L’AUTOMOBILE AD IDROGENO: IL MOTORE ELETTRICO PER LA TRAZIONE PROGETTO REALIZZATO DALL’IPIAS «A. ZOLI» DI ATRI (TE) IN COLLABORAZIONE CON LA FONDAZIONE TERCAS A.S. 2012/13 Docenti: Di Pietro Giuseppe Sansonetti Ivano Classi III A e IV A IPIAS

In alternata Sincroni Asincroni In continua: motori DC universali Motori Elettrici In alternata Sincroni Asincroni In continua: motori DC universali a impulsi Passo-passo Brushless

Sono i classici motori che troviamo ovunque, Vantaggi Motori in continua DC MOTORI UNIVERSALI Sono i classici motori che troviamo ovunque, Vantaggi poco costosi, leggeri si possono comandare con estrema facilità, variandone la tensione di alimentazione si varia la velocità, Possono raggiungere velocità di rotazione di 20 mila giri minuto; Svantaggi la presenza di spazzole e collettore che oltre ad usurarsi generano disturbi e calore, scarsa precisione sia per il posizionamento sia per la velocità di rotazione (quest'ultima in particolare è legata a fattori variabili quali la temperatura)

Le macchine in corrente continua (DC) sono versatili e molto usate nell’industria. Possono operare come generatori o come motori, anche se il loro uso come generatori è piuttosto limitato, dato l’uso diffuso dell’energia elettrica in AC. Come motori sono molto comuni poiché la loro velocità può essere controllata con relativa facilità. In particolare vengono usati piccoli motori DC per realizzare dispositivi di controllo: i servomotori per il posizionamento. Lo statore di tale macchina è a poli salienti. L’avvolgimento di campo è sullo statore, quello di armatura è sul rotore. Una corrente continua percorre l’avvolgimento di campo e produce il flusso magnetico nella macchina. La tensione indotta nell’avvolgimento di armatura è alternata. Un commutatore meccanico o un convertitore AC/DC elettrico rendono la tensione dell’avvolgimento di armatura unidirezionale.

Principi di funzionamento Consideriamo una macchina a due poli. La distribuzione del flusso al traferro è quella mostrata in figura. Consideriamo un avvolgimento a-b posto sul rotore. I due morsetti sono collegati ad un anello conduttore. Due spazzole sono posizionate sui due anelli. Se il rotore è in rotazione, vengono indotte delle tensioni sui due conduttori. Essendo i due tratti di conduttore in serie, tali tensioni si sommano. La tensione complessiva eab è quindi alternata e la sua forma d’onda nello spazio è la stessa di quella del flusso al traferro.

Caratteristiche fondamentali un motore DC è dotato di due morsetti la velocità e il verso di rotazione dell'albero motore dipendono dalla corrente tra i morsetti cambiando il verso della corrente si cambia il verso di rotazione dell'albero aumentando o diminuendo il modulo della corrente varia la coppia fornita dal motore - + + -

Il Commutatore Sostituiamo i due anelli conduttori con due semianelli (che costituiscono il commutatore). Il segmento Ca è connesso al morsetto a della spira e il segmento Cb al morsetto b. Per una rotazione antioraria del rotore il morsetto sotto il polo N è positivo rispetto al morsetto sotto il polo S. Quindi la spazzola B1 è sempre connessa al morsetto positivo e la spazzola B2 al morsetto negativo. Quindi, anche se la tensione eab ai morsetti della spira è alternata, la tensione alla spazzole e12 è unidirezionale. In una macchina reale si usano molti avvolgimenti distribuiti e questi rendono la e12 molto simile ad una tensione continua.

Funzionamento come motore Nel funzionamento come motore, la corrente viene portata all’avvolgimento di rotore attraverso le spazzole, che fanno sì che la corrente abbia sempre lo stesso verso nei conduttori sotto lo stesso polo, così da avere una coppia costante:

Configurazioni delle macchine DC A seconda dell’alimentazione e del collegamento degli avvolgimenti di campo e di armatura si hanno differenti configurazioni:

Confronto tra motori DC a campo avvolto e PM I motori PM sono più piccoli e più leggeri dei motori a campo avvolto per una data potenza nominale. Inoltre hanno maggiore efficienza data la mancanza di perdite nell’avvolgimento di campo. Un ulteriore vantaggio dei motori PM è la loro caratteristica velocità-coppia essenzialmente lineare, che ne rende molto più semplice l’analisi e il controllo. Anche l’inversione della rotazione si ottiene facilmente, invertendo la polarità della sorgente. Un notevole svantaggio dei motori PM è che possono smagnetizzarsi se vengono esposti a campi magnetici elevati o a temperature troppo alte o troppo basse. Uno svantaggio meno ovvio dei motori PM è che le loro prestazioni variano da motore a motore più che nei motori avvolti, date le variazioni dei materiali ferromagnetici. Rotore Statore a magneti permanenti

Il circuito equivalente elettrico Il circuito equivalente di un motore DC è costituito da una resistenza Ra (qualche ohm), da un induttore La (milliHenry, ininfluente a regime ma importante alla partenza e per i problemi che causa) e da un generatore di tensione Eg, proporzionale alla velocità di rotazione.

Caratteristiche fondamentali un motore DC è dotato di due morsetti la velocità e il verso di rotazione dell'albero motore dipendono dalla corrente tra i morsetti cambiando il verso della corrente si cambia il verso di rotazione dell'albero aumentando o diminuendo il modulo della corrente varia la coppia fornita dal motore - + + -

Regolare la velocità di rotazione Regolare la velocità ad "anello aperto“ L'obbiettivo è ottenere una velocità sostanzialmente omogenea senza effettuare una misura diretta della stessa. Infatti misurare la velocità di rotazione è un'operazione relativamente complessa e costosa, giustificata solo se sono richieste prestazioni elevate. Se il carico è variabile per mantenere costante la velocità è necessario aumentare la tensione all'aumentare della corrente erogata, cioè occorre realizzare un regolatore di tensione con resistenza di uscita negativa. Regolare la velocità ad "anello chiuso“ Per la regolazione in anello chiuso è necessario misurare la velocità effettiva per esempio attraverso un sensore (dinamo tachimetrica o encoder incrementale). La velocità deve poi essere confrontata con la velocità voluta ed il risultato utilizzato per determinate la tensione di alimentazione del motore. Questo metodo, peraltro necessario se viene richiesta una certa precisione, si scontra con la possibilità di creare un sistema instabile

Controllo ON-OFF il pilotaggio più semplice è quello ON-OFF che permette di comandare il motore solo alla massima velocità di rotazione in un verso (interruttore ON) oppure fermarlo (interruttore OFF): Questo tipo di controllo non permette né la regolazione della velocità del motore né la possibilità di far girare il motore in entrambi i versi di rotazione. Per far girare il motore nel verso opposto è necessario infatti invertire il segno della corrente che passa all'interno del motore stesso