Impara le nozioni di base sulla forza elettromagnetica posteriore, come misurarla e i vantaggi e gli svantaggi dei diversi tipi di motore.
Nella Parte 1 di queste domande frequenti, abbiamo esaminato i motori CC con spazzole e CC senza spazzole (BLDC), quest'ultimo presenta alcune somiglianze con un motore sincrono a magnete permanente (PMSM). Il diagramma PMSM semplificato in Figure 1 assomiglia allo schema presentato nella Parte 1 per il motore BLDC meno il circuito di commutazione elettronica. Differenze sottili ma significative tra i due, tuttavia, si manifestano nel motore BLDC che ha una forza elettromotrice posteriore sinusoidale (EMF) mentre il PMSM ha una forza elettromotrice posteriore trapezoidale.
Cosa sono i campi elettromagnetici posteriori e come posso misurarli?
Indietro EMF (VBEMF) è la tensione generata da un motore in rotazione nella sua duplice funzione di generatore ed è proporzionale alla velocità. Figura 2a mostra un modello semplificato che mostra VBEMF, resistenza in serie (RS) e induttanza in serie (LS). Misurare VBEMF, scollegare il motore da qualsiasi fonte di alimentazione in ingresso, collegare l'oscilloscopio ai terminali del motore e far girare il motore a una velocità nota. Puoi osservare direttamente il VBEMF sull'oscilloscopio (Figura 2b) perché senza corrente che scorre, RS ed LS non contribuirà ad alcuna caduta di tensione.
Spesso è necessario misurare la FEM durante il funzionamento del motore per ottenere informazioni su velocità e posizione. In un tipico schema di commutazione elettronica di un motore BLDC trifase, in qualsiasi momento, solo due fasi trasportano corrente e un controller del motore può misurare la forza elettromagnetica sulla terza fase non energizzata. In alternativa è possibile misurare la corrente in serie I e calcolare la FEM posteriore:
Per ulteriori informazioni, vedere "Legge di Lenz e Back EMF" in Suggerimenti per il controllo del movimento.
Quali sono gli svantaggi dei motori PMSM o BLDC?
Per quanto riguarda i motori DC, a volte è conveniente variare l'intensità del campo, cosa che non è possibile fare con i magneti permanenti. Data l'intensità del campo costante, un motore CC convenzionale funziona in modalità a coppia costante fino alla velocità alla quale la forza elettromotrice posteriore del motore si avvicina alla tensione di ingresso. A questo punto, riducendo la corrente di campo si riduce la forza elettromotrice posteriore e il motore può funzionare a velocità più elevata ma con coppia inferiore, stabilendo una modalità a potenza costante. Questa modalità può essere utile in applicazioni come le macchine utensili, dove un utensile può funzionare con una potenza di taglio costante anche al variare della densità del materiale.
Per qualsiasi motore a magnete permanente, i problemi della catena di fornitura del magnete permanente stanno diventando critici, come evidenziato in questo rapporto del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Di conseguenza, la ricerca è in corso per trovare alternative. Le opzioni esistono da tempo, incluso il motore DC con spazzole discusso nella parte 1, anche se con degli inconvenienti. Un'altra alternativa è il motore sincrono a rotore avvolto (WRSM). Figure 3 mostra spazzole e anelli collettori che trasportano corrente continua da e verso gli avvolgimenti del rotore di un WRSM. Gli anelli collettori e le spazzole non presentano il rischio di archi e scariche elettriche tipici del commutatore del motore CC con spazzole, ma rimangono soggetti a usura meccanica.
Un'altra opzione è il motore a induzione CA. In Figure 4 a sinistra, il rotore è costituito da un anello conduttivo che circonda un nucleo di ferro laminato. Quando l'albero ruota, il campo magnetico dello statore induce correnti CA nel circuito, provocando inversioni di polarità magnetica nel nucleo del rotore, come mostrato nella vista obliqua a destra. Il rotore cerca di tenere il passo con i campi magnetici rotanti dello statore, ma non ci riesce mai. Se così fosse, il circuito conduttivo non taglierebbe più il campo magnetico dello statore e la sua corrente scenderebbe a zero. Di conseguenza, il motore funziona a "scorrimento", una piccola percentuale in meno rispetto alla velocità sincrona.
Invece di un circuito conduttivo, un tipico motore a induzione trifase ha più conduttori disposti in una configurazione simile a una gabbia di scoiattolo, ed è spesso chiamato motore a gabbia di scoiattolo. Senza commutatore o collettori rotanti, questo motore è stato a lungo un cavallo di battaglia affidabile. È ottimale quando si funziona a piena velocità e carico in applicazioni come il rifornimento periodico di una torre dell'acqua perché il motore aziona una pompa a velocità costante. La sua efficienza diminuisce quando funziona a velocità e carichi variabili, ad esempio azionando una pompa a velocità variabile che mantiene costante la pressione dell’acqua nonostante la domanda variabile o fungendo da motore di trazione in un veicolo elettrico.
Cos'altro dovrei sapere sui motori?
Nella parte 3 di questa serie, descriverò un motore elettrico senza magneti permanenti, senza commutatore, senza spazzole, senza anelli collettori e senza gabbia di scoiattolo. Esamineremo anche il ruolo dell'elettronica di azionamento moderna nel rendere questo motore pratico e nell'aumentare le prestazioni e l'efficienza di altri tipi di motore. Infine, esamineremo le misurazioni di potenza ed efficienza. Nel frattempo, EEWorld ha appena prodotto una serie di presentazioni sulla progettazione di azionamenti a motore, che potete visualizzare su richiesta qui.
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