IL MOTORE ELETTRICO versione2003

IL MOTORE ELETTRICO
Cenni storici:
L'idea di utilizzare le azioni elettrodinamiche per produrre lavoro
meccanico risale alla prima metà dell'Ottocento; tuttavia per
incontrare un motore elettrico efficiente bisogna arrivare agli anni
1860-64, durante i quali Pacinotti costruì la 'macchina
elettromagnetica' che poteva funzionare anche come generatore di
corrente continua. Fu però il belga Gramme a sfruttare industrialmente
l'idea e a costruire negli anni 1870-71 numerose dinamo di dimensioni
commerciali (Macchina rotante, a induzione, per convertire energia meccanica in energia
elettrica a corrente continua). Tuttavia le macchine così costruite erano ancora
caratterizzate da bassi rendimenti. Fu così di importanza decisiva
l'invenzione del motore asincrono, dovuta a G. Ferraris (1885), il quale
non si occupò però di sfruttare né di brevettare l'invenzione. Proprio in
quegli anni Tesla (1856-1943), presentò alcuni brevetti riguardante
questo nuovo motore elettrico. Ma fu Westinghouse, presso la cui
ditta Tesla lavorava, che si interessò a questo progetto e costruì il
motore sfruttando industrialmente il brevetto; nel 1892 fu realizzato il
primo motore Westinghouse su scala commerciale.
Il motore elettrico funziona mediante una
sorgente di corrente continua, come ad
esempio una pila o una batteria di pile.
I dispositivi che colleghiamo alla presa di
corrente domestica (sorgente di corrente
alternata) hanno al loro interno dei
trasformatori per abbassarne il voltaggio, e un
raddrizzatore per trasformarla in corrente
continua.
Breve parentesi sulla differenza tra
corrente alternata: …
Nel caso della corrente alternata (AC acronimo
anglosassone) l'intensità, ossia il suo
valore, varia nel tempo ed ha un andamento
sinusoidale , come quello rappresentato
nell'immagine. In termini matematici la
variazione nel tempo segue l'andamento della
funzione trigonometrica sen α, dove α è un
angolo che aumenta con continuità nel tempo.
Per alcuni istanti il valore dalla corrente diventa
negativo. Ma questo in pratica cosa significa?
Semplicemente che in quegli istanti il flusso
delle cariche elettriche si inverte. In teoria
potrebbe sembrare difficile produrre un onda
di questo tipo, ma è proprio la forma d'onda
che si genera spontaneamente facendo ruotare
un magnete in una spira, meccanismo alla base
della generazione di tensione (o differenza di
potenziale) e quindi di corrente.
…E corrente continua:
In un sistema a corrente continua
(DC acronimo anglosassone) si ha
un flusso costante di
cariche elettriche attraverso un
conduttore, che circolano sempre
nello stesso verso. Il circuito più
semplice è formato da un
generatore ed un carico, per
esempio una pila ed una lampadina
collegati da due conduttori. Su un
grafico l'andamento dell'intensità di
corrente in funzione del tempo
è costante, ed è rappresentato
quindi da una retta.
All’interno del motore sono presenti tre componenti
fondamentali: un involucro o armatura, contenente
delle calamite; un rotore o parte rotante, attorno alla
quale sono avvolte numerose bobine di filo conduttore; e
le spazzole, cui andrà collegata la sorgente di differenza
di potenziale e che sfiorano il rotore. Le calamite
dell’armatura sono poste di modo che una di esse rivolga
il proprio polo NN verso il rotore, mentre l’altra il polo SS.
L’ albero, i cuscinetti ed collettore sono i componenti che
mantengono unita la struttura del motore elettrico.
Durante la rotazione i Collettori strisciano su due
contatti fissi: le spazzole. Collegando le spazzole ad
una pila, esse fanno scorrere corrente elettrica nel
rotore, la quale passerà attraverso le bobine.
Secondo la legge di Biot-Savart, un filo percorso da
corrente genera un campo magnetico: la bobina
posta sul rotore quindi si trasformerà in un vero e
proprio magnete. Per le leggi di base del
magnetismo, poli concordi si respingono, mentre poli
discordi si attraggono: la bobina di fronte alle
calamite dell’armatura verrà dunque respinta,
imprimendo una rotazione al rotore.
Rotazione del rotore
Dopo una parziale rotazione del rotore, le spazzole
sfiorano i propri contatti in parti inverse, facendo
scorrere la corrente attraverso le bobine nel verso
opposto: il campo magnetico presente nella bobina
quindi invertirà i propri poli. Ma questo è necessario
per mantenere la rotazione: se la polarità non
cambiasse, la bobina non verrebbe respinta
dall’armatura (anzi, ne verrebbe attratta), e il
processo si arresterebbe.
… Abbiamo così trasformato energia elettrica (corrente) in
energia meccanica (rotazione).
Riassumendo in breve:
Il principio del funzionamento del motore elettrico è molto
semplice.
Una bobina percorsa da corrente è fissata
perpendicolarmente ad un perno creato da un magnete. Il
momento torcente che agisce sulla bobina pone in
rotazione il perno che genera un movimento rotatorio che
verrà trasferito ad un elemento mobile come ad esempio
un’ elica. I collettori e le spazzole hanno lo scopo di invertire
ogni mezzo giro il verso della corrente che scorre nella
bobina e permette il mantenimento della rotazione.
Cos’è, però, questo momento
torcente?
Supponiamo di voler svitare un bullone:
sappiamo per istinto che facciamo meno sforzo
per svitarlo se esercitiamo una forza presso
l’estremità della chiave inglese. In generale,
facciamo meno sforzo se esercitiamo una forza il
più lontano possibile dal fulcro intorno al quale
ruota l’oggetto. Risulta perciò utile definire una
nuova grandezza chiamata momento
torcente, che coniughi l’intensità della forza F e
la distanza dal fulcro (o asse di rotazione). Se
diminuiamo l’intensità della forza, avremo un
momento torcente minore, mentre, se vogliamo
mantenere il momento torcente costante
mentre applichiamo una forza più vicina al
fulcro, dovremo aumentare l’intensità di
quest’ultima.
LA MACCHINA ELETTRICA
Un’automobile elettrica è dotata di una batteria, di un
caricabatteria da collegarsi a una presa di corrente e di un motore
elettrico, cuore dell'auto. L’energia delle batterie viene resa
conforme al tipo di propulsore. Un dispositivo chiamato inverter
trasforma la corrente da continua in alternata. Il motore converte
l’energia elettrica fornita dalla batteria in energia meccanica
disponibile all’asse per muovere l’automobile; il conducente non
deve far altro che accendere l’auto, selezionare il senso di marcia
con un apposito interruttore e premere il pedale dell’acceleratore.
Per quanto riguarda il sistema di trasmissione, i costruttori
impiegano le soluzioni più disparate al fine di ottimizzare le
prestazioni del veicolo elettrico, anche se l’impiego di un
propulsore elettrico permette anche di adottare le soluzioni di
un’auto con motore tradizionale. La retromarcia si può ottenere
invertendo il verso dell’elettricità circolante nel motore. Si cambia
così il senso di rotazione del propulsore e quindi del riduttore,il
quale a sua volta inverte quello delle ruote.
PRO:
Pulizia: le auto elettriche non hanno emissioni di CO2 né di altri
elementi nocivi. Infatti sono totalmente prive di tubi di scarico.
Silenziosità: il motore elettrico funziona senza rumore e senza
vibrazioni, per una sensazione di guida unica e confortevole.
Sostenibilità: una vettura a batterie può essere ricaricata attraverso
pannelli solari, ottenendo il massimo della sostenibilità energetica
possibile.
Affidabilità: il motore elettrico, avendo pochissime parti in
movimento, è meno soggetto a rotture ed usura, riducendo di molto
il costo di manutenzione.
Risparmio: l’energia elettrica costa molto meno rispetto ai
carburanti tradizionali. A parità di distanza percorsa, quindi, si spende
molto meno.
CONTRO:
Dall’altro lato ci sono alcune evidenti difficoltà nell’utilizzo quotidiano
delle auto elettriche. Non solo la poca autonomia di molti modelli.
Ecco una breve lista:
Poche stazioni di ricarica: oggi sono ancora molto pochi i punti in
cui è possibile fermarsi per ricaricare la propria vettura a batterie.
Scarsi incentivi: le auto elettriche e le batterie sono spesso molto
costose. In Italia gli incentivi all’acquisto o al noleggio di veicoli ad
emissioni zero sono ancora molto bassi.
Lunghi tempi di ricarica: se non si dispone di una centralina di
ricarica speciale, ci possono volere molte ore per ricaricare le batterie
di un’auto elettrica.
Provenienza dell’energia: l’energia elettrica utilizzata per
alimentare le vetture potrebbe essere prodotta con metodi più
inquinanti dell’uso di un’auto tradizionale.
Poca autonomia: la maggior parte delle batterie utilizzate sulle auto
elettriche consentono di viaggiare per pochi km prima di dover essere
ricaricate.
Buono studio