Capitolo 2 : Motori elettrici Brushless
2.1 Le macchine elettriche
2.2.5 Classificazione
Sebbene il principio di funzionamento resti comune a tutti, i motori brushless possono essere classificati in tre differenti categorie in funzione della struttura interna.
Figura 56 θ τCogging 90 180 90 180
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• Motori a flusso radiale
In questa categoria rientrano i motori in cui il flusso magnetico va da rotore a statore in direzione radiale e gli avvolgimenti sono orientati lungo la direzione assiale del motore. In funzione della posizione che il rotore assume rispetto allo statore, i motori a flusso assiale possono essere a sua volta suddivisi in due sottocategorie: motori a rotore interno (Figura 57.a) e motori a rotore esterno (Figura 57.b). Come si può facilmente intuire dal nome, della prima categoria fanno parte i brushless in cui il rotore, concentrico allo statore, è posto al suo interno. Questa soluzione permette di dissipare molto bene il calore generato dagli avvolgimenti statorici, ma presenta un rotore con un basso raggio e quindi con una bassa costante meccanica/elettrica. Diversamente nei motori a rotore esterno accade il contrario: è infatti lo statore ad essere confinato all’interno del rotore. Dualmente al caso precedente, essendo adesso il rotore esterno, il suo raggio è maggiore e ciò si traduce in un incremento della costante meccanica/elettrica. Tuttavia per lo statore sarà più difficile dissipare l’energia termica prodotta negli avvolgimenti [20].
• Motori a flusso assiale
Nei brushless che appartengono a questa categoria il flusso generato dai magneti permanenti è parallelo all’asse del motore e gli avvolgimenti sono orientati in maniera assiale. Generalmente, per una questione di bilanciamento, in questi motori si impiegano due statori anziché uno, ed il rotore è posto al centro dei due (Figura 58).
Caratterizzati da un basso profilo, questi motori rappresentano la scelta vincente per tutte quelle applicazioni in cui la profondità del motore rappresenta un vincolo geometrico insormontabile.
a) b)
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Nonostante questo evidente vantaggio, i motori a flusso assiale non sono impiegati in ambiti applicativi reali, se non in rari casi. Il motivo è da ricercare nei problemi che insorgono nella realizzazione fisica dello statore. Come accennato in precedenza, ai fini di ridurre le perdite per eddy currents, lo statore è realizzato mediante una serie di materiali laminati sovrapposti. Tuttavia, mentre per il motore a flusso radiale tutte le lamelle sono uguali
tra loro, per il brushless assiale questo non è vero, e ciò comporta uno statore caratterizzato da un processo realizzativo dispendioso in termini di costo e tempo [17].
• Motori lineari
Utilizzati esclusivamente in applicazioni dove è richiesto un movimento lineare e non rotativo, questi brushless permettono di generare un moto rettilineo con una bassa inerzia ed un gioco meccanico trascurabile. Infatti generando direttamente un moto lineare, non vi è la necessità di dover ricorrere ad ingranaggi, cinghie, pulegge o altri organi meccanici [21].
Figura 58
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Indice delle figure
Figura 1 : Conversione dell’energia in una macchina elettrica rotante ... 45 Figura 2 : Classificazione delle macchine elettriche ... 46 Figura 3 : Spira indeformabile, vincolata al suo asse centrale, percorsa da una corrente mentre è immersa in un campo magnetico costante ... 46 Figura 4 : Forze che agiscono su una spira indeformabile, vincolata al suo asse centrale, percorsa da una corrente mentre è immersa in un campo magnetico costante... 47 Figura 5 : Significato grafico della definizione analitica di momento torcente ... 47 Figura 6 : Forze che agiscono su una spira indeformabile, vincolata al suo asse centrale, percorsa da una corrente mentre è immersa in un campo magnetico costante... 49 Figura 7 : Forze che agiscono su una Spira indeformabile, vincolata al suo asse centrale, percorsa da una corrente mentre è immersa in un campo magnetico costante... 49 Figura 8 : Forze che agiscono sulla spira per diverse posizioni e versi di corrente che la attraversano ... 50 Figura 9 : Andamento spaziale del momento torcente generato dall’interazione induzione magnetica-corrente che circola nella spira ... 51 Figura 10 : Rotazione di una spira, intorno al suo asse centrale, immersa in un campo magnetico costante ... 51 Figura 11 : Struttura di un motore DC (http://www.studyelectrical.com/2013/11/speed-control- of-dc-motors.html) ... 53 Figura 12 : Andamento spaziale della coppia generata in un motore DC ... 54 Figura 13: Struttura statore della macchina DC ... 55 Figura 14 : Struttura rotore della macchina DC (https://www2.units.it/pastore/Elet/ME7- Continua.pdf) ... 56 Figura 15 : Distribuzione del campo magnetico al traferro generato da una spira statorica (“Concetti di base sul campo magnetico rotante”, Prof. Aldo boglietti; Diploma universitario in ingegneria chimica, sede di Biella) ... 57 Figura 16 : Distribuzione del campo magnetico al traferro generato da due spire statoriche (“Concetti di base sul campo magnetico rotante”, Prof. Aldo boglietti; Diploma universitario in ingegneria chimica, sede di Biella) ... 58 Figura 17 : Distribuzione sinusoidale del campo magnetico al traferro (“Concetti di base sul campo magnetico rotante”, Prof. Aldo boglietti; Diploma universitario in ingegneria chimica, sede di Biella) ... 59 Figura 18 : Vettori magnetici controrotanti (“Concetti di base sul campo magnetico rotante”, Prof. Aldo boglietti; Diploma universitario in ingegneria chimica, sede di Biella) ... 60 Figura 19 : Vettore magnetico rotante (“Concetti di base sul campo magnetico rotante”, Prof. Aldo boglietti; Diploma universitario in ingegneria chimica, sede di Biella)... 61 Figura 20 : Rotote a gabbia di scoiattolo di un motore asincrono a bassa potenza ... 63 Figura 21 : Rotore a spire e spazzole di un motore asincrono ad alta potenza ... 63 Figura 22 : Statore di un motore asincrono (“Il motore asincrono (2° parte) : aspetti costruttivi”, Lucia Frosini; Dipartimento di ingegneria industriale e dell’informazione, Università di Pavia) ... 64
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Figura 23 : Struttura macchina elettrica sincrona (http://www.waybuilder.net/free- ed/Resources/TechnologyHub/Electricity/AcMotors.asp ) ... 65 Figura 24 : Rotore di un motore sincrono (http://www.itee.uq.edu.au/pssl/drupal7_with_inn Theme/?q=gallery-search/type%3Dpssl_ media&search_api_views_fulltext=&page=1) ... 65 Figura 25 : Campo magnetico rotorico e statorico di una macchina sincrona ... 66 Figura 26 : Caratteristica polare di un motore sincrono... 66 Figura 27 : Struttura interna di un motore brushless a poli salienti (https://sites.google.com/site /gasmalnate/attivita/kit-bici-elettriche/glossario-motori-elettrici) ... 68 Figura 28 : Descrizione grafica del principio di funzionamento di un motore brushless ... 69 Figura 29 : Brushless con quattro poli magnetici rotorici ed uno statore privo di cave ... 70 Figura 30 : Riscontro visivo del periodo magnetico elementare ... 71 Figura 31 : Circuito magnetico equivalente associato al periodo magnetico elementare ... 71 Figura 32 : Semplificazione del circuito magnetico proposto in Figura 31 ... 72 Figura 33 : Ulteriore semplificazione del circuito magnetico proposto in Figura 32 ... 72 Figura 34 : Descrizione grafica della relazione esistente tra il coefficiente di permeabilità magnetico e l’induzione ... 73 Figura 35 : Andamento spaziale dell’induzione nel periodo magnetico elementare ... 74 Figura 36 : Brushless con quattro poli magnetici rotorici ed uno statore con una sola spira ... 74 Figura 37 : Andamento spaziale del flusso magnetico attraverso la spira nel periodo magnetico elementare ... 75 Figura 38 : Sezione dello statore delimitata dalle due cave che ospitano l’avvolgimento ... 76 Figura 39 : Andamento spaziale della tensione indotta nella spira nel periodo magnetico elementare ... 77 Figura 40 : Forza generata dall’interazione corrente statorica - campo magnetico rotorico ... 78 Figura 41 : Forza generata dall’interazione corrente statorica - campo magnetico rotorico ... 79 Figura 42 : Andamento spaziale della coppia generata nel periodo magnetico elementare .... 79 Figura 43 : Rotore a magneti contigui e separati da materiale non ferromagnetico ... 80 Figura 44 : Andamento spaziale del flusso magnetico e della tensione indotta sull’avvolgimento statorico, per un periodo magnetico elementare, per un brushless a magneti non contigui ... 81 Figura 45 : Andamento spaziale della coppia, per un periodo magnetico elementare, generato da un rotore a magneti non contigui ... 81 Figura 46 : Motore Brushless con bobine multiple ... 82 Figura 47 : Andamento spaziale della tensione indotta, in un perido magnetico elementare, da quattro poli magnetici su 5 avvolgimenti connessi in serie ... 83 Figura 48 : Rappresentazione grafica di tre fasi statoriche sfasate tra loro di 120 ° elettrici... 84 Figura 49 : Andamento spaziale trapezoidale delle coppia generata da tre diverse fasi elettriche sfasate tra loro di 120 gradi elettrici (riferito al perido magnetico elementare) ... 85 Figura 50 : Andamento spaziale sinusoidale delle coppia generata da tre diverse fasi elettriche sfasate tra loro di 120 gradi elettrici (riferito al perido magnetico elementare) ... 86 Figura 51 : Campo magnetico generato da N cavi posti in una cava... 88 Figura 52 : Rappresentazione di come N conduttori abbandonano una cava per entrare in un’altra ... 88 Figura 53 : Motore brushless con quattro poli magnetici ed un alevato numero di cave ... 89 Figura 54 : Motore brushless semplificato, con una coppia polare e due slot ... 89 Figura 55 : Lunghezza del traferro in un motore brushless semplificato... 90 Figura 56 : Andamento spaziale della coppia di Cogging in un perido magnetico elementare 91
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Figura 57 : Motore brushless a flusso radiale con rotore interno ed esterno (http://www.nidec.com/en-IN/technology/capability/brushless/) ... 92 Figura 58 : Motore brushless a flusso assiale (https://www.researchgate.net/publication/ 228847506_Axial-flux_permanentmagnet
_machine_modeling_design_simulation_and_analysis) ... 93 Figura 59 : Motore brushless lineare (http://www.etel.ch/linear-motors/principle) ... 93
Bibliografia
[1] http://www.elettrotecnica.unina.it/files/petrarca/upload/Appunti/MacchineElettriche1.pdf [2]https://it.wikipedia.org/wiki/Macchina_in_corrente_continua [3] http://www.youmath.it/lezioni/fisica/dinamica/3006-momento-di-una-forza-o-momento- torcente.html [4] https://it.wikipedia.org/wiki/Rotore_(meccanica) [5] https://it.wikipedia.org/wiki/Statore [6] http://www-3.unipv.it/dmae/costruzioni/materiale_didattico/Costruzioni_9.pdf[7] Aldo Boglietti, “Concetti di base sul campo magnetico rotante”, Diploma universitario in ingegneria chimica, sede di Biella
[8] https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_asincrono [9] http://www.die.ing.unibo.it/pers/cristofo/didattica/dispense/12asinc.pdf [10] http://docenti.etec.polimi.it/IND32/Didattica/ME_professionalizzante/materiale_didattico /dispense/5_MS.pdf [11] http://www.webalice.it/egidiorezzaghi/iaelettt/quinta/macsin/macsin20.html [12] ftp://dee.poliba.it/Bronzini/Universita%20%20di%20Basilicata/Potenza/Sistemi%20 Elettrici %20per%20l%27Energia/2004_05/2_lezione_17.PDF [13] http://www-2.unipv.it/industriale/images/documenti/didattica/MAE2012-13/mae10_12- 13%20-%20macchina%20sincrona.pdf
[14] Lucia Frosini, “Il motore Brushless (1° parte): principi di funzionamento”, Dipartimento di ingegneria industriale e dell’informazione, Università di Pavia
[15] https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_brushless
[16] ftp://dee.poliba.it/Stasi/Macchine%20Elettriche%20II/Blac/BLAC%202006-07.pdf [17] Duane Hanselman, “Brushless Permanent Magnet Motor Design”, Magna Physics Publishing
[18] Lu, K., Rasmussen, “An Analytical Equation for Cogging Torque Calculation in Permanent Magnet Motors”,17th International Conference on Electrical Machines, Chania, Kreta, Greece.
[19] Giuseppe Caputo, “Simulazione di tecniche di controllo per azionamenti con motore brushless a magneti permanenti”, Tesi di Laurea Magistrale, Corso di Laurea in ingegneria dell’Automazione, Politenico di Milano
[20] http://www.koshindenki.com/img/file/KinetiMax_TechnologyOvr_R3(scrn).pdf [21]http://www.linmot.com/fileadmin//user_upload/Downloads/databooks/0185-1100- IT_1V0_Product_Overview.pdf
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