Motore-CA elettrico servo SGMP-15A3A4EPU 3000RMP del servomotore 4.77N.m di Yaskawa

Un semplice motore CC ha una bobina di filo che può ruotare in un campo magnetico. La corrente nella bobina viene fornita tramite due spazzole che stabiliscono un contatto mobile con un anello diviso. La bobina si trova in un campo magnetico costante. Le forze esercitate sui fili percorsi da corrente creano una coppia sulla bobina.

La forza F su un filo di lunghezza L percorso da corrente i in un campo magnetico B è iLB moltiplicato per il seno dell'angolo tra B e i, che sarebbe 90° se il campo fosse uniformemente verticale. La direzione di F deriva dalla regola della mano destra*, come mostrato qui. Le due forze qui mostrate sono uguali e opposte, ma sono spostate verticalmente, quindi esercitano una coppia. (Le forze sugli altri due lati della bobina agiscono lungo la stessa linea e quindi non esercitano alcuna coppia.)

La bobina può anche essere considerata come un dipolo magnetico, o un piccolo elettromagnete, come indicato dalla freccia SN: piega le dita della mano destra nella direzione della corrente, e il tuo pollice è il polo Nord. Nello schizzo a destra, l'elettromagnete formato dalla bobina del rotore è rappresentato come un magnete permanente, e la stessa coppia (il Nord attrae il Sud) è quella che agisce per allineare il magnete centrale.

• In tutto, usiamo il blu per il Polo Nord e il rosso per il Sud. Questa è solo una convenzione per rendere chiaro l'orientamento: non c'è differenza nel materiale alle due estremità del magnete e di solito non sono verniciate di un colore diverso.

Notare l'effetto dipennellisulanello diviso. Quando il piano della bobina rotante raggiunge l'orizzontale, le spazzole interrompono il contatto (non si perde molto, perché questo è comunque il punto di coppia zero: le forze agiscono verso l'interno). Il momento angolare della bobina la porta oltre questo punto di rottura e la corrente scorre quindi nella direzione opposta, invertendo il dipolo magnetico. Quindi, superato il punto di rottura, il rotore continua a girare in senso antiorario e inizia ad allinearsi nella direzione opposta. Nel testo seguente utilizzerò ampiamente l'immagine della "coppia su un magnete", ma tieni presente che l'uso di spazzole o corrente alternata può far sì che i poli dell'elettromagnete in questione cambino posizione quando la corrente cambia direzione.

La coppia generata durante un ciclo varia con la separazione verticale delle due forze. Dipende quindi dal seno dell'angolo tra l'asse della bobina e il campo. Tuttavia, a causa dell'anello diviso, è sempre nello stesso senso. L'animazione qui sotto mostra la sua variazione nel tempo e puoi fermarla in qualsiasi momento e controllare la direzione applicando la regola della mano destra.

Ora un motore DC è anche un generatore DC. Dai un'occhiata alla prossima animazione. La bobina, l'anello diviso, le spazzole e il magnete sono esattamente lo stesso hardware del motore sopra, ma la bobina viene girata, generando una fem.

Se si utilizza energia meccanica per ruotare la bobina (N giri, area A) alla velocità angolare uniforme ω nel campo magneticoB, produrrà una fem sinusoidale nella bobina. fem (una fem o forza elettromotrice è quasi la stessa cosa di una tensione). Sia θ l'angolo compreso traBe la normale alla bobina, quindi il flusso magnetico φ è NAB.cos θ. La legge di Faraday dà:

• fem = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

L'animazione sopra si chiamerebbe generatore DC. Come nel motore DC, le estremità della bobina si collegano ad un anello diviso, le cui due metà vengono a contatto con le spazzole. Si noti che le spazzole e l'anello diviso "rettificano" la fem prodotta: i contatti sono organizzati in modo che la corrente fluisca sempre nella stessa direzione, perché quando la bobina gira oltre il punto morto, dove le spazzole incontrano lo spazio vuoto nell'anello, le connessioni tra le estremità della bobina e i terminali esterni sono invertite. La fem qui (trascurando il punto morto, che convenientemente avviene a zero volt) è |NBAω sin ωt|, come abbozzato.

Se vogliamo AC, non abbiamo bisogno di rettifica, quindi non abbiamo bisogno di anelli divisi. (Questa è una buona notizia, perché gli anelli spezzati causano scintille, ozono, interferenze radio e ulteriore usura. Se si desidera la corrente continua, spesso è meglio utilizzare un alternatore e rettificare con diodi.)

Nell'animazione successiva, le due spazzole contattano due anelli continui, quindi i due terminali esterni sono sempre collegati alle stesse estremità della bobina. Il risultato è la fem sinusoidale non rettificata data da NBAω sin ωt, mostrata nella prossima animazione.

Ora, come mostrano le prime due animazioni, i motori DC e i generatori potrebbero essere la stessa cosa. Ad esempio, i motori dei treni diventano generatori quando il treno rallenta: convertono l’energia cinetica in energia elettrica e reimmettono energia nella rete. Recentemente alcuni produttori hanno iniziato a produrre automobili in modo razionale. In tali auto, i motori elettrici utilizzati per azionare l'auto vengono utilizzati anche per caricare le batterie quando l'auto è ferma: si tratta della cosiddetta frenata rigenerativa.

Ecco quindi un interessante corollario.Ogni motore è un generatore. Ciò è vero, in un certo senso, anche quando funziona da motore. La fem generata da un motore è chiamata theindietro fem. La fem posteriore aumenta con la velocità, a causa della legge di Faraday. Quindi, se il motore non ha carico, gira molto velocemente e accelera fino a quando la forza controelettromotrice, più la caduta di tensione dovuta alle perdite, equivale alla tensione di alimentazione. La fem indietro può essere pensata come un "regolatore": impedisce al motore di girare a una velocità infinita (risparmiando così ai fisici un po' di imbarazzo). Quando il motore è sotto carico, la fase della tensione si avvicina a quella della corrente (inizia a sembrare resistiva) e questa resistenza apparente dà una tensione. Quindi la forza controelettromotrice richiesta è minore e il motore gira più lentamente. (Per aggiungere la forza controelettromotrice, che è induttiva, al componente resistivo, è necessario aggiungere tensioni fuori fase. Vedere Circuiti CA.)

Le bobine di solito hanno nuclei

In pratica (e a differenza degli schemi che abbiamo disegnato), i generatori e i motori DC hanno spesso un nucleo ad alta permeabilità all'interno della bobina, in modo che grandi campi magnetici siano prodotti da correnti modeste. Questo è mostrato a sinistra nella figura sotto in cui ilstatori(i magneti stazionari) sono magneti permanenti.

Anche i magneti dello statore potrebbero essere realizzati come elettromagneti, come mostrato in alto a destra. I due statori sono avvolti nello stesso senso in modo da dare un campo nella stessa direzione e il rotore ha un campo che si inverte due volte per ciclo perché è collegato alle spazzole, che qui vengono omesse. Un vantaggio di avere statori avvolti in un motore è che è possibile realizzare un motore che funziona con corrente alternata o continua, il cosiddettomotore universale. Quando si guida un motore di questo tipo con corrente alternata, la corrente nella bobina cambia due volte in ogni ciclo (oltre ai cambiamenti provenienti dalle spazzole), ma la polarità degli statori cambia contemporaneamente, quindi questi cambiamenti si annullano. (Purtroppo però ci sono ancora i pennelli, anche se li ho nascosti in questo schizzo.)

Per costruire questo semplice ma strano motore, sono necessari due magneti abbastanza potenti (magneti in terre rare di circa 10 mm di diametro andrebbero bene, così come magneti a barra più grandi), del filo di rame rigido (almeno 50 cm), due fili con pinze a coccodrillo su entrambe le estremità, una batteria per lanterna da sei volt, due lattine di bibite, due blocchi di legno, del nastro adesivo e un chiodo affilato.

Realizza la bobina con filo di rame rigido, quindi non necessita di alcun supporto esterno. Avvolgere da 5 a 20 giri in un cerchio di circa 20 mm di diametro e fare in modo che le due estremità puntino radialmente verso l'esterno in direzioni opposte. Queste estremità saranno sia l'asse che i contatti. Se il filo ha un isolamento laccato o plastico, spelalo alle estremità.

Con le correnti CA possiamo invertire le direzioni del campo senza dover utilizzare spazzole. Questa è una buona notizia, perché possiamo evitare la formazione di archi elettrici, la produzione di ozono e la perdita ohmica di energia che le spazzole possono comportare. Inoltre, poiché le spazzole entrano in contatto tra superfici in movimento, si usurano.

La prima cosa da fare in un motore CA è creare un campo rotante. La corrente alternata "ordinaria" proveniente da una presa a 2 o 3 pin è una corrente alternata monofase: ha un'unica differenza di potenziale sinusoidale generata solo tra due fili: quello attivo e quello neutro. (Si noti che il filo di terra non trasporta corrente tranne in caso di guasti elettrici.) Con la corrente alternata monofase, è possibile produrre un campo rotante generando due correnti sfasate utilizzando ad esempio un condensatore. Nell'esempio mostrato le due correnti sono sfasate di 90°, quindi la componente verticale del campo magnetico è sinusoidale, mentre quella orizzontale è cosusoidale, come mostrato. Questo dà un campo che ruota in senso antiorario.

(* Mi è stato chiesto di spiegare questo: né le bobine né i condensatori hanno la tensione in fase con la corrente. In un condensatore, la tensione è massima quando la carica ha finito di fluire sul condensatore e sta per iniziare a fluire. Pertanto la tensione è indietro rispetto alla corrente. In una bobina puramente induttiva, la caduta di tensione è maggiore quando la corrente cambia più rapidamente, ovvero quando la corrente è zero. La tensione (caduta) è in anticipo rispetto alla corrente. Nelle bobine del motore, l'angolo di fase è piuttosto inferiore a 90¡, perché l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica.)

In questa animazione i grafici mostrano l'andamento nel tempo delle correnti nelle bobine verticali ed orizzontali. Il grafico delle componenti del campo B_Xe B_sìmostra che la somma vettoriale di questi due campi è un campo rotante. L'immagine principale mostra il campo rotante. Indica anche la polarità dei magneti: come sopra, il blu rappresenta il polo Nord e il rosso il polo Sud.

Se mettiamo un magnete permanente in questa zona del campo rotante, o se inseriamo una bobina la cui corrente corre sempre nella stessa direzione, allora questa diventa unamotore sincrono. In un'ampia gamma di condizioni, il motore girerà alla velocità del campo magnetico. Se avessimo molti statori, invece delle sole due coppie mostrate qui, potremmo considerarlo come un motore passo-passo: ogni impulso sposta il rotore sulla successiva coppia di poli attuati. Ricorda il mio avvertimento sulla geometria idealizzata: i veri motori passo-passo hanno dozzine di poli e geometrie piuttosto complicate!

Ora, poiché abbiamo un campo magnetico che varia nel tempo, possiamo usare la fem indotta in una bobina – o anche solo le correnti parassite in un conduttore – per trasformare il rotore in un magnete. Esatto, una volta che hai un campo magnetico rotante, puoi semplicemente inserire un conduttore e gira. Questo dà molti deivantaggi dei motori a induzione: assenza di spazzole o commutatore significa fabbricazione più semplice, assenza di usura, assenza di scintille, assenza di produzione di ozono e nessuna perdita di energia ad essi associata.

L'animazione a destra rappresenta amotore a gabbia di scoiattolo. La gabbia dello scoiattolo ha (almeno in questa geometria semplificata!) due conduttori circolari uniti da diverse barre diritte. Due barre qualsiasi e gli archi che le uniscono formano una bobina, come indicato dai trattini blu nell'animazione. (Per semplicità sono stati mostrati solo due dei tanti circuiti possibili.)

Questo schema suggerisce perché potrebbero essere chiamati motori a gabbia di scoiattolo. La realtà è diversa: per le foto e per maggiori dettagli. Il problema con i motori a induzione e a gabbia di scoiattolo mostrati in questa animazione è che i condensatori di alto valore e ad alta tensione sono costosi. Una soluzione è il motore a "polo schermato", ma il suo campo rotante ha alcune direzioni in cui la coppia è piccola e ha la tendenza a funzionare all'indietro in alcune condizioni. Il modo più semplice per evitarlo è utilizzare motori multifase.

La monofase viene utilizzata nelle applicazioni domestiche per applicazioni a bassa potenza ma presenta alcuni inconvenienti. Uno è che si spegne 100 volte al secondo (non ti accorgi che le luci fluorescenti tremolano a questa velocità perché i tuoi occhi sono troppo lenti: anche 25 immagini al secondo sulla TV sono abbastanza veloci da dare l'illusione di un movimento continuo). Il secondo è che rende scomodo produrre campi magnetici rotanti. Per questo motivo alcuni apparecchi domestici di elevata potenza (diversi kW) potrebbero richiedere un'installazione trifase. Le applicazioni industriali utilizzano ampiamente la trifase e il motore a induzione trifase è un cavallo di battaglia standard per applicazioni ad alta potenza. I tre fili (senza contare la terra) portano tre possibili differenze di potenziale sfasate tra loro di 120°, come mostrato nell'animazione seguente. Pertanto tre statori forniscono un campo rotante uniforme.

Se si inserisce un magnete permanente in un tale insieme di statori, diventa amotore sincrono trifase. L'animazione mostra una gabbia di scoiattolo, nella quale per semplicità è mostrato solo uno dei tanti anelli di corrente indotta. Senza carico meccanico, gira praticamente in fase con il campo rotante. Non è necessario che il rotore sia una gabbia di scoiattolo: infatti qualsiasi conduttore che trasporterà correnti parassite ruoterà, tendendo a seguire il campo rotante. Questa disposizione può dare unmotore a induzionecapace di alta efficienza, alta potenza e coppie elevate su una gamma di velocità di rotazione.

Una serie di bobine può essere utilizzata per creare un campo magnetico che trasla anziché ruotare. La coppia di bobine nell'animazione qui sotto è accesa, da sinistra a destra, quindi la regione del campo magnetico si sposta da sinistra a destra. Un permanente o un elettromagnete tenderà a seguire il campo. Lo stesso vale per una semplice lastra di materiale conduttore, perché le correnti parassite indotte in essa (non mostrate) comprendono un elettromagnete. In alternativa, potremmo dire che, secondo la legge di Faraday, viene sempre indotta una fem nella lastra metallica in modo da opporsi a qualsiasi variazione del flusso magnetico, e le forze sulle correnti guidate da questa fem mantengono il flusso nella lastra quasi costante. (Correnti parassite non mostrate in questa animazione.)