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 (263.5 KiB) Visto 4887 volte
- 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.
I motori in c.c. si classificano a loro volta nelle seguenti tipologie:
- 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.
- 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.
- 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.
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- Motore in c.c. ad eccitazione avvolta per applicazioni ferroviarie. Notare, in nero, le grosse bobine di eccitazione.
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- Motore in c.c. a MP per automodellismo.
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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.
- 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%. - 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.
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- Struttura della gabbia di scoiattolo.
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- 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 4887 volte
Motori sincroni (synchronous motor, SM).
Motori senza commutatore, in c.a., in cui il campo magnetico di statore è sincrono con il rotore.
- 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.
- A poli salienti (salient pole).
- Struttura di un motore sincrono eccitato in c.c. a poli salienti.
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- 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.
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...to be continued...
