INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLE
MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI
Generalità
Una macchina elettrica rotante è un convertitore di energia
meccanica in elettrica (generatore) o, viceversa, di energia
elettrica in meccanica (motore).
Il fenomeno fisico che avviene all'interno della macchina è
detto conversione elettromeccanica dell'energia.
In qualunque verso avvenga la conversione, essa implica
una perdita di potenza Pp:
• nel funzionamento da generatore, la potenza elettrica
generata Pe è inferiore a quella meccanica assorbita Pm:
P =P −P
• nel funzionamento da motore la potenza meccanica
erogata Pm è inferiore a quella elettrica assorbita Pe:
e
m
p
P =P −P
m
e
p
La potenza meccanica entra nella macchina nei generatori
(o esce dalla macchina nei motori) tramite un albero
rotante. Essa vale semplicemente:
Pm = Cω
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dove C è la coppia all'asse e ω la velocità angolare della
macchina.
La potenza elettrica esce (o entra) tramite una linea elettrica
e vale, secondo i casi:
• P = VI (linea in corrente continua)
• P = VI cos ϕ (linea in regime sinusoidale monofase)
• P = 3VI cos ϕ (linea trifase)
e
e
e
Si definisce rendimento η il rapporto tra la potenza erogata
e la potenza assorbita dal convertitore. Perciò:
P
P P −P
η= =
= 1−
P
P
P
e
m
m
η=
p
m
p
m
P
P P −P
=
= 1−
P
P
P
m
e
e
p
e
per un generatore
p
per un motore
e
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Aspetti costruttivi
Tutte le macchine elettriche rotanti sono composte di una
parte fissa (statore) ed una parte rotante (rotore), che nella
maggior parte dei casi sta all'interno dello statore.
Statore
Lo statore è realizzato in materiale ferromagnetico e
costituisce una parte del circuito magnetico di macchina; è
laminato se è sede di flusso variabile e forma di cilindro
cavo. Gli avvolgimenti di statore, i cui conduttori sono, in
alternativa:
a) alloggiati in cave longitudinali praticate sulla superficie
interna del cilindro cavo;
b) avvolti su nuclei polari sporgenti dalla superficie
interna del cilindro cavo;
forniscono una parte della forza magnetomotrice che
produce il flusso nel circuito magnetico.
Lo statore è sempre collegato meccanicamente alla carcassa
di macchina, la quale porta anche le sedi per i cuscinetti di
rotore e la morsettiera per il collegamento alla linea, oltre a
vari dispositivi ausiliari.
Rotore
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Il rotore è un cilindro in materiale ferromagnetico, che
completa il circuito magnetico, ed è laminato se è sede di
flusso variabile. Gli avvolgimenti di rotore completano la
forza magnetomotrice per il circuito magnetico di macchina
e sono, in alternativa:
a) alloggiati in cave longitudinali sulla superficie laterale
del cilindro (rotore liscio);
b) avvolti su nuclei polari sporgenti dalla superficie
laterale (rotore a poli sporgenti o a poli salienti).
Il rotore, che può essere ad asse verticale od orizzontale, è
supportato da boccole e da cuscinetti reggispinta (a
strisciamento, a rotolamento, oleodinamici, oleostatici al
crescere delle dimensioni di macchina).
Una delle due testate di rotore (o, più raramente, entrambe)
prosegue con l'albero di macchina.
Lo spazio tra statore e rotore (il cui spessore varia dai
decimi di millimetro ad alcuni millimetri) è detto traferro.
Perdite di potenza nella conversione elettromagnetica
E' già stato evidenziato che la conversione elettromeccanica
origina perdite. Esse sono essenzialmente di tre tipi:
- perdite meccaniche (di ventilazione e nei cuscinetti);
- perdite per effetto Joule negli avvolgimenti (perdite nel
rame);
- perdite per isteresi e correnti parassite nel circuito
magnetico (perdite nel ferro).
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Tutte queste perdite comportano un aumento della
temperatura.
Questa potenza dovuta alle perdite e trasformata in potenza
termica, deve essere asportata per consentire alla macchina
di funzionare a temperatura appropriata. Un sistema
semplice è quello di calettare un ventilatore sull'albero,
provvedimento efficace quando le condizioni di
funzionamento comportano che il rotore sia quasi sempre in
rotazione; altrimenti si provvede a ventilare separatamente
tramite un elettroventilatore. Per macchine di grossa taglia è
necessario praticare condotti di raffreddamento sia nello
statore che nel rotore, nei quali si forza un flusso di gas
(ventilazione forzata) ad alta velocità.
Aspetti elettromagnetici
lnduttore e indotto
Da un punto di vista magnetico, le due parti che
costituiscono la macchina (statore e rotore) sono chiamate a
svolgere due funzioni diverse. In una di esse (chiamata
induttore) gli avvolgimenti sono alimentati per produrre il
flusso di eccitazione; nell’altra (chiamata indotto) è
generata la tensione elettrica voluta (funzionamento come
generatore) o è fatta circolare una corrente (che può essere
fornita da una rete di alimentazione elettrica esterna alla
macchina o prodotta inducendo f.e.m. in avvolgimenti
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chiusi), in modo da sviluppare le azioni elettrodinamiche
che consentono il funzionamento da motore.
In generale è indifferente quale delle due parti della
macchina svolge le funzioni di induttore (e reciprocamente
di indotto) e la scelta avviene in base al criterio di rendere
meno complesse le configurazioni circuitali, di ridurre le
perdite di tipo elettrico o meccanico e ad altre
considerazioni di carattere pratico.
In particolare, per le tipologie di macchine più comuni, che
saranno esaminate in seguito, la scelta di quale parte della
macchina svolga le funzioni di induttore o di indotto è
ormai consolidata.
In alcuni tipi di macchine é creata nel traferro una
distribuzione di induzione magnetica che ha direzione
radiale e intensità variabile sinusoidalmente lungo la
circonferenza. Il vettore che rappresenta, punto per punto,
tale induzione magnetica al traferro si sposta con velocità
costante lungo la circonferenza. Tale fenomeno si può
descrivere dicendo che la sinusoide (od onda) che
rappresenta il vettore B in ogni punto, ruota con velocità
angolare ω.
Tale onda rotante si può ottenere producendo un campo
magnetico sinusoidale nello spazio, ma costante nel tempo,
solidale con il rotore: in questo caso il movimento dell'onda
avviene facendo ruotare meccanicamente il rotore.
In alternativa, collegando i conduttori presenti nelle cave
(di statore o di rotore) in modo da formare tre avvolgimenti
posti a 120° geometrici tra loro e alimentandoli con un
sistema trifase di correnti, si ottiene in ogni punto del
traferro un campo magnetico rotante.
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Induttore con magneti permanenti
In alcuni tipi di macchina rotante può essere richiesto
all'induttore un flusso di induzione costante; in questo caso
tale flusso può essere prodotto mediante l'impiego di
magneti permanenti, con modalità che dipendono dal tipo di
macchina considerato. "
I materiali adatti a tale uso sono i materiali magnetici duri.
Materiali con campo coercitivo ed induzione residua elevati
occupano, com'è noto, volumi più ridotti, ma sono in
generale più costosi; pertanto la scelta del tipo di materiale
dipenderà dalle prestazioni che saranno richieste alla
macchina.
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In generale l'impiego di magneti permanenti consente da un
lato minori ingombri (in particolare una riduzione del
diametro esterno) e dall’altro rendimenti più elevati, grazie
all'assenza di perdite per effetto Joule nel circuito di
eccitazione. La macchina risulta inoltre più semplice,
mancando l'avvolgimento di eccitazione ed il relativo
circuito di alimentazione.
L'aspetto negativo consiste nel fatto che, essendo
ovviamente il flusso di induzione costante e non regolabile,
si perde la possibilità di controllare le prestazioni della
macchina agendo sul flusso stesso (o, in altri termini, sulla
corrente negli avvolgimenti di eccitazione).
Come ultima osservazione, i magneti (che potranno essere
disposti nello statore o nel rotore, secondo il tipo di
macchina considerato), devono essere disposti in modo
adatto alle loro caratteristiche.
Ad esempio, per magneti con basso campo coercitivo, quali
le leghe magnetiche dure (tipo Alnico o ferro-cromo), é
usata una disposizione di tipo circonferenziale, come
mostrato in figura (a e b, rispettivamente per lo statore ed il
rotore).
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In questo caso l'elevata dimensione longitudinale del
magnete è richiesta perché siano necessari elevati valori di
f.m.m. per la sua smagnetizzazione.
Altre disposizioni dei magneti, quali quelle mostrate nella
figura successiva, tipiche di un rotore, sono usate per
materiali come le ferriti dure, utilizzate per il loro modesto
costo; in questo caso l'asse magnetico del magnete ha
direzione radiale.
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