Il motore

Un motore è un dispositivo elettromagnetico che realizza la conversione o la trasmissione di energia elettrica secondo la legge dell'induzione elettromagnetica. I motori elettrici possono essere classificati come motori elettrici e generatori. Un motore elettrico è rappresentato dalla lettera M nel circuito. La sua funzione principale è quella di produrre coppia motrice, come fonte di alimentazione di apparecchi elettrici o vari macchinari. Nel circuito, la lettera G rappresenta un generatore. Un generatore converte l'energia meccanica in energia elettrica.

Componenti di motori

Le due parti meccaniche di un motore elettrico sono chiamate rotore e statore. Le due parti elettriche sono chiamate magnete e indotto, uno attaccato al rotore e uno allo statore. Questi magneti, siano essi magneti permanenti o elettromagneti, generano un campo magnetico attraverso l'indotto. I magneti del campo magnetico possono trovarsi sullo statore mentre l'indotto sarebbe sul rotore, ma può anche essere il contrario.

Cuscinetti

È montato su cuscinetti. I cuscinetti trasportano forze di carico assiali e radiali attraverso l'albero fino all'alloggiamento del motore, in modo che il rotore giri sull'albero.

Rotore

Il rotore è la parte mobile che fornisce potenza meccanica. Il rotore è normalmente dotato di conduttori che trasportano una corrente elettrica. Il campo magnetico dello statore esercita una forza sul conduttore, facendo ruotare l'albero. Alcuni rotori trasportano magneti permanenti. I magneti permanenti hanno un'elevata efficienza su un'ampia gamma di velocità operative e potenza.

Vuoto d'aria

Il traferro d'aria tra statore e rotore consente la rotazione di quest'ultimo. La larghezza del traferro d'aria ha un'influenza sostanziale sulle caratteristiche elettriche del motore. Di norma, più stretto è il traferro d'aria, migliori sono le prestazioni del motore. Questo perché un traferro d'aria in eccesso riduce le prestazioni. D'altro canto, un traferro d'aria troppo piccolo crea attrito oltre al rumore.

L'albero del motore è esterno al motore per soddisfare i requisiti di carico. Inoltre, poiché la forza di carico è oltre il cuscinetto più lontano, è noto come carico sospeso.

statore

Il 

Lo statore è posizionato attorno al rotore e di solito include i magneti di campo, che possono essere magneti permanenti o elettromagneti (cablaggio attorno a un nucleo ferromagnetico). Questi magneti creano un campo magnetico che permea l'armatura del rotore e genera una forza sugli avvolgimenti del rotore. Il nucleo dello statore contiene molti sottili fogli di metallo isolati chiamati laminati realizzati in acciaio elettrico con proprietà quali permeabilità, isteresi e saturazione. Se ci fosse un nucleo solido, verrebbero prodotte correnti parassite, ma questo effetto è ridotto al minimo impilando i fogli. Per i motori CA alimentati dalla rete elettrica, i conduttori degli avvolgimenti sono impregnati di vernice nel vuoto, eliminando le vibrazioni del filo che altrimenti cortocircuiterebbero l'isolamento e ridurrebbero la durata del motore. I motori incapsulati in resina, utilizzati in applicazioni come pompe sommergibili per pozzi profondi, lavatrici e condizionatori d'aria, hanno gli avvolgimenti degli statori racchiusi in resina plastica per prevenire la corrosione e ridurre il rumore condotto.

Armatura

Un'armatura è un filo avvolto attorno a un nucleo ferromagnetico. Quando la corrente passa attraverso i fili, un campo magnetico esercita una forza (forza di Lorentz) su di essi che fa ruotare il rotore. Gli avvolgimenti sono bobine avvolte attorno a un nucleo ferromagnetico laminato in ferro dolce, che quando viene energizzato dai poli magnetici.

Esistono due configurazioni in cui si presentano i motori, con e senza poli magnetici. Nei motori a poli di sale, i nuclei ferromagnetici del rotore e dello statore contengono proiezioni chiamate poli che si fronteggiano. Sotto la faccia del polo, ogni polo contiene un avvolgimento di filo. Il flusso di corrente in questi fili trasforma questi poli in poli nord e sud. In un motore a poli non obliqui, noto anche come motore a campo distribuito o a rotore circolare, il nucleo ferromagnetico è un cilindro liscio. I suoi avvolgimenti sono distribuiti uniformemente in fessure attorno alla circonferenza. La corrente alternata negli avvolgimenti produce un polo magnetico in rotazione continua nel nucleo. I motori a poli ombreggiati hanno un avvolgimento attorno ad alcuni dei poli che ritardano la fase del campo magnetico in quel polo.

Commutatore

Un commutatore è un interruttore elettrico rotante che fornisce corrente al rotore. Il commutatore inverte periodicamente la corrente negli avvolgimenti del rotore mentre l'albero ruota. Il commutatore ha la forma di un cilindro su cui sono posizionati diversi segmenti di contatto metallici, e disposti su un'armatura. Due o più contatti elettrici chiamati "spazzole" sono costituiti da materiale conduttivo morbido come il carbonio, premuto sulla faccia del commutatore. Durante la rotazione, questo produce un contatto scorrevole con segmenti di commutatore successivi dalle spazzole per l'alimentazione di corrente al rotore, con gli avvolgimenti collegati alle lame del commutatore. Ogni mezzo giro (180°) del commutatore inverte la direzione della corrente negli avvolgimenti del rotore. Pertanto la direzione della coppia applicata al rotore rimane sempre la stessa. Senza questa inversione, la direzione della coppia sull'avvolgimento del rotore viene invertita ogni mezzo giro, arrestando così il rotore. I motori commutati sono stati per lo più sostituiti da motori brushless, motori a magnete permanente e motori a induzione.

Alimentazione e controllo motori

Alimentazione motore

Come accennato in precedenza, i motori DC sono solitamente alimentati tramite un commutatore ad anello aperto-chiuso. Un motore AC può essere commutato tramite un commutatore ad anello scorrevole o un commutatore esterno. Può essere un tipo di controllo della velocità fisso o variabile e può essere sincrono o asincrono. I motori per uso generale possono funzionare in AC o DC.

Controllo del motore

I motori a corrente continua funzionano a diverse velocità regolando la tensione applicata ai terminali o tramite modulazione di larghezza di impulso (PWM).

I motori a corrente alternata che funzionano a velocità fissa sono normalmente azionati direttamente dalla rete o tramite un avviatore graduale; i motori a corrente alternata che funzionano a diverse velocità sono azionati da una varietà di inverter di potenza, azionamenti a frequenza variabile o tecnologie di commutatori elettronici.

Il termine commutazione elettronica è comunemente associato ai motori CC senza spazzole con commutazione automatica e alle applicazioni di motori a riluttanza commutata.

Principals

I motori elettrici si basano sui campi magnetici per funzionare. I campi magnetici possono essere generati da magneti o da avvolgimenti attorno a un nucleo magnetico. La teoria inizia con una spiegazione della forza magnetica su un filo percorso da corrente esposto a un campo magnetico. Un magnete genera un campo magnetico tra i poli N e S. Le linee del campo magnetico escono dal polo N ed entrano nel polo S. Questo campo magnetico è costante, non ci sono fluttuazioni nel campo magnetico e sembra un campo magnetico DC.

Quando un filo percorso da corrente entra in un campo magnetico, il filo è soggetto a una forza magnetica e quindi si muove. L'entità della forza magnetica dipende da diversi parametri che saranno discussi in questo articolo. Innanzitutto, la forza magnetica dipende dalla corrente che attraversa il filo. Vale a dire, se la corrente che attraversa il filo è zero, allora nessuna forza verrà applicata al filo mentre la forza è direttamente correlata alla corrente. Quindi, la seguente equazione può essere scritta:

(1). F ∝ I

Dove F è la forza magnetica e I è la corrente nel filo. L'altro parametro è la lunghezza del filo che vede il campo magnetico. La relazione della forza magnetica con la lunghezza del filo esposto è anch'essa semplice e può essere scritta come:

(2). F ∝ l

Dove l è la lunghezza del filo. L'ultimo parametro è l'intensità del campo magnetico che ha una relazione diretta con la forza magnetica:

(3). F∝B

Questi tre parametri determinano il valore massimo della forza magnetica quando il campo è perpendicolare al filo. Pertanto, qualsiasi deviazione dalla posizione perpendicolare riduce la forza sul filo. Questo perché se una di queste posizioni viene deviata, la forza magnetica non raggiunge il suo valore massimo. Il motivo è che si forma un angolo tra il campo magnetico e la corrente nel conduttore.

Considerando tutti i parametri, la forza magnetica può essere calcolata tramite le seguenti equazioni:

(4). F=B·I·l·sinθ

Ora, invece di avere un conduttore tra i poli, si considera un loop. Il loop può avere qualsiasi forma. Ma per una facile visualizzazione, supponiamo che sia rettangolare. Quindi, ciascuno dei suoi lati trasporterà la corrente e sarà sottoposto a una forza magnetica. La direzione di tale forza può essere ottenuta utilizzando la regola della mano sinistra.

In questa regola, il pollice è parallelo alla forza magnetica, l'indice mostra la direzione del campo magnetico e il dito medio indica la direzione della corrente. Tutte queste dita sono ad angolo retto tra loro. La forza magnetica è zero se la corrente trasportata è parallela al campo magnetico nell'equazione 4. Quindi, la forza magnetica su BC e AD è zero.

Qui, solo AB e CD sono magnetizzati. Applicando la regola della mano sinistra sui percorsi AB e CD, la direzione della forza magnetica sarà verso l'alto per il percorso AB e verso il basso per il percorso CD. Queste due forze in direzioni opposte causano la rotazione del loop. Tuttavia, la rotazione non può essere ottenuta perché la direzione della corrente nel loop rimane la stessa. In altre parole, quando il loop è perpendicolare al campo magnetico, è la posizione di massima stabilità del loop. Lì le forze di trazione verso l'alto e verso il basso si annullano a vicenda, quindi non c'è movimento del loop di filo. Per questo problema, ogni mezzo giro della rotazione richiede che la direzione della corrente nel loop venga invertita affinché il loop di filo ruoti. Inoltre, l'inerzia aiuterà il loop di filo a continuare a ruotare e a passare attraverso la posizione di stabilità.