IL  MOTORE  ELETTRICO  

in  Corr.  Continua    

 

 

   

Motore elettrico in Corrente Continua  

Il  Motore   in  Corrente  Continua   (   di   seguito   in  dicato   semplicente   come   “motore  CC)   è  stato  il  primo  motore  elettrico  ad  essere  ideato  e  costruito.  È  adatto  sia  per  piccole  che  per  grandi  potenze:  da  qualche  W  (piccoli  elettrodomestici)  a  qualche  MW  (trazione  elettrica  ferroviaria).    In  generale  il  motore  CC  è  composto  da:    uno  statore  (la  parte  fissa,  solidale  al  supporto)  cavo   e   vuoto   al   centro,     da   un   rotore   avvolto   (la   parte  mobile)   ubicato   all’interno  dello  statore  ed  in  asse  con  esso  e  da  un  collettore  a  lamelle  installato  sull’asse  del  rotore.  

 L’alimentazione   esterna   è   effettuata   con  una   corrente   continua;   in  particolare   l’elemento  che  viene  alimentato  è  il  rotore.    

Poiché  durante   il   funzionamento   il   rotore  è   in   rotazione,     l’alimentazione  elettrica  è   resa  possibile   per   mezzo   delle   spazzole:   due  elementi   realizzati   in   materiale   in  “carbone”che  vengono  premuti   a  mezzo  di  molle   contro   le   lamelle   del   collettore  facendole   in   tal   modo   “strusciare”   su   di  esso.  Le  spazzole  sono  ovviamente  soggette  ad   usura   e   vengono   periodicamente   sostituite   con   relativa  facilità.    

In  un  motore  CC  viene  altresì  imposta  una  corrente,  anch’essa  continua,  all’avvolgimento  di   campo   (avvolgimento   statorico)     per   creare   il   flusso   di   campo  magnetico   all’interno  della   macchina.   Per   piccoli   motori   lo   statore  può   non   essere   di   tipo   avvolto,   ma   avere   un  magnete  permanente;  in  tal  caso  la  corrente  di  eccitazione  è  assente.  

Per   ottenere   coppia   sul   rotore  della  macchina  `e  necessario  rendere  solidale  con  il  rotore  una  o  più  spire  percorse  da  corrente.  Queste  spire  costituiscono   l’avvolgimento   rotorico   e   come  già   detto   vengono   connesse   con  

   

l’alimentazione   esterna   per   mezzo   di   un   collettore   a   lamelle.   Il   collettore   ha   un   certo  numero  di  coppie  di  lamelle,  disposte  in  senso  assiale,  fra  di  loro  elettricamente  isolate,  su  cui  strisciano  le  spazzole  e  a  cui  sono  collegate  gli  avvolgimenti  del  rotore.  La  continuità  elettrica   fra  alimentazione  e  spire  del   rotore  collegate  al  collettore  è  garantita  da  contatti  striscianti  detti  spazzole  (realizzate  nella  maggior  parte  dei  casi  in  grafite).    

     Le  parti  principali  che  compongono  un  motore  in  CC  sono  tre  e  sono  di  seguito  descritte:  

• uno statore cilindrico cavo di materiale ferromagnetico dolce massiccio, all'interno del quale vi sono dei poli salienti realizzati con magneti permanenti, oppure con materiale ferromagnetico su cui sono disposte delle bobine percorse da corrente continua (avvolgimento di eccitazione o induttore);

• un rotore di materiale ferromagnetico dolce laminato, coassiale allo statore e separato da esso da un traferro, con cave uniformemente distribuite lungo la sua periferia esterna, nelle quali é disposto un avvolgimento di tipo chiuso (armatura o indotto), connesso alle lamelle di rame di un commutatore; nell'armatura si verifica la conversione di energia, attraverso dei contatti striscianti costituiti da spazzole di grafite pressate sul commutatore

   

• un collettore a lamelle (commutatore) coassiale al rotore,

costituito da lamelle di rame isolate fra di loro da fogli di mica, su cui sono appoggiate a pressione mediante molle delle spazzole che consentono di collegare il circuito di armatura rotante ad un circuito esterno fisso; commutatore e spazzole sono le sole parti di macchina che richiedono manutenzione, oltre ai cuscinetti.

                                             

La  presenza  del  commutatore  meccanico  comporta  però  vari  inconvenienti:  • non utilizzabilità in ambienti di difficile accesso, in presenza di polveri o agenti  corrosivi,  

e   in   ambienti   con   pericolo   di   incendio   o   di   esplosione   (in   quanto   negli   istanti   di  commutazione   si   ha   apertura   di   avvolgimenti   induttivi   e   quindi   scintille   tra  spazzole  e  collettore);  

• manutenzione  periodica   (per   la   sostituzione  delle   spazzole  usurate,   che   in  genere  sono  di  grafite  per  consentire  un  buon  contatto  elettrico  minimizzando  gli  attriti,  e  per   la   manutenzione   delle   lamelle   in   rame   del   commutatore   usurate   dallo    scintillamento,  fenomeno  attenuabile  con  opportuni  sistemi,  ma  non  eliminabile);  

• limiti   di   velocità   (maggiore   è   la   velocità   più   forte   è   la   pressione   che   bisogna  esercitare  sulle  spazzole  per  mantenere  un  buon  contatto);  

• limiti  di  tensione  e  di  corrente;  • disturbi   elettrici   causati   dallo   scintillamento,   che   possono   causare   problemi   di  

compatibilità  elettromagnetica;  • costo,  inerzia  e  peso  elevati.  

 

Principio di funzionamento  

Prendiamo  in  esame  lo  schema  seguente  suddiviso  in  tre  posizioni,   in  cui  la  struttura  fissa  (statore)  è  costituita  da  due  magneti  permanenti  e  la  struttura  mobile  (rotore)  da  una  spira  i  cui  estremi  sono  saldati  ad  un  commutatore  circolare,  costituito  due  lamelle  

   

di   rame   tra   loro   isolate   e   connesse   elettricamente   tramite   due   spazzole   ad   un  generatore  di  corrente  continua.    

       

Con  riferimento  a  tale  schema  elementare  di  macchina  a  corrente  continua  si  nota  che:  

• nella posizione 1 la metà nera (bianca) della spira è in contatto, tramite lamella e spazzola, con il morsetto negativo (positivo) della tensione di alimentazione e la corrente che la attraversa esce dal (entra nel) commutatore;

• nella posizione 2 la spira è cortocircuitata;  

• nella posizione 3 è la metà bianca (nera) della spira in contatto, tramite lamella e spazzola, con il morsetto negativo (positivo) della tensione di alimentazione e la corrente che la attraversa esce dal (entra nel) commutatore.

Ne   consegue   che   con   un   avvolgimento   rotorico   costituito   da   più   spire   ed   un  commutatore  costituito  da  più   lamelle,   l'ʹazione  congiunta  di  spazzole  e  commutatore  produce   una   configurazione   spaziale   delle   correnti   e   quindi   del   campo   magnetico  rotorico  praticamente  invariabile  durante  il  funzionamento.  

Con   riferimento   ad   un  motore   reale   se   si   applica   una   tensione   costante   (tensione   di  alimentazione)  tra  le  spazzole  la  conseguente  corrente  continua  si  divide  in  parti  uguali  nelle  vie   interne  dell'ʹavvolgimento  rotorico,  che   è   disposto   in   modo   tale   che   tutti   i  conduttori   situati   da   una   parte   dell’asse  neutro  risultino  percorsi  dalla  corrente  in  un  dato  verso,  mentre  quelli   situati  dalla  parte  opposta  dell’asse  neutro  sono  percorsi  dalla  corrente  in  verso  opposto.    

Ogni  conduttore  dell'ʹindotto  quindi,  a  causa  dell'ʹinterazione   tra   la   corrente   che   lo  attraversa   e   il   flusso   di   statore   è   sollecitato   da   una   forza   (forza   di   Lorenz)   la   cui  direzione  è  normale  a  quelle  della  corrente  e  del  campo  di  eccitazione  statorico    e  il  cui  verso  è  definito  dalla  regola  del  prodotto  vettore  (regola  della  mano  destra),  dando  così  origine  ad  una  coppia  motrice  risultante  che  porta  in  rotazione  il  rotore.  

C  =  cost  *  Φ  *  Ia  

   

Quando  l'ʹindotto  ruota  l'ʹazione  congiunta  delle  spazzole  e  del  commutatore  determina  una  continua  variazione  delle  connessioni   tra   il   circuito  esterno  di  alimentazione  e   le  spire   dell'ʹavvolgimento   di   armatura,   tale   da   determinare   una   distribuzione   spaziale  delle   correnti   alternate   rotoriche   praticamente   immutabile   nel   tempo   e   quindi   un  campo   magnetico   di   armatura   spazialmente   fisso   e   sempre   ortogonale   a   quello   di  statore  pure  esso  spazialmente  fisso,  in  quanto  prodotto  da  magneti  permanenti  fissati  sullo   statore   o   da   correnti   continue   circolanti   in   bobine   disposte   sui   poli   statorici,  qualsiasi  sia  la  velocità  del  rotore.  Ne  consegue  che  la  coppia  motrice,  se  si  trascurano  le   piccole   oscillazioni   causate   dal   fenomeno   della   commutazione,   si   mantiene,   in  condizioni  di  regime  stazionario,  pressoché  costante  nel  tempo.    

Per  effetto  della  rotazione  si  induce  poi  nel  circuito  di  armatura  una  f.c.e.m.  che  agisce  in  verso  opposto  alla  corrente  assorbita  dall'ʹindotto  

E  =  cost  *  Φ  *  ω  

Nel   funzionamento  a  carico   il   campo  di  armatura  comporta  un   fenomeno  di  parziale  smagnetizzazione   del   campo   di   eccitazione   a   causa   della   non   linearità   del  materiale  ferromagnetico;    

 

 

 

 

l'ʹuso   di   avvolgimenti   compensatori   disposti   sulle   espansioni   polari   rende   però  praticamente   trascurabile   tale   fenomeno,  consentendo   quindi   di   poter   considerare  sempre   il   flusso   di   macchina   costante   e   i  campi   magnetici   di   statore   e   di   rotore  disaccoppiati.   In   assenza   di   tali   poli   ausiliari  infatti,   al   variare   del   carico   e/o   del   senso   di  marcia  e  quindi  della  distribuzione  del  campo  magnetico,   per   limitare     il   fenomeno   dannoso   dello   scintillamento   le   spazzole  dovrebbero   essere   continuamente   ed   opportunamente   spostate   in   modo   tale   da   far  avvenire   sempre   la   commutazione   nella   regione   tra   i   poli   statorici   in   cui   il   campo  magnetico  è  nullo  e  quindi  nel  momento  in  cui  la  corrente  che  deve  essere  commutata  è  nulla.  

   

   

Modello elettrico: eccitazione in serie – eccitazione in parallelo  

In   questo   paragrafo   viene   discusso   il   modello   elettrico   del   motore,   mettendo   in  evidenza   come   le   caratteristiche   fisiche   del   motore   e   le   grandezze   di   comando   del  motore,  tensioni  e  correnti,  influenzano  la  velocità  del  rotore  e  la  coppia  prodotta.  

 Modello  elettrico  motore  in  corrente  continua  

                                                                                   a)  eccitazione  parallelo                                                                      b)  eccitazione  serie.    La   coppia   prodotta   al   rotore   sarà   proporzionale   alle   dimensioni   degli   avvolgimenti,  alla  corrente  di  armatura  Ia    che  li  attraversa  e  al  campo  magnetico,  quindi  all’intensità  della  corrente  di  campo  (corrente  di  eccitazione):  

𝑪 =  𝒌∅ ∗ 𝑰𝒂 ∗ 𝑰𝒆𝒄𝒄 In   condizioni   di   regime,   le   relazioni   precedenti   costituiscono   un   sistema   lineare   dal  quale  è  possibile  ricavare  la  velocità  ω  di  funzionamento  del  motore  

𝝎 =𝑽𝒂 − 𝑹𝒂𝑰𝒂𝒌∅𝑰𝒆𝒄𝒄

 

Dalle  ultime  due  relazioni  si  determina  il  legame  fra  la  coppia  prodotta  dal  motore  e  la  sua  velocità  di  rotazione  

𝑪 =𝑽𝒂𝒌∅𝑰𝒆𝒄𝒄

𝑹𝒂  −  

𝒌∅𝟐𝑰𝒆𝒄𝒄𝟐

𝑹𝒂𝝎

Da   tale   relazione   si   osserva   che   la   velocit`a   di   rotazione   di   un   motore   in   corrente  continua  può  essere  controllata  agendo  su  Va  mantenendo  costante  Iecc,  oppure  agendo  su  Iecc  mantenendo  costante  Va.  I  motori  CC  possono  essere  inoltre  controllati  in  coppia  imponendo  la  corrente  Ia  che  circola  nell’avvolgimento  di   armatura,  mantenendo   costante   la   tensione  di   armatura  Va  e   la  corrente  di  campo  Iecc.   In  questo  caso   la  velocità  di   rotazione  dipenderà  dalla  curva  caratteristica  del  carico  applicato  al  motore.    In   funzione   delle   diverse   connessioni   tra   circuito   statorico   di   eccitazione   e  avvolgimenti  rotorici  di  armatura,  le  tipologie  più  frequentemente  usate  dei  motori  in  corrente  continua  sono  tre:  

• Motori a magneti permanenti • Motori eccitati in parallelo • Motori eccitati in serie

   

I  motori  a  magneti  permanenti   sono  molto  usati  nelle  applicazioni  di  bassa  potenza  (piccoli   elettrodomestici)   e   la   loro   coppia  massima   è   comunemente   limitata   al   150%  della  coppia  nominale,  per  impedire  la  smagnetizzazione  dei  magneti  permanenti.  I  motori   ad   eccitazione  parallelo   sono   quelli   più   usati   negli   azionamenti   a   velocità  variabile   per   la   ottima   regolazione   di   velocità   ottenibile   e   la   facilità   di   invertire   sia  velocità  che  coppia.    I  motori  ad  eccitazione  in  serie  sono  adatti  per  azionamenti  che  richiedono  alte  coppie  di  spunto  e  frequenti  sovraccarichi  e  in  cui  però  la  coppia  resistente  non  scende  mai  a  valori   così   bassi   da   determinare   velocità   eccessive   (trazione   elettrica   e   impianti   di  sollevamento  di  carichi  pesanti).    

Motori con eccitazione in parallelo  

Nel  motore   in   corrente   continua  ad   eccitazione  parallelo,   gli   avvolgimenti  di   campo  (eccitazione   statorica)   e   di   armatura   rotorica   vengono   alimentati   da   due   distinti  generatori.   È   quindi   possibile   comandare   in   modo   indipendente   la   corrente   di  eccitazione  che  genera   il  campo  magnetico  all’interno  del  motore  e   la   tensione  e/o   la  corrente  rotorica  degli  avvolgimenti  di  armatura.    Sono  i  tipi  di  motori  in  corrente  continua  più  diffusi  in  quanto  permettono  di  regolare  in  modo   efficace   la   velocità   di   funzionamento.   Per   essi   vale   il  modello   elettrico   già  rappresentato  nelle  precedenti  pagine  dellapresente  dispensa.    Come   già   descritto,   il   legame   fra   coppia   prodotta   dal   motore   e   la   sua   velocità   di  rotazione  è  rappresentato  dalla  relazione  

𝑪 =𝑽𝒂𝒌∅𝑰𝒆𝒄𝒄

𝑹𝒂  −  

𝒌∅𝟐𝑰𝒆𝒄𝒄𝟐

𝑹𝒂𝝎

Se   mediante   la   tensione   Ve   si   mantiene   flusso   di   eccitazione   costante   e   si   varia   la  tensione  di  armatura  (0<Va<Van),  essendo  le  intersezioni  della  caratteristica  meccanica  

con  gli   assi  C   e  ω  proporzionali   a  Va,   si  ottiene   una   famiglia   di   caratteristiche  meccaniche   costituita   da   rette   parallele.  Le   curve   caratteristiche   che   ne   derivano  sono   rappresentate   nel   piano   coppia-­‐‑ω  da   un   fascio   di   rette   parallele;   ad  ognivalore   dellatensione   di   armetura  applicata,   corrisponde   una   retta.   Dalla  relazione   precedente   si   osserva   che   la  pendenza   delle   curve   caratteristiche  

dipende  dalla  diversa  corrente  di  campo  (corrente  di  eccitazione).    

   

Motori con eccitazione in serie  

Nel  motore   in   corrente   continua   ad   eccitazione   in   serie,   gli   avvolgimenti   di   campo  (eccitazione   statorica)   e   di   armatura   rotorica   vengono   percorsi   dalle   medesime  correnti.    Analogamente   a   quanto   visto   nel   paragrafo   precedente   `e   possibile   ottenere   le  relazioni:  

𝑪 =  𝒌∅ ∗ 𝑰𝒂𝟐 In   condizioni   di   regime,   le   relazioni   precedenti   costituiscono   un   sistema   lineare   dal  quale  è  possibile  ricavare  la  velocità  ω  di  funzionamento  del  motore  

𝝎 =𝑽𝒂 − 𝑹𝒂𝑰𝒂𝒌∅𝑰𝒂

 

Dalle  ultime  due  relazioni  si  determina  il  legame  fra  la  coppia  prodotta  dal  motore  e  la  sua  velocità  di  rotazione  

𝑪 =  𝒌∅𝑽𝒆𝒄𝒄𝟐

𝝎𝒌∅ + 𝑹𝒂 𝟐

 

   Dalla  relazione  precedente  si  osserva  che  la  coppia  prodotta  è  massima  allo  spunto  (a  velocità   nulla),   e   la   sua   intensità   può   essere   regolata   agendo   sulla   resistenza  complessiva   del   circuito.   In   particolare   agendo   sulla   tensione   di   armatura   le   curve  caratteristiche  di  alzano,  aumentando  la  resistenza  del  circuito  le  curve  traslano  verso  sinistra.  Questo  tipo  di  regolazione  `e  stato  utilizzato  sui  tram  elettrici  in  cui  la  coppia  allo  spunto  viene  abbassata,  per  ottenere  partenza  dolci,  per  mezzo  di  un  reostato.  A  sistema  avviato  la  resistenza  inserita  alla  partenza  viene  via  via  tolta  per  ridurre  le  perdite  per  effetto  Joule.  Questi  motori  possono  raggiungere  velocità  elevate  solo  con  carichi  molto  bassi,  non  sono  adatti  per  il  funzionamento  a  vuoto  in  quanto  pu`o  essere  raggiunta  la  velocità  di  fuga,  mentre  sono  adatti  ad  essere  accoppiati  con  utilizzatori   la  cui  coppia  resistente  cresce  con  la  velocità,  come  ad  esempio  i  mandrini  per  macchine  utensili.    

 

   

   Dal  modello  matematico  del  motore  si  constata  che  all'ʹavviamento,  essendo  la  f.c.e.m.  nulla,   la   corrente   assorbita   assume   valori   così   elevati   (maggiori   di   20   volte   In)   da  danneggiare   il  motore   e   le   sue   connessioni  meccaniche   (specialmente   se   si   tratta   di  motori   di   grossa   potenza   e   di   tipo   serie);   è   quindi   necessario   limitarne   il   valore   ad  esempio   mediante   inserzione   in   serie   al   circuito   di   armatura   di   un   reostato   di  avviamento,   che   poi   al   crescere   della   velocità   viene   gradualmente   disinserito   fino   a  raggiungere   l'ʹesclusione   completa  ad  avviamento  ultimato.  La   condizione  ottimale   è  fare  in  modo  che  la  corrente  assorbita  dal  motore  non  superi  mai  il  valore  di  sicurezza  ed   allo   stesso   tempo   la   coppia   sviluppata   dal  motore   rimanga   la   più   alta   possibile.  Nelle   applicazioni   in   cui   vengono  usati   più  motori,   come  nelle   locomotive,   i  motori  possono   essere   connessi   in   serie   all'ʹavviamento   e   in   parallelo   durante   il  funzionamento.    Per  poter  regolare   la  velocità  di  una   locomotiva  di   tipo  tradizionale  si  sfrutta   il   fatto  che  ci  sono  più  motori  installati,  presenti  sempre  in  numero  pari,  normalmente  2  per  carrello,  che  possono  essere  collegati  fra  di  loro  in  vari  modi,  ne  cito  i  due  principali:  serie  e  parallelo.    Collegamento  in  serie  dei  motori:  tutti   i   motori   sono   collegati   con   i   morsetti   consecutivi   (la   corrente   che   esce   da   un  motore  entra  in  un  altro  e  via  dicendo)  per  cui  la  tensione  di  linea  (sempre  pari  a  3000  Volt   corrente   continua)   si   distribuisce   equamente   ai   loro   morsetti;   i   motori   devono  però  essere  uguali  e  collegati  allo  stesso  carico  meccanico:  è  il  nostro  caso.        collegamento  in  parallelo:    tutti   i   motori     hanno   i   morsetti   di   alimentazione   direttamente   collegati   alla   linea,  quindi   la   tensione   con   cui   sono   alimentati   è   maggiore   di   quella   che   avrebbero   se  fossero  messi  in  serie.        Pertanto   le   locomotive  sono  smpre  provviste  di   tanti  motori  e  si  possono  permettere  combinazioni  intermedie  e  quindi  potenze  e  velocità  intermedie.    Il  reostato  d'ʹavviamento  (una  grossa  resistenza  elettrica  variabile  fatta  da  più  sezioni  di  resistenze)  si  può  paragonare  grosso  modo  ad  una  enorme  "ʺfrizione  elettrica"ʺ  che  si  esclude  (manualmente  o  in  automatico)  più  o  meno  velocemente  a  seconda  della  forza  che  devono  erogare  i  motori  della  locomotiva  durante  l'ʹavviamento  del  treno;  questo  elemento   è   necessario   perchè   i   motori   elettrici   quando   sono   fermi   sono   dei  cortocircuiti  e  non  possono  venire  collegati  direttamente  alla  linea  se  non  attraverso  un  reostato   limitatore   di   corrente   che   si   esclude   del   tutto   solamente   quando   i   motori  acquistano  una  certa  velocità,  dipendente  dalla   tensione  applicata  ai   loro  morsetti   (e  qui  torna  il  discorso  serie  -­‐‑  parallelo)  e  dalla  corrente  assorbita.    

   

Una   volta   escluso   del   tutto   il   reostato   la   corrente   decresce  molto   rapidamente  man  mano   che   aumenta   la   velocità   del   treno   come   avviene   con   le   frizioni  meccaniche;   il  reostato  è  generalmente  installato  sul  tetto  della  locomativa  ed  è  raffreddato  a  mezzo  di   ventilazione   forzata,   ma   deve   comunque   essere   usato   per   un   tempo   limitato,  massimo  alcuni  minuti,  altrimenti  si  surriscalda  e  fonde.    Se   si   usassero   solo   le   variazioni   (combinazioni)   dei   collegamenti   dei   motori   si  avrebbero   pochissime   velocità   sfruttabili,   da   due   a   quattro,   e   la   potenza   nominale  potrebbe  essere  erogata  ad  una  sola  velocità,  quella   in  cui   i  motori  ricevono  la  piena  tensione  (collegamento  in  parallelo),  la  cosa  è  molto  limitante  ed  allora  per  disporre  di  maggiori  possibilità  di   regolazione  e   soprattutto  per   sfruttare   la  potenza  nominale  a  diverse  velocità  si  ricorre  agli  "ʺshunt"ʺ.    Gli   "ʺShunt"ʺ   (il   termine   significa   più   o   meno   "ʺdeviatori"ʺ   e   servono   per   indebolire   il  campo  elettrico   induttore  dei  motori;   sono  resistenze  variabili   collegate  al  circuito  di  eccitazione.  Si  possono  paragonare  grosso  modo  ad  un  "ʺcambio  marce  elettrico"ʺ  e  si  usano  per  fare  in   modo   che   i   motori,   una   volta   escluso   il   reostato   d'ʹavviamento,   continuino   ad  assorbire   corrente   e   quindi   ad   erogare   forza,   la   spiegazione   è  un  pò   approssimativa  ma   dà   l'ʹidea   della   loro   funzione;   in   genere   i   campi   dei   motori    si  indeboliscono  per  salti  graduali  (da  uno  solo  nella  E636  a  5  per  le  E646,E656,E444R  ed   diverse   E424   )   ,   quindi   più   ce   ne   sono   e  maggiori   sono   le   "ʺmarce"ʺ   disponibili   e  maggiore  è  il  campo  di  velocità  in  cui  è  sfruttabile  la  potenza  nominale  della  loco,  si  dice  che  la  loco  è  più  "ʺelastica"ʺ.