I motori elettrici, la cui funzione è convertire energia elettrica in energia meccanica, possono essere classificati in differenti modi, ad esempio:
a corrente continua, asincroni, sincroni;
a corrente continua, a corrente alternata;
con spazzole, senza spazzole;
rotanti (ideali per la maggior parte delle applicazioni), lineari;
Noi andremo ora ad analizzare un particolare tipo di macchina, il motore coppia, il quale appartiene alla famiglia dei motori sincroni, in particolare di quelli a magneti permanenti. Queste macchine sono caratterizzate da uno sviluppo radiale piuttosto che assiale. Questi accorgimenti servono ad aumentarne la coppia specifica a scapito della velocità rendendole adatte a particolari utilizzi.
5.2.1. Motori sincroni trifasi
Vengono chiamate sincrone tutte le macchine elettriche a corrente alternata, la cui velocità di funzionamento è rigidamente legata alla frequenza della tensione generata
67 o applicata ai morsetti. Le macchine sincrone sono principalmente utilizzate come generatori; la quasi totalità di energia elettrica prodotta è infatti dovuta ad esse.
5.2.2. Struttura elettromagnetica
I motori sincroni sono costituiti da uno statore, identico a quello dei motori asincroni, all'interno del quale, separato da un traferro di piccolo spessore, è situato un rotore di materiale ferromagnetico massiccio. Sul rotore sono presenti dei poli, in numero pari a quelli dell'avvolgimento statorico, che possono essere realizzati mediante magneti permanenti (Figura 5.1a) o conduttori percorsi da corrente continua posizionati su espansioni polari (Figura 5.1b) o nelle cave (Figura 5.1c). Gli estremi del circuito di eccitazione sono connessi a due anelli, montati sull'albero di rotazione, sui quali strisciano le spazzole per l'adduzione della corrente.
Figura 5.1 Tipologie motori sincroni
5.2.3. Caratteristiche funzionali
Una macchina sincrona connessa in parallelo su una rete di potenza prevalente può essere fatta funzionare da generatore o da motore a seconda che si applichi al suo asse una coppia motrice o una coppia frenante.
I motori sincroni sono caratterizzati dalle seguenti proprietà:
Ruotano a velocità rigorosamente costante n=60f/p per qualsiasi condizione di carico compresa entro i limiti della potenza di targa e la loro caratteristica meccanica è quindi rappresentata da un segmento di retta parallelo all'asse delle coppie;
68
Non sono in grado di auto avviarsi; quando vengono alimentati infatti, mentre il campo rotante statorico assume immediatamente la velocità di sincronismo, il rotore a causa dell’inerzia, non riesce a seguirlo e rimane fermo; per avviarsi necessitano quindi o di un motore ausiliario di lancio o di una gabbia di scoiattolo sul rotore o di essere alimentati tramite un inverter;
Possono funzionare come dispositivi di rifasamento aumentando il valore della corrente di eccitazione rispetto al suo valore nominale;
Hanno rendimento e fattore di potenza migliori di quelli di corrispondenti motori asincroni e la temperatura del rotore e quindi il riscaldamento della macchina azionata e dei cuscinetti è molto inferiore.
Tali motori trovano impiego in quelle applicazioni in cui si vuole ottenere una velocità costante senza regolazione (orologi, registratori a nastro, bobine di filatura, cineprese, giroscopi, ventilatori, pompe di lavatrici e lavastoviglie), quando è necessario azionare più trasmissioni del moto con lo stesso numero di giri o con determinati rapporti del numero di giri (cartiere e industrie tessili) e quando oltre allo sviluppo di potenza meccanica si vuole conseguire un effetto rifasante di grosse utenze con carico variabile (industrie utilizzanti più motori ad induzione, centrali di trasformazione dell'energia elettrica). [16]
5.2.4. Motori sincroni a magneti permanenti
Vengono principalmente utilizzati come servomotori e sono indicati quando si ricerca un’elevata precisione di posizionamento, anche ad elevate velocità oppure nei casi in cui le potenze richieste sono superiori al Megawatt, perché risultano più compatti (circa 30% più corti a parità di potenza) ed affidabili rispetto alla famiglia dei motori asincroni.
A differenza di quelli asincroni, i motori sincroni possono avere il rotore formato da una serie di magneti permanenti posizionati con polarità alternata lungo la circonferenza esterna, come mostrato in Figura 5.2. E’ importante sottolineare che il numero dei magneti è uguale al numero dei poli presenti sullo statore.
69
Figura 5.2 Disposizione dei magneti permanenti
Si ipotizzi a questo punto di isolare due magneti (Figura 5.3) dove il polo nord (N) rappresenta uno degli avvolgimenti statorici mentre il polo sud (S) è vincolato al rotore. Tra loro si genera una forza di attrazione reciproca che, nel caso in cui i magneti sono allineati, la risultante di questa forza ha componente totalmente assiale e la coppia motrice è nulla.
Figura 5.3 Magneti semplificati in una macchina sincrona
Quando invece il polo presente sul rotore ruota di una quantità δ, la risultante non è più verticale, di conseguenza nascono componenti tangenziali della forza di
70 attrazione; questa condizione si può estendere su tutta la serie di poli formanti rotore e statore e la somma di tutti i contributi moltiplicata per il braccio d’applicazione da luogo alla coppia motrice. L’angolo di sfasamento varia in relazione alla richiesta di coppia del sistema durante il funzionamento.
La Figura 5.4 mostra in modo semplificato l’andamento della coppia motrice C in funzione dell’angolo di sfasamento δ. Per valori di coppia positivi, si ha funzionamento da motore, viceversa per valori di coppia negativi la macchina sta funzionando da generatore.
Figura 5.4 Andamento della coppia in una macchina sincrona
La definizione di macchina sincrona deriva dal fatto che il rotore insegue alla stessa velocità il campo magnetico rotante creato dagli avvolgimenti statorici (non si ha scorrimento) e la variazione di coppia erogata durante il funzionamento, è data dalla variazione dell’angolo di sfasamento tra i magneti. Maggiore è la richiesta di coppia da parte di un sistema esterno, maggiore è l’angolo δ, ma viene sempre mantenuto il sincronismo di rotazione.