ELETTROTECNICA: 2_3 Motori a corrente continua e alternata, sincroni e asincroni

 

Se adesso avviciniamo una calamita a un circuito, il campo magnetico 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, genera un campo magnetico, ma come è fatto questo campo magnetico indotto ? Per scoprirlo, dobbiamo per prima cosa capire qual è il verso della corrente in dotta 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 magnetico totale attraverso il circuito. 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 e illimitata. Ma tutto questo è in contrasto con il principio di conservazione dell'energia. Ne concludiamo che nel nostro caso, la corrente indotta deve circolare invece 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.

Adesso cerchiamo di capire come funziona un motore elettrico in corrente continua, farò uso di una animazione che ci porta a capire come funziona. Questa è una calamita. Ha un polo nord e un polo sud e gli piace attirare altri oggetti metallici come queste graffette. 

Se si avvicina un altro magnete, i poli opposti si attraggono, e gli stessi poli si respingono. I magneti non devono essere necessariamente di questa forma. Ad esempio, alcuni magneti potrebbero essere più piatti come questo. Puoi pensare a questo magnete come sempre acceso, funziona sempre, non puoi davvero girare è spento.

Ecco perché a volte viene chiamato magnete permanente. È costituito da molti domini magnetici più piccoli che sono allineati nella stessa direzione.

Ma più avanti vi mostrerò un tipo di magnete in cui questo non è sempre il caso.

Prendiamo uno dei nostri magneti permanenti e facciamo un foro al centro e mettiamolo su qualcosa

Ciò gli permetterà di girare. Ora porta un altro magnete verso di esso. Il nostro magnete rotante si allineerà immediatamente fino a quando i poli opposti non saranno proprio uno accanto all'altro. Ora spegni il magnete laterale. Gli stessi poli si respingono e i poli opposti si attraggono. Se continuiamo a sostituire questi magneti laterali, il nostro magnete rotante continuerà a girare. Questo concetto del magnete rotante è davvero importante. Torneremo su questo punto tra un attimo.

Ecco un bullone di metallo che non è un magnete. È costituito da domini magnetici, ma puntano in direzioni casuali. Ora prendiamo un filo, avvolgiamolo più volte e poi creiamo un circuito. La corrente attraverso i fili costringe i domini magnetici ad allinearsi. Ciò significa che abbiamo appena realizzato un magnete, o più specificamente, un elettromagnete. Possiamo fare le stesse cose che può fare un magnete permanente. Puoi raccogliere pezzi di metallo e ha un polo nord e uno sud che attireranno o respingono altri magneti. Ma l'elettromagnete è speciale, nel senso che può essere acceso o spento, proprio come la lampadina. Non è possibile farlo con il magnete permanente.

Ora guarda cosa succede quando capovolgiamo la batteria. La corrente elettrica scorreva in questo modo, ma ora scorre nell'altra direzione. Questo farà sì che i poli del nostro magnete si scambino di posto. Entrambi diventeranno sud, e il sud diventerà nord. Questo è chiamato inversione della polarità di un elettromagnete. Invece di capovolgere la batteria, un modo più semplice per farlo è semplicemente cambiare i fili. Dovresti essere consapevole che l'elettromagnete diventerà molto caldo se rimane acceso per un po'

Questa volta sostituiremo il magnete rotante con il nostro elettromagnete. Non appena colleghiamo i fili, il magnete si accende e si allinea con il magnete laterale. Ora, in realtà, il collegamento di questi fili impedirebbe al bullone di girare liberamente, ma ciò che è importante qui è il concetto dell'elettromagnete rotante.

Ora scambiamo i fili per invertire i poli sull'elettromagnete, gli stessi poli si respingono e i poli opposti si attraggono. Ora invertire nuovamente la polarità, gli stessi poli si respingono e i poli opposti si attraggono. Se continuiamo a cambiare la polarità, il nostro elettromagnete continuerà a girare.

Per renderlo più forte, portiamo un altro magnete permanente sul lato, si noti come questo lato abbia il polo sud verso il centro e questo lato abbia il polo nord verso il centro. I magneti laterali lavorano insieme per far girare quello al centro. Questo qui mostra le basi di un motore elettrico, ma dobbiamo apportare alcuni miglioramenti. I due magneti laterali possono essere sostituiti con magneti curvi più potenti e invece di un bullone con fili, useremo un anello di metallo. Questo è chiamato armatura, collega i nostri fili e abbiamo di nuovo un circuito.

Questa volta si può pensare all'elettromagnete piatto in questo modo con il polo sud rivolto verso l'alto. Ora l'armatura girerà fino a quando i poli opposti non saranno allineati, possiamo farlo girare cambiando i fili proprio come abbiamo fatto prima. Ma è un sacco di lavoro sedersi qui e cambiare manualmente questi fili, dobbiamo aggiungere qualcosa all'armatura chiamata commutatore, si tratta di un anello con spazi vuoti sui lati opposti.

Il commutatore girerà insieme all'armatura. Ora colleghiamo il circuito con due spazzole laterali, queste spazzole scivoleranno lungo mentre il commutatore gira e sono caricati a molla in modo che mantengano sempre il contatto. La corrente scorre dal filo, attraverso la spazzola, l'anello del commutatore, l'anello dell'armatura e di nuovo dall'altra parte. Ora abbiamo il nostro elettromagnete e gli spin dell'armatura.

Man mano che ruotano, le spazzole cambieranno contatto sull'altro lato dell’anello del commutatore. Ricorda che ci sono due spazzole, quindi questo sta accadendo su entrambi i lati. Prima dell'interruttore, la corrente nell'armatura scorre in questo modo. Dopo che le spazzole hanno cambiato lato, la corrente scorrerà nell'altra direzione. Ciò significa che l'elettromagnete cambia polarità, il che farà sì che l'armatura continui a girare. Questo anello commutatore fa la stessa cosa della commutazione dei fili come facevamo prima, ma questa volta fa tutto da solo, continuerà a girare finché saremo collegati a una batteria.

Finora abbiamo utilizzato solo un loop sull'armatura, ciò farà sì che il nostro motore abbia una velocità irregolare e in effetti potremmo rimanere bloccati in questo posizionare con le spazzole a metà tra i segmenti del commutatore. Quello che possiamo fare è dividere l'anello del commutatore e quindi aggiungere un altro anello. Quindi per prima cosa le spazzole sono in contatto con questi due segmenti del commutatore, che si accende su questo elettromagnete, che lo fa iniziare a girare. Una volta arrivati qui, le spazzole commutano il contatto con la coppia successiva di segmenti del commutatore, ciò significa che questo ciclo si disattiva e il ciclo successivo si attiva.

Alcuni motori elettrici aggiungeranno molti anelli all'armatura, ciò garantisce che ci sia un movimento rotatorio continuo sul motore. Questa forza di rotazione sull'armatura è chiamata coppia, una coppia più forte significa una rotazione più veloce.

Ci sono alcune cose che possiamo fare per migliorare la coppia del motore, gli elettromagneti sono più forti quando ci sono più fili, questo è vero quando avvolgiamo più fili attorno al bullone di metallo.

Ed è vero anche quando ciascuno dei nostri anelli di armatura è composto da molti fili, il motore avrà elettromagneti più potenti, il che significa che girerà più velocemente. Se guardi alcune immagini di veri motori elettrici, puoi vedere un sacco di fili avvolti intorno e sì, questo è lo stesso motivo.

Più fili avvolti intorno significano elettromagneti più potenti.

Un altro modo per renderlo più forte è utilizzare più elettricità. Impariamo qualche altro termine qui, la parte che non si muove è chiamata statore, in questo caso, si tratta dei due magneti permanenti sul lato, questi si inseriscono all'interno dei bordi della custodia del motore.

L'armatura al centro è anche chiamata rotore, ricorda, questa è la parte che gira, l'asse passa attraverso il centro qui e poi sporge dalla parte posteriore del motore. Quello che vi ho mostrato in questa animazione si chiama motore a corrente continua, altri tipi di motori elettrici funzioneranno in modo leggermente diverso da quello che ho mostrato qui.

IL MOTORE BRUSHLESS 

Il motore BrushLess, non presentando contatti striscianti sul collettore del rotore, risolve completamente il problema della manutenzione e sostituzione di contatti e spazzole. A differenza del motore elettrico a spazzole, nel motore BrushLess, non essendoci parti striscianti, non si creano scintille o rumori da attrito. Questa è una caratteristica fondamentale per il motore BrushLess, che lo rende adatto ad essere utilizzato in ambienti dove le scintille sono pericolose, per esempio in ambienti con gas infiammabili. Si tratta di un tipo di motore che ha rotore con magneti permanenti, non potrebbe essere diversamente, dato che, appunto, non sono previsti contatti sul rotore. Lo statore ha invece degli elettromagneti  eccitati tramite avvolgimenti in bobine. Questa è una differenza importante rispetto ai tradizionali motori a spazzole, in quanto questi ultimi possono avere sia statore che rotore composti da elettromagneti per incrementare i campi magnetici e quindi avere una densità di potenza meccanica per unità di peso del motore più elevata.

La coppia torcente del motore BrushLess è dovuta all'interazione magnetica imposta dagli elettromagneti sui magneti permanenti. Esiste una precisa sequenza di eccitazione degli elettromagneti che impone ai magneti permanenti un movimento angolare sempre nella stessa direzione e di più possibile costante a parità di eccitazione. Ovviamente, la sequenza è ciclica e il rotore continua fino a quando è alimentato, ripetendo la sequenza e quindi la propria rotazione. 

Per chiarire meglio, la sequenza di eccitazione degli elettromagneti dello statore è tale che i magneti del rotore sono attratti dagli elettromagneti senza comunque mai raggiungerli in quanto l’eccitazione è sempre e solo di quelle bobine non ancora raggiunte. Quando scorre l'elettricità nella bobina 1, i poli opposti del rotore e dello statore sono attratti l’uno con l'altro. Quando rotore si avvicina alla bobina 1, nella bobina 2, scorre l'elettricità. Quando il rotore si avvicina alla bobina 2, nella bobina 3, scorre l'elettricità. Successivamente, nella bobina 1, scorrerà di nuovo l'elettricità, ma con polarità opposta. Questo processo è ripetuto continuamente all'interno del motore e assicura così una rotazione costante del rotore.

Un esempio per capire meglio questo principio era presentato dalla corsa dei cani in cui si metti una lepre davanti ai levrieri a distanza tale da essere vista, ma mai raggiunta. I cani, in questa analogia, sono rotore che insegue il flusso magnetico generato nella bobina dello statore in esatta sequenza.

Nel caso di più bobine, sempre multipli di due, ha senso utilizzare una sequenza che le utilizzi tutte in modo da aumentare il flusso magnetico a cui magneti permanenti sono soggetti, e spegnendo solo gli elettromagneti in opposizione. Questa semplice accortezza aumenta il momento torcente, ossia la potenza che il motore può fornire senza modificare sostanzialmente la struttura costruttiva. Maggiore è il  numero delle bobine, tanto più fluido è il movimento del rotore, che avrà così un momento torcente costante.

Ma come fa il nostro motore BrushLess a sapere il preciso istante in cui eccitare la corretta sequenza di elettromagneti per permettere la continuità del movimento rotatorio? A questo scopo si utilizza tipicamente un driver, che ha un sensore per rilevare la posizione dei magneti del rotore e pilotare dunque l'alimentazione delle bobine, tramite l'opportuna sequenza di eccitazione. Il sensore dei moderni motori BrushLess sfrutta l'effetto Hall. 

In questa animazione possiamo osservare la configurazione di un sensore standard, questo è un semplice dispositivo a due poli, che può pilotare due o quattro o otto o più elettromagneti nella sequenza appena vista, mentre questa è la rappresentazione di una sua disposizione circuitale classica con dei diodi di protezione. In questo caso è necessario aggiungere dei diodi per proteggere il sensore dalle correnti di auto-induzione negative, nel caso in cui si dovesse togliere l'alimentazione in modo repentino ad una delle bobine. 

Esistono fondamentalmente due famiglie di motori BrushLess, quelli con statore esterno e quelli con statore interno. Possiamo riassumere i principali punti di forza del motori BrushLess in corrente continua. Il motori BrushLess è silenzioso e affidabile ovvero a un bassissimo parametro M-T-B-F che indica il tempo medio fra i guasti, a un basso consumo, non necessita di manutenzione, può essere impiegato anche all'interno di ambienti infiammabili, a parità di potenza, a un prezzo più competitivo rispetto ai tradizionali motori a spazzole. Come tutti i dispositivi, il motori BrushLess però, hanno i suoi limiti ovvero, richiedono elettronica sia per minima di driver per controllare la sequenza di eccitazione. Usando dei magneti permanenti, la potenza specifica è in genere più bassa rispetto ai motori tradizionali, con statore e rotore.

IL MOTORE PASSO PASSO

Il motore passo passo spesso chiamato anche step o stepper è un motore elettrico sincrono in corrente continua e pulsata con gestione elettronica e senza spazzole. La sua particolarità è quella di poter controllare con massima precisione la posizione angolare del suo rotore. A differenza di tutti gli altri motori, i motori passo passo sono motori che hanno come scopo quello di mantenere fermo l’albero in una posizione di equilibrio. Se alimentati infatti, si limitano a bloccarsi in una ben precisa posizione angolare.

Esistono 3 tipi di motore passo passo, quelli a magnete permanente, quelli a riluttanza variabile e quelli di tipo hybrido. In tutti i motori passo passo per bloccare le correnti parassite lo statore che la parte fissa del motore viene composto sovrapponendo più strati di lamine.

Qui puoi vedere un motore passo passo a magnete permanente molto semplice con 4 denti dello statore e due avvolgimenti con fasi differenti separati in due bobine. Il rotore invece è formato appunto da un magnete permanente con due polarità. Quando la corrente continua alimenta al motore, si forma in ognuna delle coppie opposte di bobine un campo magnetico con un polo nord e un polo sud. I poli magnetici possono essere scambiati, invertendo il flusso di corrente. Come possiamo vedere, invertendo consecutivamente la corrente nelle bobine, è possibile creare un campo magnetico rotante.

I poli del rotore vengono attratti dalle polarità rotanti delle bobine ed ecco che il rotore ruoterà di 90° nell’ esatta posizione che gli ordinerà lo statore. Per aumentare la precisione, si possono aggiungere bobine e magneti. In questo esempio possiamo vedere il comportamento di uno statore con otto denti, due avvolgimenti con fasi differenti separati in quattro bobine un rotore formato da un magnete permanente con quattro polarità.

Nel motore a riluttanza variabile invece, al posto del rotore a magneti permanenti, sono inserite delle lame dentate di farro dolce, ovvero ferro puro. Queste vengono magnetizzate dalle bobine grazie al fenomeno della polarizzazione magnetica e quindi si creano dei poli magnetici indotti che allineano i denti del rotore con le bobine dello statore. Il rotore ha sempre meno denti rispetto allo statore e le bobine vengono eccitate in sequenza. In questo modo, la bobina che viene eccitata attira a se il dente più vicino.

Il rotore del motore passo passo ibrido è formato da una coppia di ruote dentate, affiancate, costituite da un nucleo magnetico, questa volta parallelo all'asse di rotazione. Le due ruote vengono polarizzate una con polo nord e l'altra con polo sud, tra le due ruote è presente uno sfasamento, ovvero il dente di una delle due sezioni corrisponde esattamente alla valle dell'altra.

In questo esempio il rotore ha 50 denti, anche ciascuna bobina dello statore ne possiede alcuni rivolti verso il rotore per un totale di 48 denti, ma solo in una coppia di bobine opposte si affacciano esattamente a quelli del rotore. Le altre coppie sono sfasate rispettivamente di un quarto, un mezzo e tre quarti del passo dei denti. La rotazione del campo magnetico dello statore cambia ogni 45 gradi il rotore invece ruota solo di 1,8 gradi. Questo perché, come possiamo vedere nella polarità sud del magnete, i denti della polarità nord dello statore sono attratti mentre sfasati di 90 gradi. I denti della polarità sud dello statore si trovano nelle esatta posizione che li permette di essere respinti. Nello stesso momento, nel lato nord del magnete, avviene esattamente il contrario, stabilizzando ulteriormente il rotore.

Per alimentare qualsiasi motore passo passo esistono tre modalità, chiamate tecnicamente, full step, half step e microstapping. Prendiamo come esempio il motore a magnete permanente visto nella prima parte di quest’animazione. In questo motore la modalità di azionamento viene chiamata full step, poiché si hanno 4 step per completare la rotazione del rotore, quindi possiede un passo molto ampio di circa 90 gradi e una coppia elevata.

Per diminuire il passo è aumentare del doppio la precisione del motore si fa ricorso alla modalità half step, si interviene dunque fra i 4 step disattivando una bobina. In questo modo il passo sarà di 45 gradi, ma la coppia non sarà costante.

Nella modalità microstapping invece possiamo addirittura fornire alle bobine una corrente continua modulata, aumentando notevolmente la precisione del motore. In questo esempio possiamo vedere che le due fasi hanno un andamento sinusoidale, a ogni step infatti il rotore si allinea, bilanciandosi tra la bobina col campo magnetico più forte e quella col campo magnetico più debole. Tutte queste proprietà del motore passo passo, lo rendono idoneo ad essere largamente impiegato nell’ automazione industriale.

IL CAMPO MAGNETICO ROTANTE

Prima di proseguire nella descrizione dei motori elettrici in corrente alternata, dobbiamo fare un ripasso del campo magnetico rotante per meglio capire il loro funzionamento. Prendiamo in considerazione un semplice statore con 3 coppie di bobine che sono equamente distanziate. Due serie di bobine nelle stesse coppie sono diametralmente opposte e sono collegate in serie. Ciò crea tre set identici di avvolgimenti che sono distanziati meccanicamente a 120° l'uno rispetto all'altro. Se forniamo una sorgente trifase ai tre avvolgimenti, la corrente nei tre avvolgimenti avrà lo stesso valore ma sarà spostata in tempo di un angolo di 120 °

Durante il semiciclo positivo della fase R, la corrente scorrerà in questa direzione lungo questi due avvolgimenti. Secondo la regola della mano destra, il flusso magnetico in questa direzione crea un polo sud e un polo nord.

Durante il semiciclo negativo, la corrente scorrerà nella direzione opposta. Pertanto, anche la linea di flusso sarà nella direzione opposta.

Per la fase Y durante i semicicli positivi e negativi, le linee di flusso saranno in queste direzioni

Per la fase B durante i semicicli positivi e negativi, le linee di flusso saranno in queste direzioni

L'intensità del flusso è direttamente proporzionale a quella della corrente. Quindi, al variare della corrente nel tempo, i flussi magnetici creati dalle tre fasi varieranno di conseguenza, come mostrato in figura.

Poiché le linee di flusso non possono incrociarsi, i tre flussi si combinano e producono essenzialmente un ampio polo nord e un ampio polo sud.

Ciò significa che questo statore produce un campo magnetico a due poli. Il campo magnetico ruota nel tempo e compie un giro completo in un ciclo di corrente. La velocità di rotazione dei campi dipende, quindi, dalla frequenza della sorgente e dal numero di coppie di poli. Poiché la velocità del campo rotante è necessariamente sincronizzata con la frequenza della sorgente, si parla di velocità sincrona.

Se la frequenza è di 50 Hz, il campo risultante compie un giro in 1/50 di secondo, ovvero 3000 giri al minuto. La velocità sincrona può essere ridotta aumentando il numero di coppie di poli.

IL MOTORE BRUSHLESS A CORRENTE ALTERNATA

Il motore brushless è un tipo di motore elettrico in corrente alternata la cui velocità di rotazione è sincronizzata con la frequenza elettrica. Comunemente si tratta di motori con alimentazione trifase, ma i motori brushless di piccola potenza sono spesso alimentati con la comune tensione monofase disponibile nelle abitazioni. 

La stessa macchina elettrica che funge da motore sincrono può essere utilizzata anche come generatore elettrico, e in questo caso è detto alternatore; la maggioranza dei generatori elettrici è in effetti di questo tipo.