Motori PM brushless a flusso trasverso

 II
Si è giunti così alla realizzazione di DC brushless e AC brushless. 
I primi conservano i pregi dei motori a corrente continua ma 
sostituiscono il collettore elettromeccanico con un collettore elettronico che 
consente, durante la commutazione, l’assenza di archi, di surriscaldamenti 
localizzati, usura delle spazzole, radiodisturbi difficilmente riducibili ecc. 
Gli AC brushless hanno una struttura elettromeccanica di un motore 
sincrono mentre il comportamento d’insieme e le caratteristiche esterne 
risultano molto simili a quelle del motore a corrente continua. 
Grazie allo sviluppo dei sensori di posizione è possibile avere a 
disposizione, per comandare le sequenze di commutazione tra le fasi, un 
segnale di posizione molto preciso che segue la posizione del rotore e 
quindi dell’asse del campo magnetico di eccitazione del motore brushless, 
si può perciò pensare di realizzare un motore brushless, con fem indotte 
sinusoidali, imponendo correnti sinusoidali nelle tre fasi, tali da formare 
una terna simmetrica e dare luogo ad un campo rotante fondamentale al 
traferro sempre sincrono con il rotore ed in quadratura con l’asse 
dell’eccitazione.Il funzionamento di tali macchine si allontana quindi da 
quello di una macchina a corrente continua e si avvicina a quello di un 
sincrono. 
I recenti risultati delle attività di ricerca e sviluppo nell’elettronica di 
potenza, hanno consentito la disponibilità sul mercato a costi contenuti di 
 III
microprocessori e di componenti elettronici (IGBT, MOSFET, BJT, SIT, 
SMI, MCT) utilizzati nei convertitori di potenza, ciò ha favorito la 
diffusione di azionamenti con motore a corrente alternata ed un 
miglioramento delle loro prestazioni. 
Forte impulso nell’evoluzione degli AC brushless è stato dato anche 
dalla commercializzazione, a prezzi contenuti, di magneti permanenti 
(PM), a terre rare, capaci di fornire elevata densità di energia magnetica 
(anche decine volte superiore rispetto a quella ottenibile dai PM a base di 
ferriti). 
I PM costituiscono infatti l’eccitazione di questi motori sincroni, e 
possono ritenersi elementi che non introducono perdite nella conversione 
elettromeccanica. 
Proprio i passi avanti in questi due campi (elettronica di segnale e di 
potenza, e dei magneti), hanno sviluppato la ricerca anche verso nuove 
tipologie di motori sincroni brushless,  che si allontanano da quelle 
convenzionali cui si è accennato. 
Il motore brushless  a magneti permanenti a flusso trasverso (TFM-
PM) rientra nella classe di queste nuove tipologie. 
Il principio del flusso trasverso (transversal flux principle) non è  
una scoperta recente ma era già noto da ben 100 anni[20], il suo utilizzo 
pratico fu però inibito dai limiti dell’elettronica conosciuta allora. 
 IV
A partire dal 1986, grazie al Prof.Ing. Herbert Weh, tale principio è 
stato ripreso ed è stato applicato a ralizzazioni di macchine che sono poi 
state dallo stesso H.Weh brevettate[5]. Attualmente il TFM-PM è oggetto 
di studio e di realizzazioni prototipiche da parte di molte università in 
Germania ed in Inghilterra. 
Il principio del flusso traverso consiste nel guidare il flusso 
magnetico in piani che sono ortogonali rispetto alla direzione del moto. 
Questa disposizione ha il pregio, che verrà meglio spegato nel seguito, di 
consentire la riduzione del passo polare senza per questo dover limitare lo 
spazio in cui è allocato l’avvolgimento.  
Poiché la densità di forza è inversamente proporzionale al passo 
polare, è consentito, a parità di densità di corrente, aumentare le coppie 
polari ottenendo coppie specifiche maggiori (cfr. “Principio di 
funzionamento”) 
[2][8]Densità di coppia pari a 3-5 volte quelle delle macchine 
tradizionali a flusso radiale, schiudono nuovi orizzonti nel campo degli 
azionamenti elettrici dove ridotto ingombro, assenza di organi di 
trasmissione, dinamica ed affidabilità sono requisiti fondamentali. 
Il presente lavoro, che si occupa dei TFM (transverse flux motor), si 
sviluppa in quattro capitoli. 
Il primo opera una classificazione dei motori elettrici conosciuti.  
 V
Il secondo esamina diversi aspetti del TFM: 
In primis il funzionamento, spiegando l’evoluzione dal motore 
sincorno PM classico a flusso longitudinale al motore sincrono PM flusso 
trasversale. 
Poi, viene fatta una classificazione delle diverse tipologie che la 
letteratura inerente il TFM offre. Ne vengono sottolineati gli svantaggi e se 
ne determinano le aree di applicazione. 
Il capitolo terzo si occupa di sottolineare le difficoltà inerenti la 
formulazione di un modello matematico per tali motori in cui il flusso ha 
un andamento fortemente tridimensionale. Viene comunque proposto un 
modello matematico che riesce a garantire risultati che possiedono un buon 
grado di approssimazione con le misure sperimentali. 
Sulla base di tale modello si opera, nel quarto capitolo, la 
progettazione di TFM-PM per la “motoruota” di un filobus. 
Capitolo I 
 1
CAPITOLO I 
Classificazione dei motori elettrici 
 
[21][23]Attualmente il mercato offre molti tipi di motori, ognuno 
dei quali è in grado di far fronte alle diverse esigenze industriali e 
domestiche. 
Tutte queste macchine, pur derivando direttamente da una delle tre 
classi principali (sincrona, asincrona, corrente continua), hanno subito delle 
modifiche sostanziali soprattutto grazie ad un impiego massiccio 
dell'elettronica di potenza che con opportuni algoritmi di alimentazione può 
aggiustarne le caratteristiche di coppia, le velocità di regime, il rendimento, 
la densità di potenza e così via.  Il collettore meccanico della macchina a 
corrente continua è oggi sempre più spesso sostituito da un collettore 
elettronico che aumenta l'affidabilità e la durata media del motore.  Il 
miglioramento, inoltre, delle prestazioni dei magneti permanenti e la loro 
disponibilità a costi accessibili ha consentito di sviluppare tutta una serie di 
macchine brushless capaci di soddisfare esigenze di alta dinamica, di 
Capitolo I 
 2
elevata precisione a regime e di elevata velocità. 
Da quanto appena esposto segue che può risultare utile disporre di 
una classificazione dei motori secondo diversi criteri distintivi, alla quale si 
può far riferimento nella scelta di un motore elettrico come elemento 
strutturale di un azionamento destinato a prefissate applicazioni. 
Nei paragrafi che seguono,  se ne riportano alcune in funzione dei 
parametri più significativi. 
 
1.1 Classificazíone in funzione del tipo di alimentazione 
In figura 1.1 è riportata una possibile classificazione dei motori 
elettrici distinguendo tra alimentazione sinusoidale diretta e con 
commutazione della corrente. 
Questi ultimi sono stati ulteriormente distinti in motori elettrici, che  
nel loro funzionamento sono interessati da una commutazione elettronica 
della corrente di alimentazione, e motori a collettore che, per loro 
costituzione, sono interessati da una commutazione meccanica. 
 
Capitolo I 
 3
A 
COMMUTAZIONE
MECCANICA
ELETTRONICA
CORRENTE 
CONTINUA
PRINCIPIO 
DI 
FUNZIONAMENTO
TIPO DI 
STRUTTURA
ASINCRONO
SINCRONO
MOTORI
ELETTRICI
SINUSOIDALE
MODALITA' 
DI 
ALIMENTAZIONE
CORRENTE 
SINUSOIDALE
IBRIDO
ROTORE A 
MAGNETI 
PERMANENTI
RILUTTANZA 
VARIABILE
A 
RILUTTANZA
ECC. CON 
MAGNETI 
PERMANENTI
ECCITAZIONE  
CORR. CONT.
ADDENSAMENTO 
DI CORRENTE
ROTORE A 
GABBIA
ROTORE 
AVVOLTO
 
 Fig. 1.1: Classificazione dei motori elettrici in funzione del tipo di alimentazione. 
 
 
 
1.2 Classificazione dei motori elettrici in funzione del tipo di moto 
Capitolo I 
 4
MOTORI
ELETTRICI
ROTATORIO
LINEARE
PLANARE
SFERICO
TUBOLARE
PIANA
DISCOID.
CILINDRICA
TIPO DI
MOTO
TIPO DI
STRUTTURA
 
Fig. 1.2: Classificazione dei motori elettrici in funzione del tipo di moto. 
In fig.1.2 la suddivisione è effettuata a partire dal tipo di moto 
sviluppato e trasmesso al carico meccanico.  Si possono individuare quattro 
differenti tipi di moto: 
- rotatorio, a sua volta distinto in cilindrico e discoidale. 
- lineare, ulteriormente diviso in piano e tubolare quest’ultimo 
derivato dai motori lineari con un solo lato attivo ruotandone 
lo statore intorno all'asse longitudinale. 
- planare 
- sferico. 
Capitolo I 
 5
 
1.3 Classificazione in funzione della modalità di moto 
In figura 1.3 è riportata la classificazione dei motori elettrici in 
funzione delle modalità del moto distinguendo in: moto nullo, continuo, 
incrementale ed alternato.  Nella prima rientrano quei motori elettrici 
capaci di tenere posizionato il carico esercitando da fermo un'azione di 
presa; essi sono comunemente definiti motori di coppia.  Nella seconda 
modalità si è distinto tra motori a velocità costante (motori sincroni 
tradizionali e motori sincroni a commutazione elettronica) e a velocità 
variabile con il carico (motori asincroni, a corrente continua). Alla terza 
appartengono tutti i motori caratterizzati da movimenti non continui ma che 
si ripetono con fissata frequenza dipendente dalle loro modalità costruttive 
(anisotropia o presenza di magneti permanenti) e di alimentazione;  questi 
sono comunemente definiti motori a passo. Nella quarta infine rientrano 
quei motori capaci di invertire il verso di marcia in senso alternato. 
Capitolo I 
 6
MOTORI
ELETTRICI
MOTO 
NULLO
A VELOCITA' 
VARIABILE
A VELOCITA' 
COSTANTE
MODALITA' 
DI MOTO
MOTO 
CONTINUO
MOTO 
INCREMENTALE
MOTO 
ALTERNATO
 
Fig 1.3: Classificazione dei motori elettrici in funzione della modalità di moto. 
 
1.4 Classificazione dei motori elettrici in funzione dell'andamento delle 
linee di campo. 
È possibile classificare i motori elettrici anche in funzione della 
correlazione esistente tra le superfici di giacitura delle linee di forza del 
campo magnetico e la direzione del moto. 
Capitolo I 
 7
MOTORI
ELETTRICI
A FLUSSO 
LONGITUDINALE
A FLUSSO 
TRSVERSO
A FLUSSO 
ASSIALE
 
Fig 1.4: Classificazione dei motori elettrici in funzione dell’andamento delle linee di campo 
 
A tal proposito, in figura 1.4 è riportata una distinzione in motori a 
flusso longitudinale, motori a flusso trasverso e motori a flusso assiale.  
Nella prima tipologia ricadono quei motori che sono caratterizzati da linee 
di forza del campo magnetico che si sviluppano su piani contenenti la 
direzione del moto e pertanto sono stati definiti a flusso longitudinale.  Alla 
seconda famiglia appartengono tutti i motori che presentano linee di forza 
giacenti su superfici piane o quasi piane ortogonali alla direzione del moto.  
Pertanto nei motori rotanti i piani in questione sono quelli che contengono 
Capitolo I 
 8
l'asse di rotazione mentre nei motori lineari sono piani ortogonali alla 
direzione del moto.  Nella terza famiglia ricadono quei motori (motori a 
disco) in cui le linee di forza del campo magnetico attraversano il traferro 
in senso assiale.  In particolare il traferro è delimitato da piani paralleli tra 
loro ed ortogonali all'asse di rotazione. 
 
1.5 Classificazione dei motori elettrici in funzione della variabilità con                
cui si presenta la polarità del campo magnetico 
I motori possono distinguersi anche con riferimento alla polarità 
con cui,  in un fissato istante, si presenta il campo magnetico al traferro ad 
un osservatore che si sposta nel traferro lungo lo sviluppo del moto (fig. 
1.5). Si possono distinguere  motori  omopolari   ed  eteropolari  
rispettivamente, come quelli per i quali  spostandosi lungo la coordinata del 
moto (arco di circonferenza nel motori rotanti e direzione del moto nel 
motori lineari) l'osservatore incontra sempre poli omonimi oppure poli 
eteronomi alternati. 
Capitolo I 
 9
MOTORI
ELETTRICI
ETEROPOLARE
OMOPOLARE
 
Fig. 1.5: Classificazione dei motori  elettrici in funzione della variabilità della polarità del 
campo magnetico  
 
 
 
 
 
1.6 Classficazione in funzione dell'andamento nel tempo del campo 
magnetico 
Infine, in fig.1.6 è riportata una possibile classificazione dei motori elettrici 
in funzione dell’andamento nel tempo del campo magnetico. Quest’ultimo 
può essere costante oppure variabile con legge assegnata (modulato 
Capitolo I 
 10
sinusoidale e intermittente). 
 
 
MOTORI 
ELETTRICI
VARIABILE
COSTANTE
SINUSOIDALE
INTERMITTENTE
MODULATO
 
fig: 1.6: Classificazione in funzione dell’andamento temporale del campo magnetico.