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MACCHINE ELETTRICHE - CLASSIFICAZIONE E GENERALITA'
Possiamo definire macchina elettrica un qualunque apparato, funzionante in base alle leggi
dell’elettromagnetismo, che sia in grado di convertire energia meccanica in energia elettrica, o,
viceversa, trasformare energia elettrica in energia meccanica. Questa definizione va
opportunamente completata aggiungendo al novero delle macchine elettriche anche tutti quei
dispositivi che consentono di modificare il valore della tensione e quindi della corrente: queste
non hanno bisogno di parti meccaniche in movimento e sono dette statiche.
MACCHINE ELETTRICHE
STATICHE
ROTANTI
TRASFORMATORI
GENERATORI
MOTORI
Le macchine elettriche rotanti si distinguono sostanzialmente in due categorie: quelle che
alimentate da energia elettrica la trasformano in lavoro meccanico si chiamano motori, sia che
funzionino in corrente continua che in corrente alternata; quelle che trasformano l'energia
meccanica in energia elettrica si chiamano generatori, distinguendosi poi in alternatori se
producono corrente alternata e dinamo se generano corrente continua.
Distinguendo invece le macchine elettriche rotanti in base al tipo di corrente che utilizzano
abbiamo la seguente classificazione:
MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI
CORRENTE ALTERNATA
ASINCRONE
SINCRONE
CORRENTE CONTINUA
DINAMO
MOTORI
MOTORI
MOTORI
ALTERNATORI
Le macchine in corrente alternata possono quindi essere asincrone oppure sincrone: cosa
significano questi due termini?
Innanzitutto facciamo una premessa: ogni macchina elettrica rotante è costituita da due parti:
una fissa detta statore ed una mobile detta rotore. Solitamente, ma non sempre, lo statore è la
parte esterna della macchina, la cosiddetta carcassa, all'interno della quale è posto il rotore,
libero di ruotare. Il rotore infatti è sorretto da un albero alle cui estremità sono posti due
cuscinetti, vincolati a loro volta allo statore. L'albero inoltre fuoriesce da una estremità della
carcassa per poter essere collegato agli altri dispositivi cui la macchina deve essere accoppiata.
Macchine elettriche: generalità – Appunti per il corso di Sistemi e Automazione a cura Prof. A. Del Sole
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STATORE
ALBERO
ROTORE
Ricordando ora che il sincronismo è una prerogativa delle macchine in corrente alternata,
abbiamo un rotore che gira con una determinata velocità ed una corrente che circola negli
avvolgimenti con una determinata frequenza. La velocità del rotore, come noto, è data dal
numero di giri che esso compie nell'unità di tempo; la frequenza della corrente è data dal
numero di cicli (di sinusoide), ossia di oscillazioni, nell'unità
di tempo.
Ebbene: quando queste due grandezze coincidono e sono
coordinate fra loro, le macchine si dicono sincrone,
altrimenti si dicono asincrone. In altri termini nelle
macchine rotanti sincrone vi è sincronismo fra le
oscillazioni della corrente che le attraversa e la rotazione
del rotore, siano esse motori o alternatori.
Ad ulteriore chiarimento possiamo dire che in un motore sincrono funzionante a 50 Hz, la
corrente (alternata) che lo alimenta compie 50 oscillazioni in un secondo; di conseguenza, ed
affinché vi sia sincronismo, il suo rotore deve compiere 50 giri in un secondo.
Ossia nel tempo che la corrente impiega a compiere un ciclo di sinusoide, il rotore deve
compiere un giro completo (360°).
Viceversa in un alternatore, per produrre una corrente con frequenza di 50 Hz, il rotore deve
ruotare rigorosamente alla velocità di 50 giri al secondo.
Più esattamente, come vedremo meglio studiando il principio di funzionamento di queste
macchine, ciò è vero se l'induttore della macchina ha una sola coppia polare, altrimenti la
velocità di rotazione va divisa per il numero di coppie polari.
Quindi: quale sarà la velocità di rotazione in rpm [giri al minuto] di una macchina sincrona
funzionante a 50 Hz?
n = 50 [giri al sec] * 60 [sec al minuto] = 3000 rpm
se ad 1 coppia polare
n = 50 * 60 / 2 = 1500 rpm
se a 2 coppie polari
n = 50 * 60 / 3 = 1000 rpm
se a 3 coppie polari
Ancora un paio di definizioni: dal punto di vista elettromagnetico, in ogni macchina elettrica, sia
in c. c. che in c. a., possiamo individuare due parti, l'induttore e l'indotto.
L'induttore è la parte che genera il campo magnetico: quindi può essere realizzato o mediante
dei magneti permanenti, solitamente in macchine di piccola taglia, o mediante degli
avvolgimenti in cui viene fatta circolare circolare corrente elettrica.
L'indotto è invece la parte della macchina immersa nel campo magnetico generato
dall'induttore: per effetto dell'induzione elettromagnetica esso diventa o sede di F. E. M. e di
correnti indotte (nel caso dei generatori) o di forze che generano il movimento (nel caso dei
motori).
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Si evince quindi che, a seconda del tipo di macchina, l'induttore può essere sullo statore e
l'indotto sul rotore, oppure al contrario l'induttore sul rotore e l'indotto sullo statore.
Diamo infine un cenno ai più comuni materiali che costituiscono le varie parti di una macchina
elettrica. Di volta in volta, quando ci tornerà utile, approfondiremo le nozioni di seguito esposte,
che costituiscono comunque un quadro generale di riferimento per i materiali.
Una classificazione dei materiali usati nelle macchine elettriche è la seguente:
• materiali conduttori;
• materiali isolanti;
• materiali magnetici;
• materiali strutturali.
I conduttori vengono generalmente adoperati per formare i circuiti interni (avvolgimenti) e
devono presentare un elevato valore di conducibilità elettrica; di conseguenza i materiali più
comunemente usati per realizzare gli avvolgimenti sono il rame e l’alluminio. In entrambi i casi,
bisogna sempre tener presente che la resistività è direttamente proporzionale alla temperatura
e, quindi, se la temperatura di esercizio della macchina cresce, con essa aumenta anche la
resistività.
Gli isolanti vengono adoperati per isolare elettricamente parti a diversa tensione e sono
caratterizzati elettricamente dalla rigidità dielettrica (definita come il valore limite di campo
elettrico oltre il quale si produce una conduzione di elettricità (scarica elettrica) attraverso il
materiale dielettrico) e dalla costante dielettrica ε, che ne esprime invece la capacità isolante.
I materiali magnetici vengono utilizzati per la realizzazione dei circuiti magnetici delle macchine:
sono materiali la cui permeabilità magnetica μ (intesa come la capacità del materiale a
lasciarsi magnetizzare) è molto elevata. La forte differenza esistente fra la μ della parte
magnetica e la μ delle altre parti (20.000 – 30.000) fa si che il campo di induzione magnetica
generato dall'induttore rimanga di fatto completamente intrappolato in tale materiale; il materiale
magnetico diventa quindi un tubo di flusso che contiene al suo interno tutte le linee del campo di
induzione magnetica B, realizzando quindi un circuito magnetico. I principali materiali
ferromagnetici sono: la magnetite, l'acciaio dolce, il cobalto, il nichel e le loro rispettive leghe.
I materiali da costruzione sono quelli utilizzati per la costruzione delle diverse parti meccaniche
delle macchine elettriche, tra le quali vi sono la carcassa e l’albero. Anche se non intervengono
esplicitamente nel funzionamento elettrico della macchina, incidono non poco sul
dimensionamento e sul peso. Solitamente si usano la ghisa, l’acciaio e l’alluminio, tutti con il
compito di resistere alle varie sollecitazioni meccaniche che la macchina può subire.
Comunque, per le ottime prestazioni meccaniche offerte, la lega, in assoluto più usata, è
l’acciaio.
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