocità di sincronismo può essere ridotta aumentando il numero delle coppie polari.

RIEPILOGANDO

In questa fase voglio riepilogare il concetto di campo magnetico rotante semmai la spiegazione data sia stata troppo evasiva. Quando si ha un avvolgimento e dentro vi circola corrente entrando in questa posizione (x) ed uscendo da quest’altra (∙), questa corrente produrrà un campo magnetico, noi possiamo determinare la direzione del campo magnetico usando la regola della mano destra. Durante il passaggio di corrente nella fase R (rossa) la direzione del campo magnetico sarà quella indicata dalla freccia colorata in rosso.

MOTORI A CORRENTE ALTERNATA

Il funzionamento del motore elettrico, si basa sulle leggi dell’ induzione elettromagnetica, di cui abbiamo già esposto i concetti fondamentali. Vediamo nel seguito come è fatto un motore elettrico. Principalmente è costituito da due parti : uno statore che è parte fissa con l’involucro e il rotore che è la parte che trasmette l’energia meccanica attraverso l’asse su cui è costruito. Lo statore contiene diverse scanalature ognuna delle quali contiene una serpentina di rame. Più potente è il motore più grande è lo statore e più larghe sono le scanalature. Il primo passo consiste nel riempire le scanalature con materiale isolante che manterrà il voltaggio lungo le serpentine.

Tanti fili di rame uniti tra loro da macchine programmate, più grande è il motore più fili costituiscono le serpentine. In questo motore ogni serpentina consiste in 13 fasci di fili di rame

Successivamente vengono legate le serpentine, queste serve ad impedire che i fili si sciolgono durante l’inserimento delle serpentine nelle scanalature dello statore. Ogni serpentina una volta inserita nella scanalatura viene coperta da un foglio di lana di vetro, poi si isola la parte delle serpentine che resta fuori dalle scanalature con fogli di lana di vetro. Successivamente vengono inseriti fermi di lana di vetro per fissare le serpentine all’interno delle scanalature.

Quando tutte le serpentine sono state applicate ed isolate, si prepara per la connessione, ogni estremità di serpentina vien isolata con una guaina, 13 serpentine 26 estremità. Poi si raggruppano questi cavi isolati in larghi cavi. I numeri di fili per cavo varia a seconda della velocità e della potenza del motore. I fili dopo essere stati raggruppati sono saldati, alcuni vengono inseriti nello statore ed altri liberi a portata di mano in modo da poter essere collegati ad una fonte di energia una volta che il motore è stato installato. Usando una corda di poliestere resistente al calore e ai reagenti chimici si procede a legare saldamente le serpentine per assicurare che non si potranno muovere quando il rotore girerà. Questa unità di serpentine è denominata avvolgimento dello statore.

Successivamente si sommerge lo statore in una vasca contenete vernice a base di poliestere che viene fatta così penetrare al suo interno. Questo processo rende l’avvolgimento dello statore resistente all’umidità dopo di che viene posto in un forno a 135° C per 6 ore. La vernice si indurisce e rende isolante lo statore.

Quando tutte le serpentine sono state applicate ed isolate, si prepara per la connessione, ogni estremità di serpentina vien isolata con una guaina, 13 serpentine 26 estremità. Poi si raggruppano questi cavi isolati in larghi cavi. I numeri di fili per cavo varia a seconda della velocità e della potenza del motore. I fili dopo essere stati raggruppati sono saldati, alcuni vengono inseriti nello statore ed altri liberi a portata di mano in modo da poter essere collegati ad una fonte di energia una volta che il motore è stato installato. Usando una corda di poliestere resistente al calore e ai reagenti chimici si procede a legare saldamente le serpentine per assicurare che non si potranno muovere quando il rotore girerà. Questa unità di serpentine è denominata avvolgimento dello statore.

Poi si passa al bilanciamento del rotore che se è fuori fase il motore vibra diminuendo le sue prestazioni. Lo si bilancia così come il meccanico bilancia i pneumatici ma con una precisione 100 volte maggiore. A questo punto il rotore viene montato nello statore, il rotore girerà su sostegno di acciaio ovvero i cuscinetti che vengono dapprima riscaldati per posizionarli senza sforzo e poi soffiati per contrarli alla giusta dimensione. La stessa operazione vale per la chiusura posteriore e la chiusura anteriore del motore. Poi viene installata la ventola sulla copertura posteriore il cui compito è quello di raffreddare il motore e non farlo surriscaldare durante il funzionamento. La ventola viene bloccata con un sistema di sicurezza (in genere un anello elastico per esterni) e alla fine viene installata anche una copertura per suddetta ventola. Il motore ultimato viene sottoposto a vari test per essere accettato dai vari registri da cui sarà classificato.

Il campo magnetico rotante viene creato nello statore con la stessa frequenza della tensione di alimentazione. Con il rotore bloccato, il campo magnetico rotante taglia le barre del rotore incrociandole e induce in esse una tensione. Siccome le barre del rotore sono chiuse in corto circuito dagli anelli, la tensione indotta crea un grande flusso di corrente. I conduttori di corrente sono nel percorso di flusso creato dallo statore, di conseguenza, tutti danno luogo ad una forte forza meccanica.

La somma delle forze meccaniche sulle barre del rotore producono un momento torcente che tende a trascinare il rotore nella stessa direzione del campo magnetico rotante. Non appena il rotore viene sbloccato, esso ha un’accellerazione rapida con verso simile al campo magnetico rotante. Non appena il rotore raccoglie il picco di velocità, quest’ultima poi diminuisce progressivamente. Questo provoca l’abbassamento della frequenza della tensione indotta perché le barre del rotore vengono tagliate ad una velocità inferiore. 

Il rotore potrà prendere velocità, ma non sarà mai superiore a quella rotante del campo magnetico. Questo perché se il rotore girerebbe alla stessa velocità del campo magnetico, il flusso magnetico non taglierebbe più le barre del rotore non inducendo più una tensione e quindi azzerando la corrente facendo arrestare il rotore. 

La velocità del rotore è sempre leggermente inferiore alla velocità di sincronismo in modo da produrre una corrente nelle barre del rotore sufficientemente grande per superare la coppia frenante. La differenza tra la velocità di sincronismo e quella del rotore, espressa in percentuale è chiamata scorrimento.. 

Si possono trovare molti motori in corrente continua in applicazioni di tipo casalingo: a bordo è difficile trovare l’utilizzo di un motore in corrente continua, seguiamo il funzionamento di questa macchina elettrica perché ancora presente su alcune navi mercantili, specie utensileria elettrica sia meccanica che elettrica.

In questo video comprenderemo la logica di funzionamento e la loro costruzione. Iniziamo con il più semplice del motore in corrente continua, il motore è come mostrato nella figura, statore (N – S), rotore e collettore

Lo statore fornisce un campo magnetico costante e l’armatura, che è la parte rotante, è una semplice bobina. L’armatura è collegata ad una sorgente di corrente continua attraverso una coppia di anelli (collettore). Quando la corrente attraversa la bobina, una forza elettromagnetica è indotta su di essa secondo la legge di Lorenz.

Così la bobina inizia a ruotare. Da notare cosa succede durante la rotazione: gli anelli del commutatore collegati con l’alimentazione di polarità opposta, sul lato sinistro la corrente fluirà in direzione opposta a noi, mentre sul lato destro fluirà sempre verso di noi. Questo assicura che l’azione della coppia è sempre nella stessa direzione durante il movimento del rotore.

Così la bobina continuerà a ruotare, ma se osserviamo da vicino l’azione della coppia sulla bobina noteremo che quando la bobina è quasi perpendicolare al flusso magnetico, il momento torcente è quasi nullo.

Questo provocherà un movimento irregolare del rotore se lo si fa funzionare come motore in corrente continua. Per superare questo problema, aggiungiamo una bobina al rotore con relativa coppia di anelli dedicati. Con questa disposizione quando la prima bobina è in posizione verticale, la seconda bobina sarà collegata alla fonte di alimentazione in modo che la forza del motore è sempre presente nel sistema.

Inoltre più bobine ci sono, più regolare sarà la rotazione del motore. Nel motore reale le bobine sono inserite dentro fessure del rotore costituiti da strati di acciaio ad alta permeabilità magnetica. Questo permetterà di migliorare l’interazione del flusso magnetico

Le spazzole sono tenute in contatto col collettore attraverso delle molle per mantenere l’alimentazione. Per motori in corrente continua di piccole taglie vengono usati magneti permanenti come statore. Molto spesso viene usato un campo elettromagnetico. Il campo elettromagnetico della bobina è alimentato dalla stessa alimentazione DC

Le bobine possono essere collegate agli avvolgimenti rotorici in due diversi modi parallelo e serie. Il risultato è di due differenti tipi di costruzione di motore elettrico c.c. , motori «SHUNT» e «SERIE».

Il motore «SERIE» ha una buona coppia di spunto, ma la velocità scende drasticamente con il carico. Il motore «SHUNT» ha una coppia di spunto bassa ma è in grado di funzionare a velocità quasi costante indipendentemente dal carico agente sul motore.

A differenza di altre macchine elettriche, i motori a corrente continua presentano una caratteristica unica: la produzione di un campo elettromagnetico (EMF) inverso. Una bobina rotante in un campo magnetico produce un campo elettromagnetico EMF secondo il principio dell’induzione elettromagnetica.

Gli avvolgimenti rotanti hanno lo stesso comportamento, verrà indotto un campo elettromagnetico EMF interno che si oppone alla tensione di ingresso applicata. Il campo elettromagnetico EMF inverso riduce di molto la corrente nell'avvolgimento ed è proporzionale alla velocità del rotore.

All’avviamento del motore il campo elettromagnetico EMF inverso è molto basso, quindi la corrente nell’avvolgimento è molto alta e porta alla bruciatura del rotore. Così un corretto meccanismo di partenza controlla la tensione d’ingresso applicata necessaria nei grandi motori a corrente continua.

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