Motori Elettrici: i fondamenti La coppia La comprensione della conversione dell’energia elettromeccanica è basata sulla conoscenza di diversi concetti fondamentali presi dal campo della fisica. Il primo di questi è il concetto di “coppia”. Se un forza è applicata ad una leva che è libera di ruotare attorno ad un perno senza impedimenti questa tenderà ad entrare in rotazione. La causa di questa rotazione, denominata momento torcente o coppia , è definita come il prodotto del modulo della forza per il braccio (la distanza perpendicolare tra il perno e il vettore della forza).

Motori Elettrici: i fondamenti La coppia Se diverse forze di differente modulo sono applicate in punti differenti della leva, può essere calcolata una coppia risultante. Una coppia che tende a far ruotare la leva in senso antiorario viene definita positiva, mentre una che tende a far girare la leva in senso orario viene definita negativa, quindi la coppia risultante sarà data dalla somma di tutti i momenti torcenti applicati sulla leva presi con il loro segno. Questa definizione, seppur elementare, tuttavia descrive correttamente il momento torcente che può essere osservato sull’albero di un motore elettrico quando è in stallo. La coppia misurabile sul albero è in realtà la risultante delle coppie negative derivanti dalle frizioni all’interno del motore e della coppia elettromagnetica sviluppata.

Motori Elettrici: i fondamenti La potenza Una volta definito il concetto di coppia è necessario sviluppare il concetto di potenza definita come la velocità con cui un lavoro viene svolto o dell’energia viene spesa. Il lavoro (o energia) può essere definito in termini di coppia come il momento applicato per lo spostamento ottenuto. Ora se dividiamo ambo i membri per il tempo otteniamo

Motori Elettrici: i fondamenti L’induzione elettromagnetica Se un conduttore attraversato da corrente viene posto in un campo magnetico, una forza agirà su di esso. Il modulo di tale forza è funzione della densità del flusso magnetico B, della corrente I, della lunghezza del conduttore L e dell’orientamento dei vettori della corrente e del campo. Se il conduttore è considerato di lunghezza unitaria la forza elettromagnetica può essere scritta come il prodotto vettore della corrente e del flusso.

Motori Elettrici: i fondamenti L’induzione elettromagnetica Poiché in due vettori B ed I individuano un piano, il loro prodotto vettore sarà un vettore perpendicolare al piano e sarà proporzionale al seno dell’angolo tra loro. E’ possibile osservare l’effetto opposto ottenuto nella precedente discussione: se un conduttore si muove attraverso un flusso magnetico, una differenza di potenziale verrà generata agli estremi del conduttore. Il modulo di questa differenza di potenziale generata E, è dipendente dalla densità del flusso B, dalla lunghezza del conduttore L e dalla velocità con cui si sposta attraverso il campo. Un’espressione per questa tensione è:

Motori Elettrici: i fondamenti Il motore elettrico Un rudimentale motore in corrente continua si può vedere come la composizione di tre parti fondamentali: I conduttori attraversati da corrente supportati dall’armatura. Un circuito per il campo magnetico che può essere formato o da magneti permanenti o da elettromagneti di solito posizionati nello satore (parte fissa della macchina elettrica). Qualche tipo di contatto scorrevole per fornire la giusta corrente ai conduttori in movimento (normalmente o spazzole di carbonio o un commutatore). Una machina reale per avere il massimo di rendimento e il minimo di costo deve avere molti conduttori all’interno del campo magnetico attorno alla sua armatura. In questo modo si può cumulare l’effetto di molti conduttori attraversati da corrente immersi in un campo magnetico e avere così un aumento della coppia fornita all’uscita. Nei motori realizzati convenzionalmente, i conduttori sono piazzati in profondi incavi della struttura del rotore .

Motori Elettrici: i fondamenti Il motore elettrico Si può constatare che per mantenere il vettore della forza F costante in modulo e direzione è necessario che i vettori del campo magnetico B e della corrente I rimangano fissi nello spazio. Tale condizione non sarebbe soddisfatta se la corrente rimanesse costante attraverso i conduttori del rotore quando questo ruota intorno al suo asse. E’ necessario quindi che la corrente all’interno dei conduttori sia opportunamente invertita a seconda della loro posizione rispetto al campo magnetico.

Motori Elettrici: i fondamenti Il motore elettrico La connessione degli avvolgimenti al commutatore sono mostrati simbolicamente in figura. Se la rotazione del rotore è in senso orario, si può notare che dopo 1/6 di rivoluzione la corrente nell’avvolgimento 3-3’ e 6-6’ avrà cambiato direzione. Il commutatore schematizzato in figura consente quindi di eseguire dei cambi di corrente all’interno degli avvolgimenti che permettono di mantenere la coppia del motore costante.

Motori Elettrici: le caratteristiche Tipo di corrente elettrica di alimentazione: continua o alternata Velocità: di normale utilizzo e massima consentita Potenza nominale: potenza massima erogata dalla macchina senza che gli isolanti si surriscaldino oltre i limiti di resistenza Caratteristica meccanica: andamento della coppia motrice Cm al variare della velocità di rotazione Rendimento : Definito come il rapporto tra la potenza elettrica assorbita e la potenza meccanica fornita. (0.6-0.7 per i motori piccoli a bassa potenza fino 0.93-0.94 per i motori più grossi.

Motori Elettrici: le caratteristiche

Motori Elettrici: le caratteristiche I motori utilizzati in robotica, per le particolari prestazioni richieste, devono possedere, rispetto ai motori utilizzati in applicazioni correnti, i seguenti requisiti: bassa inerzia ed elevato valore del rapporto potenza/peso, elevata possibilità di sovraccarico e sviluppo di coppie impulsive, capacità di sviluppare elevate accelerazioni, elevato campo di variazione di velocità (da 1 a 1000), elevata precisione di posizionamento (almeno 1/1000 di giro), basso fattore di ondulazione della coppia in modo da garantire rotazioni continue anche a bassa velocità. I motori più utilizzati nelle applicazioni robotiche sono i motori elettrici; per la loro flessibilità di controllo, i più diffusi sono i motori in corrente continua a magneti permanenti e i motori a commutazione elettronica.

Qualche definizione Induttore: circuito che produce il flusso magnetico necessario per l’eccitazione. Può essere a magneti permanenti. Armatura: parte di una macchina elettrica che porta il circuito indotto Indotto: circuito elettrico nella quale viene indotta una fem derivante dalle variazioni del flusso magnetico secondo la legge di Lorenz N S Statore: parte fissa di una macchina elettrica Rotore: parte rotante di una macchina elettrica

Il motore a corrente continua Nel motore a corrente continua, il campo fisso imposto nello spazio dai magneti permanenti interagisce con quello generato dalle correnti che circolano nell’avvolgimento di indotto per dare luogo a una coppia che produce la rotazione del motore. Tale rotazione tende a ridurre l’angolo esistente tra il campo magnetico e il sistema di correnti rotoriche, così che, in assenza di altri fenomeni, la coppia si annullerebbe dopo aver compiuto un arco di 90' elettrici. Per tale motivo il motore c.c. è fornito di un collettore solidale con il rotore che modifica il flusso delle correnti nell’indotto invertendo il senso della corrente nei vari avvolgimenti mano a mano che questi ruotano.

Il motore a corrente continua Un altro punto di vista…. La corrente all’interno di ogni avvolgimento è alternata e la frequenza è proporzionale al numero dei poli della macchina e alla sua velocità. Da un altro punto di vista, se si assume come sistema di riferimento fisso il rotore, si può osservare come un motore in corrente continua altro non sia che un motore azionato a corrente alternata e frequenza variabile, in modo tale che l’angolo di fase tra campo rotorico e statorico sia costante. In altri termini, il collettore ha funzione di invertitore meccanico con frequenza e fase vincolate alla rotazione del motore. La realizzazione fisica di questa funzione costituisce la limitazione principale del motore in c.c.: il collettore deve essere posto in rotazione, rendendo così necessario far ruotare l’intera parte avvolta del motore, con conseguente usura, riduzione della vita della macchina e prestazioni elettriche e termiche limitate.

Il motore brushless Gli inconvenienti derivanti dallo strisciamento possono essere superati sostituendo il commutatore meccanico con un invertitore elettronico. Nella sua forma più semplice, il motore c.c. a commutazione elettronica è costituito da un induttore a magneti permanenti, un indotto recante un avvolgimento trifase e un commutatore, o inverter elettronico. A sua volta, questo è formato da un sensore di posizione solidale con l’asse del motore e una matrice di interruttori elettronici in grado di alimentare ogni avvolgimento di statore. Il funzionamento è assai simile a quello di un motore in corrente continua. Il controllo elettronico, tramite il sensore di posizione, identifica il sistema di avvolgimenti perpendicolare al campo magnetico del rotore e lo alimenta.

Il motore brushless A seguito della rotazione, il modulo elettronico commuta la corrente nelle varie fasi, così che il campo risultante dalle correnti di indotto sia sempre mantenuto perpendicolare a quello dei magneti. Poichè l’inverter elettronico, al contrario del suo analogo meccanico, non è fisicamente solidale con la parte rotante, non è più necessario avvolgere il rotore che incorpora i magneti, mentre gli avvolgimenti di armatura vengono trasferiti sullo statore.

Il motore passo-passo I motori passo-passo, pur rientrando nella categoria dei motori a commutazione elettronica, differiscono in modo sostanziale dai brushless sia dal punto di vista dei principi di funzionamento sia dal punto di vista delle modalità operative. Lo scopo di questi motori, infatti, è quello di realizzare movimenti di tipo cosiddetto incrementale, cioè movimenti programmati per dare al carico ripetuti spostamenti quasi sempre di modesta entità. Nella loro realizzazione più comune i motori passo-passo sono sostanzialmente dispositivi in grado di convertire impulsi di comando di tipo elettronico (cioè informazioni di natura digitale) in spostamenti meccanici programmati di elevata precisione, senza l'utilizzo di alcuna forma di retroazione.

Il motore passo-passo I motori passo-passo vengono utilizzati per applicazioni che richiedono: -controlli di posizione di basso costo nei quali siano richieste piccole potenze -moti incrementali -applicazioni che richiedano rotazioni di valore angolare prestabilito con alta velocità di esecuzione, arresti bruschi con posizionamenti precisi e coppie di mantenimento della posizione di arresto relativamente alte. Il principio di funzionamento del motore passo-passo si può considerare del tutto analogo a quello del motore brushless; la sola rilevante differenza è che non c'è alcun sensore per segnalare (al dispositivo di generazione degli impulsi che fa commutare l'alimentazione sulle diverse fasi) che il rotore ha raggiunto la posizione in cui il campo magnetico di eccitazione, interagendo con il campo magnetico di statore, fornisce coppia nulla. In questo tipo di motori, infatti, l'attrito sui cuscinetti e l'inerzia applicata all'albero motore sono così modesti (in relazione alla coppia motrice sviluppata) per cui il tempo che il rotore impiega a passare da una posizione di coppia nulla all'altra è sempre inferiore all'intervallo di tempo tra gli impulsi forniti per ottenere l'alimentazione successiva di due fasi.

Il motore passo-passo Le modalità di funzionamento sono le seguenti: inviando un impulso al sistema di alimentazione si ottiene presenza o assenza e/o inversione di corrente su uno o più avvolgimenti (che vengono, infatti, opportunamente collegati con la tensione continua di alimentazione). In corrispondenza a ogni impulso si ottiene uno spostamento angolare del rotore; l'entità di tali spostamenti è detta passo angolare e costituisce uno dei parametri caratteristici del motore. Pertanto, a ogni assegnata sequenza di impulsi in ingresso al circuito elettronico corrisponde un dato numero di passi compiuti dal rotore e il tempo impiegato per l'effettuazione di un giro completo dell'albero dipende soltanto dalla velocità della successione degli impulsi di ingresso. Pure la direzione di rotazione dell'albero dipende dalla particolare sequenza di impulsi fornita anche se, per la verità, normalmente gli impulsi vengono inviati a due terminali di ingresso distinti, uno per ciascun senso di rotazione.