Soggetti:
- Introduzione
- Principio di funzionamento dei motori elettrici
- Motore elettrico DC con spazzole di carbone
- Motore elettrico DC senza spazzole di carbone
Introduzione:
Troviamo i motori elettrici in sempre più posti nell'auto. In un motore elettrico, la corrente elettrica viene convertita in movimento e calore. Troviamo un motorino elettrico nella regolazione dello specchietto e del sedile, ma anche come motorino del tergicristallo sul meccanismo del tergicristallo o come motorino di avviamento. Questi motori elettrici funzionano con una tensione compresa tra 12 e 14 volt. In questa pagina ci limitiamo ai motori elettrici per interni ed esterni.
I motori elettrici forniscono anche (parzialmente) la propulsione elettrica nei veicoli ibridi e completamente elettrici. Questo tipo di motore elettrico è discusso nella pagina: Motori elettrici ad alta tensione.
Possiamo dividere i motori elettrici DC in:
- Motore elettrico con spazzole di carbone (campo elettromagnetico e armatura)
- Motori elettrici di serie;
- Motori elettrici paralleli;
- Motori elettrici senza spazzole.
Principio di funzionamento dei motori elettrici:
In un motore elettrico, la corrente elettrica viene convertita in un movimento rotatorio. Il movimento è causato da due poli magnetici che si attraggono o si respingono:
- Un polo nord e un polo sud si attraggono;
- Due poli nord si respingono;
- Due poli sud si respingono.
Un magnete ha un polo nord e un polo sud con cariche opposte. Quando quel magnete viene rotto a metà, all'improvviso non si hanno due poli separati, ma due nuovi magneti, entrambi con un polo nord e uno sud.
All'alloggiamento sono fissati più poli magnetici (nord e sud). C'è un campo magnetico tra i poli nord e sud. L'albero di uscita (l'armatura) ruota a causa dei cambiamenti nel campo magnetico.
In un motore elettrico, due poli con lo stesso nome sono costantemente posti uno di fronte all'altro utilizzando (di solito) magneti permanenti, oppure elettromagneti. Poiché i poli con lo stesso nome si respingono, si crea un movimento.
Motore elettrico DC con spazzole di carbone:
Quasi tutti i motori elettrici nella tecnologia automobilistica sono progettati come motori DC con magneti permanenti e spazzole di carbone. In questa tipologia di motori elettrici troviamo i seguenti magneti:
- Magneti permanenti (un polo nord e un polo sud): tra loro esiste un campo magnetico stazionario;
- Bobine: in queste viene generato un campo elettromagnetico. Il campo elettromagnetico rotante viene generato nelle bobine.
I magneti permanenti si trovano a sinistra e a destra del rotore e sono costituiti da un polo nord e da un polo sud. Tra questo polo nord e sud c'è un campo magnetico stazionario che non cambia quando il motore elettrico è in funzione o è fermo.
Nelle bobine viene generato un campo elettromagnetico rotante non appena la corrente le attraversa. La corrente viene fornita e rimossa dalle spazzole di carbone tramite il commutatore.
L'inversione della direzione della corrente avviene tramite commutazione: due spazzole di carbone si trascinano sul commutatore, che è costituito da un lato positivo e da un lato negativo. La spazzola di carbone sul lato positivo porta la corrente al conduttore (frecce verdi nella figura). La corrente lascia il conduttore sul lato negativo attraverso la spazzola di carbone. La corrente che scorre attraverso il conduttore crea un campo elettromagnetico.
Viene creata una forza tra il magnetismo risultante nell'armatura (il conduttore) e il campo (i magneti permanenti) (frecce rosse nell'immagine). Questa forza fa ruotare l'armatura e il commutatore sul proprio asse. Le spazzole di carbone colpiscono quindi l'altra parte del commutatore, invertendo la direzione della corrente nell'armatura. Il campo magnetico e la forza si sviluppano nella stessa direzione, in modo che l'armatura ruoti nuovamente attorno al proprio asse.
Possiamo cambiare il senso di rotazione del motore elettrico (leggi: l'armatura) invertendo il più e il meno delle spazzole di carbone.
Lo scambio del più e del meno può essere ottenuto mediante un ponte ad H.
- L'ECU (1) controlla contemporaneamente due dei quattro transistor o FET (4);
- I FET (2) forniscono al motore elettrico (3) un positivo e una massa. A seconda di quali due FET sono accesi, la spazzola di carbone superiore è positiva e quella inferiore è rettificata, o viceversa;
- Il potenziometro accanto al motore elettrico registra la posizione e il senso di rotazione. Non tutti i motori elettrici sono dotati di potenziometro.
Vedi la pagina Ponte H per le possibili progettazioni e metodi di commutazione del ponte H.
Motore elettrico DC senza spazzole di carbone:
Il motore brushless a corrente continua (CC) è un motore sincrono. Il comando elettrico ha sostituito le spazzole di carbone. Questo tipo di motore elettrico è molto simile al motore sincrono in corrente alternata a magneti permanenti, come quello utilizzato negli... propulsione dei veicoli elettrici. La differenza principale tra i due motori è il controllo: il motore AC è controllato con una tensione alternata sinusoidale modulata e il motore DC con una tensione ad onda quadra.
Lo statore contiene spesso tre o sei bobine (U, V e W) e il rotore è un magnete permanente. L'immagine sotto mostra la struttura schematica del motore DC con la progressione della tensione attraverso le tre bobine. In realtà, tra i poli sono installati diversi sensori Hall per determinare la posizione del rotore.
L'unità di controllo determina quali bobine deve controllare in base alla posizione del rotore.
Nell'immagine seguente la bobina U+ è eccitata. Il modo in cui la bobina è avvolta attorno al polo determina se sarà un polo nord o sud. In questo esempio, U+ è il polo nord e U- è il polo sud.
Il rotore è progettato come un magnete permanente. Come descritto nei paragrafi precedenti, il rotore si posiziona o gira a causa di un campo magnetico variabile attraverso le bobine.
Per ruotare il rotore in senso antiorario dalla posizione mostrata nella figura precedente, le bobine V vengono eccitate.
La V+ diventa il polo nord, la V- il polo sud. Il rotore a magnete permanente ruota;
i poli nord e sud si attraggono a vicenda, così come i poli sud e nord dall'altro lato del magnete.
Ora le bobine W sono energizzate per ruotare il rotore di altri 60 gradi.
La bobina W+ diventa il polo nord e W- il polo sud. Il rotore gira e assume la sua nuova posizione.
Il rotore nell'immagine successiva ha ruotato di 180 gradi rispetto alla prima situazione; nella prima immagine il polo sud puntava verso l'alto; ora quello è il Polo Nord.
La polarità della bobina U+ e della bobina U- è invertita, facendo sì che la corrente fluisca attraverso le bobine al contrario. Ciò rende la U+ un polo sud e la U- un polo nord.
Il rotore con magnete permanente viene ruotato ulteriormente dalla variazione del campo magnetico.
Per ruotare nuovamente il rotore di 60 gradi, la V- diventa un polo nord e la V+ un polo sud. Il rotore assume la nuova posizione.
Ancora una volta il rotore gira di 60 gradi a causa di una variazione del campo magnetico nelle bobine:
La bobina W- è il polo nord e la W+ è il polo sud.
Nelle sei situazioni sopra descritte, due bobine vengono costantemente eccitate contemporaneamente. Spesso troviamo anche motori DC brushless con tre bobine invece di sei. Con tre bobine, anche le bobine U, V e W vengono alimentate una dopo l'altra, ma non vi è alcun cambiamento di polarità.
Il motore DC brushless è un motore potente adatto ad applicazioni dove è richiesta una coppia elevata sia per l'avviamento, sia per le medie velocità che per le alte velocità. Il motore DC brushless e il motore passo-passo vengono spesso confusi. Ciò non sorprende, perché il funzionamento e il controllo dei motori hanno molte somiglianze: entrambi i motori sono azionati creando un campo magnetico tra le bobine e il rotore con magneti permanenti. Eppure, oltre alla terminologia, entrambi i motori presentano differenze significative, principalmente nell'applicazione e quindi nella scelta dei materiali.
Il motore passo-passo è fondamentalmente un motore CC senza spazzole, ma viene applicato in un campo diverso. Laddove il motore CC viene utilizzato principalmente per il funzionamento a lungo termine ad alte velocità, vediamo il motore passo-passo in applicazioni in cui la regolazione in una posizione esatta è la più importante.
Il motore DC mostrato viene controllato ogni rotazione di 60° del rotore. Questo potrebbe eventualmente essere ridotto a 30° se eccitassimo quattro bobine contemporaneamente tra ciascun comando, ottenendo così una posizione intermedia. Tuttavia, un motore passo-passo è in grado di regolare incrementi da 1,8° a 0,9°. Ciò dimostra ulteriormente che il motore passo-passo è adatto per posizioni molto precise.
Le diverse versioni, le modalità di controllo della ECU e le applicazioni si trovano nella pagina motore passo-passo.
