Lez.25 Le macchine elettriche. Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 1

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1 Lez.25 Le macchine elettriche Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 1

2 Le macchine sono sistemi fisici in cui avvengono trasformazioni di energia da una specie all altra. Esse possono essere motrici, generatrici o trasformatrici. Nelle macchine elettriche almeno una forma di energia coinvolta è di tipo elettrico. Le trasformazioni di energia sono sempre accompagnate da fenomeni dissipativi, per cui la potenza (P u ) fornita dalla macchina è sempre minore della potenza (P i ) in ingresso a causa della potenza dissipata (P d ) dovuta ad una serie di fenomeni che sottraggono energia. La trasformazione è sempre caratterizzata da un rendimento η < 1: η = P u P i Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 2

3 Tra i principali fenomeni dissipativi in una macchina elettrica ricordiamo le perdite per effetto Joule (P j ), le perdite nel ferro per isteresi e correnti parassite (P Fe ), le perdite meccaniche per attrito e ventilazione (P m ), le perdite addizionali quali le perdite per effetto pelle (P a ). P i P u P j P Fe P m P a Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 3

4 Conversione elettromeccanica dell energia La trasformazione di energia elettrica in energia meccanica (e quella inversa) può essere originata sia da variazioni di energia elettrostatica, sia da variazioni di energia magnetica. Un confronto tra le densità di energia (energia per unità di volume), elettrica W eτ e magnetica W em, evidenzia il perché dello scarso interesse per le macchine elettrostatiche. Assumendo E = 10 6 V/m e B = 1 T, si ottiene che W eτ W em W eτ W mτ = 1 2 ε 0E B 2 = μ c 2 (E B ) ~ 2 1 ( ) 2 (106 1 ) ~ 10 5 Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 4

5 Nelle macchine elettriche di tipo elettromagnetico esistono circuiti in movimento relativo rispetto a campi magnetici; tali circuiti sono sede di forze elettromotrici indotte e possono essere percorsi da corrente. L interazione tra correnti e campi genera forze (df = idl B). La conversione può essere spiegata in principio con il seguente esempio: a l B v b H Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 5

6 Una barra conduttrice H è libera di scorrere a velocità v senza attrito lungo due binari, anch essi conduttori. La barra si muove in una zona a campo di induzione B uniforme. Il conduttore è sede di una f.e.m. indotta e(t) in quanto il circuito da esso tagliato è sede di una variazione di flusso concatenato Φ e(t) = dφ dt = d ds B nds = B dt dt = B (lds) dt = Blv Se i morsetti (a,b) sono chiusi su un carico esterno di resistenza R, il circuito sarà sede di un intensità di corrente elettrica i(t) che circolerà per opporsi alla variazione di flusso. Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 6

7 La corrente, interagendo con il campo B produrrà una forza F = il B (di modulo F = ilb) sulla barra contrastando il moto. a R i(t) B F v b i(t) H Per mantenere in moto la barretta H sarà allora necessario fornire dall esterno il lavoro: dl m = Fvdt = ilbvdt e la potenza meccanica P m = ilbv. Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 7

8 Confrontando questa potenza meccanica con la potenza elettrica erogata al circuito (P e = ei = iblv), ci si accorge di aver realizzato una macchina generatrice in cui tutta la potenza meccanica è convertita in potenza elettrica. Adesso, invece, colleghiamo ai morsetti (a,b) un generatore di tensione che faccia circolare la corrente i(t) nel circuito. a i(t) e(t) B v F b i(t) H Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 8

9 Sulla barretta H agirà la forza F = il B (di modulo F = ilb) che la porrà in movimento. Per effetto del moto si determina una variazione di flusso concatenato con il circuito e la nascita di una f.e.m. indotta opposta a quella del generatore. Per mantenere la corrente i(t) nel circuito sarà necessario fornire la potenza elettrica P e = ei che sarà convertita in potenza meccanica P e = ei = P m = Blvi. Si è realizzato un motore elettrico. La macchina elettrica è una macchina reversibile ed è idonea a funzionare sia come generatore che come motore. Dal punto di vista pratico, è molto più comodo produrre o utilizzare potenza meccanica facendo uso di organi rotanti intorno ad un asse. Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 9

10 La macchina elettrica rotante E composta da uno statore e un rotore cilindrici in ferro, coassiali, separati da un traferro in aria. Lo statore è fermo, ancorato all involucro metallico (carcassa). Il rotore è libero di ruotare ed è solidale all albero motore che trasmette la potenza meccanica. L induttore è costituito da avvolgimenti di eccitazione in cave o da magneti permanenti. L indotto è formato da più conduttori posti in cave. statore conduttori rotore A albero cuscinetti statore rotore albero carcassa A traferro carcassa traferro Università di Napoli Federico II, CdL Ing. Meccanica, A.A , Elettrotecnica. Lezione 25 Pagina 10