I motori CC sono macchine onnipresenti presenti in una varietà di apparecchiature elettroniche utilizzate in varie applicazioni.

In genere, questi motori vengono utilizzati in apparecchiature che richiedono una qualche forma di controllo rotatorio o di produzione del movimento.I motori a corrente continua sono componenti essenziali in molti progetti di ingegneria elettrica.Avere una buona conoscenza del funzionamento del motore CC e della regolazione della velocità del motore consente agli ingegneri di progettare applicazioni che consentono un controllo del movimento più efficiente.

Questo articolo esaminerà da vicino i tipi di motori CC disponibili, la loro modalità di funzionamento e come ottenere il controllo della velocità.

Cosa sono i motori DC?

ComeMotori CA, i motori CC convertono anche l'energia elettrica in energia meccanica.Il loro funzionamento è inverso a quello di un generatore DC che produce corrente elettrica.A differenza dei motori CA, i motori CC funzionano con alimentazione CC: potenza non sinusoidale e unidirezionale.

Costruzione di base

Sebbene i motori CC siano progettati in vari modi, contengono tutti le seguenti parti fondamentali:

• Rotore (la parte della macchina che ruota; nota anche come "armatura")
• Statore (gli avvolgimenti di campo o parte “stazionaria” del motore)
• Commutatore (può essere con spazzole o senza spazzole, a seconda del tipo di motore)
• Magneti di campo (forniscono il campo magnetico che fa girare un asse collegato al rotore)

In pratica i motori in corrente continua funzionano basandosi sulle interazioni tra i campi magnetici prodotti da un'armatura rotante e quello dello statore o componente fisso.

Un controller per motore brushless CC senza sensori.Immagine utilizzata per gentile concessione diKenzi Mudge.

Principio operativo

I motori CC funzionano secondo il principio dell'elettromagnetismo di Faraday secondo il quale un conduttore percorso da corrente subisce una forza quando viene inserito in un campo magnetico.Secondo la “Regola della mano sinistra per i motori elettrici” di Fleming, il movimento di questo conduttore è sempre in direzione perpendicolare alla corrente e al campo magnetico.

Matematicamente, possiamo esprimere questa forza come F = BIL (dove F è la forza, B è il campo magnetico, I sta per corrente e L è la lunghezza del conduttore).

Tipi di motori CC

I motori DC rientrano in diverse categorie, a seconda della loro costruzione.I tipi più comuni includono con spazzole o senza spazzole, a magnete permanente, in serie e in parallelo.

Motori Brushed e Brushless

Un motore DC con spazzoleutilizza una coppia di spazzole di grafite o di carbone che servono per condurre o erogare corrente dall'armatura.Queste spazzole sono solitamente mantenute in prossimità del commutatore.Altre funzioni utili delle spazzole nei motori CC includono la garanzia di un funzionamento senza scintille, il controllo della direzione della corrente durante la rotazione e il mantenimento pulito del commutatore.

Motori CC senza spazzolenon contengono spazzole in carbone o grafite.Di solito contengono uno o più magneti permanenti che ruotano attorno a un'armatura fissa.Al posto delle spazzole, i motori CC senza spazzole utilizzano circuiti elettronici per controllare la direzione di rotazione e la velocità.

Motori a magneti permanenti

I motori a magneti permanenti sono costituiti da un rotore circondato da due magneti permanenti opposti.I magneti forniscono un flusso di campo magnetico al passaggio di corrente continua, che fa ruotare il rotore in senso orario o antiorario, a seconda della polarità.Uno dei principali vantaggi di questo tipo di motore è che può funzionare a velocità sincrona con una frequenza costante, consentendo una regolazione ottimale della velocità.

Motori DC con avvolgimento in serie

I motori in serie hanno gli avvolgimenti dello statore (solitamente costituiti da barre di rame) e gli avvolgimenti di campo (bobine di rame) collegati in serie.Di conseguenza, la corrente di armatura e le correnti di campo sono uguali.Una corrente elevata fluisce direttamente dall'alimentazione negli avvolgimenti di campo che sono più spessi e meno numerosi rispetto ai motori shunt.Lo spessore degli avvolgimenti di campo aumenta la capacità di carico del motore e produce anche potenti campi magnetici che conferiscono ai motori DC in serie una coppia molto elevata.

Motori CC in derivazione

Un motore CC shunt ha l'armatura e gli avvolgimenti di campo collegati in parallelo.Grazie al collegamento in parallelo entrambi gli avvolgimenti ricevono la stessa tensione di alimentazione, sebbene siano eccitati separatamente.I motori shunt in genere hanno più spire sugli avvolgimenti rispetto ai motori in serie, il che crea potenti campi magnetici durante il funzionamento.I motori shunt possono avere un'eccellente regolazione della velocità, anche con carichi variabili.Tuttavia, di solito non hanno l’elevata coppia di spunto dei motori di serie.

Un circuito di controllo del motore e della velocità installato in un mini trapano.Immagine utilizzata per gentile concessione diDilshan R. Jayakody

Controllo della velocità del motore CC

Esistono tre modi principali per ottenere la regolazione della velocità nei motori CC in serie: controllo del flusso, controllo della tensione e controllo della resistenza dell'armatura.

1. Metodo di controllo del flusso

Nel metodo di controllo del flusso, un reostato (un tipo di resistore variabile) è collegato in serie con gli avvolgimenti di campo.Lo scopo di questo componente è aumentare la resistenza in serie negli avvolgimenti che ridurrà il flusso, aumentando di conseguenza la velocità del motore.

2. Metodo di regolazione della tensione

Il metodo di regolazione variabile viene generalmente utilizzato nei motori CC shunt.Esistono, ancora una volta, due modi per ottenere il controllo della regolazione della tensione:

• Collegamento del campo shunt a una tensione di eccitazione fissa fornendo all'armatura tensioni diverse (noto anche come controllo di tensione multipla)
• Variazione della tensione fornita all'armatura (noto anche come metodo Ward Leonard)

3. Metodo di controllo della resistenza dell'armatura

Il controllo della resistenza dell'armatura si basa sul principio che la velocità del motore è direttamente proporzionale alla forza controelettromotrice.Quindi, se la tensione di alimentazione e la resistenza di armatura vengono mantenute ad un valore costante, la velocità del motore sarà direttamente proporzionale alla corrente di armatura.