Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

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Dr_Lexus
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Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da Dr_Lexus »

Questa intende essere una panoramica il piu' possibile completa relative alle varie tipologie di macchine elettriche attualmente note con particolari riferimento ad applicazioni automotive. Da parte mia l'idea e' quella di discuterne ciascun tipo in topic dedicati.

Acronimi
xEV: veicoli elettrificati e puramente elettrici: ibridi (xHEV: MHEV, HEV, PHEV), a batteria (BEV), fuel-cell (FCEV)...
MP: magnete permanente (Permanent Magnet, PM).

Introduzione
Per macchina elettrica si intende un dispositivo in grado di convertire energia elettrica in energia meccanica con funzionamento in generale reversibile (da motore a generatore e viceversa). La conversione elettromeccanica dell'energia e' governata dalle leggi dell'elettromagnetismo.
Anche se non oggetto di questo topic, sono macchine elettriche anche quei dispositivi statici, come ad es. i trasformatori o i sistemi wireless charging, che sempre sulla base delle leggi dell'elettromagnetismo, non trasformano le energie da elettrica a meccanica, ma la trasferiscono da un sistema ad un altro attraverso un mezzo.

Infine vorrei menzionare per pura curiosità, le poco note ma altrettanto affascinanti macchine elettrostatiche che si basano sull'azione di forze elettrostatiche agenti su cariche elettriche, le stesse che fanno si ad es. che un palloncino strofinato su una maglia rimanga attaccato ai capelli. Le forze elettrostatiche sono ordini di grandezza inferiori rispetto alle forze magnetiche per questo trovano applicazioni particolari come nelle micro-macchine e sembrano avere potenzialità in ambito spaziale (https://youtu.be/Xn8CLhEU4jA).

Di seguito userò per semplicità il termine motore elettrico per evitare inutili complicazini, evidenziando cosi' la principale funzione che hanno nella larga parte dei xEV, che è quella motrice. Ovviamente la reversibilità di funzionamento è una caratteristica fondamentale negli xEV.
Motori_elettrici.png
Motori_elettrici.png (263.5 KiB) Visto 4674 volte
I motori elettrici si classificano in due tipologie principali:
  • Con commutatore (commutator-with): sono i motori in c.c. propriamente detti, dotati per l'appunto del commutatore. Il commutatore o collettore è quell'organo meccanico che insieme alle spazzole consente di invertire il verso della corrente nei lati dell'avvolgimento di armatura (o indotto) durante la rotazione del rotore.
  • Senza commutatore (commutator-less): sono in gran parte rappresentate dai motori in c.a., anche se in realtà si dovrebbe correttamente parlare in generale di macchine che operano con forme d'onda di corrente periodica, non necessariamente sinusoidale e nemmeno alternata (cioe' che cambia polarità in ogni semiperiodo). Quest'ultimo caso è ad esempio contemplato dal motore a riluttanza commutata che funzionano con correnti periodiche non sinusoidali e nemmeno alternate.
    Come evidenziato nella figura soprastante, i motori senza commutatore non sono necessariamente motori senza spazzole: questo è il caso rappresentato dai classici motori sincroni eccitati in c.c.., in cui la funzione delle spazzole-anelli collettori è di alimentare in c.c. l'avvolgimento di eccitazione (od induttore) solidale al rotore.
Motori con commutatore / motori in c.c. (commutator-with / DC motor)
I motori in c.c. si classificano a loro volta nelle seguenti tipologie:
  1. Motori in c.c. autoeccitati (self-excited), in cui il circuito di eccitazione è elettricamente collegato al circuito di armatura.
    • Ad eccitazione serie (series-wound), in cui il circuito induttore è in serie al circuito di indotto. Tale motore ha la particolarità di potere operare con una sorgente monofase/bifase in c.a. ed è per questo chiamato motore universale.
      Esempi applicativi: Fiat Panda/Cinquecento anni 1990, Piaggio Porter elettrico, muletti elettrici, motorini di avviamento ICE, applicazione industriali, trazione ferroviaria, elettroutensili (motore universale).
    • Ad eccitazione derivata (shunt-wound), in cui il circuito induttore è in parallelo al circuito di indotto.
      Esempi applicativi: applicazioni industriali.
    • Ad eccitazione composta (compound-wound) in cui, come suggerische la parola, coesistono un circuito di eccitazione serie ed uno parallelo.
      Esempi applicativi: motorini di avviamento ICE, trazione ferroviaria.
  2. Motori in c.c. ad eccitazione indipendente (separately-excited), in cui l'eccitazione è elettricamente indipendente dal circuito di indotto.
    • A campo avvolto, indipendente (separately-excited (wound-field)), in cui il circuito di eccitazione puo' essere controllato da un sorgente di tensione indipendente da quella di armatura.
    • A MP (PM), in cui si sostituisce l'eccitazione avvolta con un'eccitazione (fissa) a MP.
      Esempi applicativi: motorini di avviamento ICE, motorini dei finestrini elettrici/tergicristalli, automodellismo.
Esploso di un motore in c.c. a MP.
Esploso di un motore in c.c. a MP.
DC_motor_assembly.png (161.97 KiB) Visto 4674 volte
Fonte: https://www.maxongroup.us/medias/sys_ma ... hment=true
Motore in c.c. ad eccitazione avvolta per applicazioni ferroviarie. Notare, in nero, le grosse bobine di eccitazione.
Motore in c.c. ad eccitazione avvolta per applicazioni ferroviarie. Notare, in nero, le grosse bobine di eccitazione.
DC_motor_Metro.jpg (6.16 MiB) Visto 4674 volte
Motore in c.c. a MP per automodellismo.
Motore in c.c. a MP per automodellismo.
Mini_4WD_DC_motor.jpg (32.27 KiB) Visto 4674 volte
Fonte: https://www.robotgear.com.au/Blog/post/ ... rdown.aspx

Motori asincroni / ad induzione (asynchronous/induction motor, ASM/IM)
Motori senza commutatore, in c.a., in cui il campo magnetico di statore è asincrono con il rotore.
  1. A gabbia di scoiattolo (squirrel cage), in alluminio o rame. Topologia non dotata di spazzole (brushless).
    Esempi applicativi: GM EV1, Fiat Seicento elettra, Tesla model Roadster / model S/X/3/Y, Renault Twizy, Audi Etron, Mercedes EQC, trazione ferroviaria. E' il "cavallo da lavoro" nell'industria con una quota del 90%.
  2. A rotore avvolto (wound rotor), tipicamente in rame. Tale motore è dotato di spazzole con anelli collettori che permettono una regolazione esterna dei parametri e grandezze elettriche di rotore.
    Esempi applicativi: applicazione industriali, generazione dell'energia elettrica: in particolare è una soluzione che si trova talvolta nell'eolico.
Motore asincrono trifase con rotore a gabbia di scoiattolo in alluminio per applicazioni industriali.
Motore asincrono trifase con rotore a gabbia di scoiattolo in alluminio per applicazioni industriali.
AS_motor.jpg (1.84 MiB) Visto 4674 volte
Struttura della gabbia di scoiattolo.
Struttura della gabbia di scoiattolo.
Squirrel-cage induction motor.JPG (31.22 KiB) Visto 4674 volte
Fonte: http://emadrlc.blogspot.com/2010/01/squ ... motor.html
Motore asincrono trifase Tesla, con rotore a gabbia di scoiattolo in rame (sostituito nelle più recenti da alluminio). Il motore asincrono rappresenta tuttora per Tesla una sorta di marchio di fabbrica: unica tecnologia impiegata dagli albori fino al 2017. Prima applicazione in larga scala negli xEV.
Motore asincrono trifase Tesla, con rotore a gabbia di scoiattolo in rame (sostituito nelle più recenti da alluminio). Il motore asincrono rappresenta tuttora per Tesla una sorta di marchio di fabbrica: unica tecnologia impiegata dagli albori fino al 2017. Prima applicazione in larga scala negli xEV.
Tesla_AS_motor_Cu_squirrel_cage.png (2.01 MiB) Visto 4674 volte
Fonte: https://www.tesmanian.com/blogs/tesmani ... o-teardown

Motori sincroni (synchronous motor, SM).
Motori senza commutatore, in c.a., in cui il campo magnetico di statore è sincrono con il rotore.
  1. Eccitati in in c.c. (electrically-excited, EE). Motori sincroni in cui il l'eccitazione è ottenuta per mezzo di un rotore con una o piu' bobine, alimentato da una sorgente in c.c..: sono pertanto dotate tipicamente di spazzole ed anelli collettori (non un commutatore!).
    • A poli salienti (salient pole).
      Esempi applicativi: Renault Zoe/Twingo-e/etc., Smart EQ, BMW iX serie, alternatori per la generazione dell'energia elettrica .
    • A poli lisci (non-salient pole).
      Esempi applicativi: alternatori per la generazione dell'energia elettrica .
    • A poli ad artiglio (claw pole).
      Esempi applicativi: alternatori ICE, motori 48V MHEV a bassa potenza.
Struttura di un motore sincrono eccitato in c.c. a poli salienti.
Struttura di un motore sincrono eccitato in c.c. a poli salienti.
EES_motor_salient_pole_scheme.png (299.37 KiB) Visto 4674 volte
Fonte: https://sites.google.com/site/nashmiadv ... -generator
Rotore di un motore sincrono eccitato in c.c. a poli salienti (4 poli) Renault. Tecnologia preferita dal marchio francese sin dagli albori, una delle poche eccezioni nel panorama mondiale.
Rotore di un motore sincrono eccitato in c.c. a poli salienti (4 poli) Renault. Tecnologia preferita dal marchio francese sin dagli albori, una delle poche eccezioni nel panorama mondiale.
Salient_pole_rotor_Renault_Zoe.jpg (214.22 KiB) Visto 4674 volte
Fonte: https://www.auto-innovations.com/communique/417.html

...to be continued...
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giusri
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da giusri »

Chapeau e grazie per la condivisione.
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da marcober »

seguo...e grazie Lexus!
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Dr_Lexus
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da Dr_Lexus »

  1. -
  2. Motori sincroni a MP (PM Synchronous, PMS)
    Motori sincroni in cui il l'eccitazione, a rotore avvolto, è sostituito da un'eccitazione fissa a MP: non sono pertanto provvisti di spazzole (brushless). E' la tecnologia attualmente dominante negli xEV: al 2018, piu' del 90% dei motori elettrici negli xEV sono di questo tipo.
    • A MP superficiali (Surface-mounted PM, SPM). E' la topologia a MP piu' semplice dotata, come indica il nome, di MP applicati sulla superficie di un rotore ferromagnetico.
      Esempi applicativi: utilizzo frequente nei servoazionamenti industriali e nei sistemi elettrici di bordo dei veicoli: es. servosterzo elettrico (Electric Power Steering, EPS). Come motore da trazione trovano spesso nella configurazione a flusso assiale (vedi di seguito paragrafo "Motori radiali, assiali e lineari"), limitato impiego nella configurazione radiale. Ferrari SF90, Ford Mustang Cobra Jet 1400, alcune vetture Formule E.
    • A MP superficiali incassati (Surface-inset PM, SIPM). Molto simile al SPM, i magneti permanenti sono incassati a livello della superficie del rotore ferromagnetico.
      Esempi applicativi: motori dei sistemi elettrici di bordo dei veicoli.
    • A MP interni (Interior PM, IPM) . E' la topologia dominante nei xEV in quanto coniuga caratteristiche tecniche-economiche vantaggiose per applicazione da trazione: elevata densità di coppia e rendimento, ampio intervallo di velocità, fabbisogno inferiore di magneti permanenti rispetto agli SPM (riduzione di costo).
      A seconda della disposizione dei MP nel rotore, vi sono diverse topologie di IPM ciascuna delle quali enfatizza o meno determinate caratteristiche. Una di queste è rappresentata dai motori sincroni a riluttanza assistiti da MP (PM Assisted Synchronous Reluctance, PMASynR).
      Esempi applicativi: Toyota Prius/etc., Nissan Leaf, GM Volt/Bolt/etc, BMW i3/i8/etc, VW e-golf/e-up/ID3/ID4/etc, Tesla model 3/Y/S/X Raven, Jaguar I-Pace, FIAT 500e, ...
    • A MP, auto-avviante (Line-start PM, LSPM). E' una sorta di ibrido fra un asincrono e sincrono a MP, risolve uno dei "difetti" del sincrono di non potersi autoavviare con alimentazione di rete: sostanzialmente si comporta come un asincrono durante l'avviamento per poi divenire sincrono a regime.
      Esempi applicativi: applicazioni a basso costo senza inverter che devono lavorare a velocità fissa ma ad elevato rendimento (e.g. motori per ventilatori, pompe), nessun impiego in trazione.
    Struttura di un motore SPM.
    Struttura di un motore SPM.
    SPM.png (524.58 KiB) Visto 4326 volte
    Fonti: https://www.motioncontroltips.com/lafer ... fficiency/
    https://www.controleng.com/articles/und ... et-motors/
    Motore sincrono SPM Daimler-Benz per applicazioni 48V MHEV.
    Motore sincrono SPM Daimler-Benz per applicazioni 48V MHEV.
    Mercedes_48V_MHV_P1.jpg (136.24 KiB) Visto 4656 volte
    Fonte: https://automobilkonstruktion.industrie ... er-intro-3
    Struttura di un motore sincrono IPM  in configurazione V-shape, configurazione IPM abbastanza comune ed utilizzata per es. da Toyota e Tesla.
    Struttura di un motore sincrono IPM in configurazione V-shape, configurazione IPM abbastanza comune ed utilizzata per es. da Toyota e Tesla.
    IPM_V_shape.jpg (11.72 KiB) Visto 4656 volte
    Fonte: https://dergipark.org.tr/en/download/ar ... ile/628726
    Esempi di differenti disposizioni dei MP nei motori IPM/PMASynR. Con la Prius, Toyota è stata la prima casa automobilistica ad introdurre in larga scala, nella trazione stradale, il motore sincrono a magneti permanenti.
    Esempi di differenti disposizioni dei MP nei motori IPM/PMASynR. Con la Prius, Toyota è stata la prima casa automobilistica ad introdurre in larga scala, nella trazione stradale, il motore sincrono a magneti permanenti.
    IPM_example.png (216.95 KiB) Visto 4656 volte
    Fonte: https://www.researchgate.net/publicatio ... _batteries
    Struttura di un motore sincrono LSPM. Notare la coesistenza della gabbia di scoiattolo con i MP.
    Struttura di un motore sincrono LSPM. Notare la coesistenza della gabbia di scoiattolo con i MP.
    LSPM_motor.png (203.97 KiB) Visto 4656 volte
    https://www.semanticscholar.org/paper/B ... 95e2044098
  3. Motori sincroni a riluttanza (Synchronous Reluctance, SynR).
    Motori sincroni brushless che sfruttano il meccanismo della forza di riluttanza, la forza di attrazione che si manifesta ad es. tra una calamita (od elettrocalamita) e ferro. Sono pertanto una soluzione senza MP (PM-free), con evidenti vantaggi nella riduzione del costo del motore.
    Esempi applicativi: notevole interesse per applicazioni industriali PM-free negli ultimi anni come sostituti degli asincroni, cui sono competitivi in termini di densità di coppia è superiori in termini di rendimento, consentendo il raggiungimento dei piu' stringenti requisiti di efficienza energetica. Ridotto interesse per la trazione elettrica a causa delle limitata densità di coppia oltre che intrinsiche problematiche relative alla qualità della stessa (oscillazioni di coppia, comunque ottimizzabili), acustica.
Struttura di un motore SynR.
Struttura di un motore SynR.
SynR.jpg (23.54 KiB) Visto 4656 volte
Fonte: https://www.mentor.com/products/mechani ... ance-motor
Motore SnyR ABB per applicazioni industriali. Introdotto in produzione di larga scala nel 2012.
Motore SnyR ABB per applicazioni industriali. Introdotto in produzione di larga scala nel 2012.
SynR_ABB.jpg (111.05 KiB) Visto 4656 volte
https://new.abb.com/news/detail/58874/a ... efficiency

Dal prossimo post, ci sposteremo progressivamente verso la zona dei motori per cosi' dire "esotici", aventi un piu' limitato impiego nell'automotive e nell'industria ma comunque oggetto di attività R&D nel mondo.
... to be continued...
Ultima modifica di Dr_Lexus il 03/01/2021, 20:51, modificato 3 volte in totale.
T-1000
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da T-1000 »

molto bello. ma per apprezzare l'esposizione penso servirebbe una pre-guida per avvicinarsi (non dico dominare) alla conoscenza della elettricità, del magnetismo, e comprendere l'effetto elettromagnetico.

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richiurci
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da richiurci »

Grazie Lexus, vedo con piacere che hai citato la FIAT ELETTRA :D

Come temevo è difficile capirne il funzionamento nel dettaglio, senza avere basi solide di elettrotecnica.

Riguardo farne topic specifici non so, fai come credi, ma spesso i topic si perdono o diventano poco leggibili...forse sarebbe meglio scriverne brevi articoli (vedi per esempio gli articoli sul sito electroyou)

SIcuramente in questo topic, se non è troppo complicato, mi piacerebbe vedere una o più tabelle comparative per cogliere facilmente pro e contro delle varie tipologie, per esempio dando punteggio (es alto, medio, mediocre, pessimo) per le varie voci (potenza specifica, coppia specifica, efficienza ecc)
i miei articoli su veicoli elettrici, batterie, risparmio energetico e altro https://www.electroyou.it/richiurci/wik ... i-articoli
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Dr_Lexus
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da Dr_Lexus »

T-1000 ha scritto:ma per apprezzare l'esposizione penso servirebbe una pre-guida per avvicinarsi (non dico dominare) alla conoscenza della elettricità, del magnetismo, e comprendere l'effetto elettromagnetico.
richiurci ha scritto:Come temevo è difficile capirne il funzionamento nel dettaglio, senza avere basi solide di elettrotecnica.

Riguardo farne topic specifici non so, fai come credi, ma spesso i topic si perdono o diventano poco leggibili...forse sarebbe meglio scriverne brevi articoli (vedi per esempio gli articoli sul sito electroyou)
Grazie ad entrambi per i suggerimenti.

Posso pensare ad un breve introduzione sulle basi dell'elettromagnetismo e della conversione elettromeccanica.

Questo topic vuole essere solo una panoramica per far vedere come sono fatti a grandi linee i motori, banalmente come si chiamano, come si classificano, come appaiono visivamente nelle loro parti principali con le caratteristiche principali senza andare troppo nei dettagli. La mia idea sarebbe di spiegarne il funzionamento ed i dettaglio in questi topic dedicati, con spiegazioni anche un po' piu' matematiche (il Tex faciliterebbe molto questo).

Riguardo al fatto che topic specifici si perdono o diventano poco leggibili, credo ci capire cosa intendi e sono d'accordo: dipende tanto da come è organizzato il topic e se parte in maniera organica "come un articolo", senza troppi "buchi logici" ed OT in mezzo. Purtroppo ci sono delle limitazioni fisiche nella "modalita' topic" (es. limite di immagini caricabili per post). Una "modalità articolo" con possibilità di commentare ovviamente sarebbe la formula migliore in questi casi.

Un confronto relativamente alle prestazioni, almeno di quelli piu' importanti, seguirà alla fine della panoramica.

PS: non voglio monopolizzare queste discussioni, sono solo appassionato di questa tematica e ho piacere di condividere qualche informazione. Ben vengano contributi da chiunque, magari aggiungendo link o modificando anche il post originale. L'Admin puo' pure prendere controllo del post se ritiene opportuno.
Kimera
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da Kimera »

Grazie Dr_Lexus!
Mi fai tornare ai tempi d'oro degli studi :D

Secondo te, quale tra questi è quello più efficiente?
E quale quello più affidabile che richiede meno manutenzione?
(ex) C-Zero AFFIDABILISSIMA - (ex) Renault Zoe R240 Intens, 2016 - Opel Corsa-e: Maledetto OBC! :evil:
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da marcober »

Lexus..chiedi a Marco di creare una sezione tecnica o didattica...in modo che la raccolta delle specifiche discussisoni (piu questa intro) non vada "sepolta".
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Re: Panoramica sui motori elettrici: classificazione ed applicazioni

Messaggio da ginorosi »

Ottima cosa, io aggiungerei anche circuiti di ricarica , tipo della Zoe abbiamo lo schema a blocchi , vedere anche gli altri (quelli che hanno il 110% di efficienza :D come sono fatti) , evoluzione e componenti che migliorano efficienza se è migliorabile.... ci sarebbe un certo SR che sul gruppo Zoe è competente , non sò se è anche qui ....
Renault Zoe ZE40 R110 - impianto FV da 3kW SSP dal 2010 - impianto 20kW RID dal 2011

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