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Considerazioni termiche per i motori a corrente continua a spazzole senza ferro e senza spazzole
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Queste perdite di potenza si trasformano principalmente in potenza termica e tendono ad essere di maggiore entità quando la potenza meccanica fornita è maggiore. L'energia termica generata all'interno di un motore elettrico crea un aumento di temperatura che si traduce in un trasferimento di calore da più caldo a più freddo (grazie alla conduzione e alla convezione), e alla fine porta il calore all'esterno del motore.
Una delle più grandi sfide per i produttori di motori elettrici è garantire che la temperatura interna istantanea del motore non superi mai la temperatura massima ammissibile dei suoi vari componenti. A seconda del design del motore e dei materiali utilizzati, i fenomeni termici determineranno le prestazioni del motore.
I progettisti tipicamente considerano due aree di miglioramento per aumentare le prestazioni di un motore senza surriscaldare e danneggiare i suoi componenti:
Minimizzare le perdite: migliorare l'efficienza della conversione di potenza generando meno calore per una data potenza meccanica in uscita (permettendo una maggiore potenza meccanica per la stessa creazione di calore).
Migliorare la capacità del motore di condurre l'energia termica generata nell'ambiente circostante (dissipazione del calore) in modo che l'aumento della temperatura interna diminuisca, permettendo una maggiore generazione di energia termica per lo stesso aumento di temperatura interna.
Per aiutarvi a capire questo fenomeno, useremo l'analogia dell'acqua che riempie una vasca da bagno che contemporaneamente perde. Vedere la figura 1.
Il flusso d'acqua che esce dal rubinetto corrisponde alla generazione di energia termica all'interno del motore. Non appena l'acqua si raccoglie nella vasca, la pressione sul fondo provocherà una perdita che farà uscire l'acqua dalla vasca, corrispondente alla dissipazione di calore. Più alto è il livello dell'acqua, più alta è la pressione sul fondo della vasca, e quindi maggiore è il flusso di perdite d'acqua.
Allo stesso modo, la dissipazione di calore di un motore è proporzionale al delta tra la temperatura interna del motore e la temperatura esterna (ambiente). Ma siccome il flusso d'acqua dipende dal diametro del foro di uscita, la dissipazione di calore dipende anche dalla resistenza termica, che definisce "quanto è difficile" portare il calore fuori dal motore. Più bassa è la resistenza termica, più facilmente e più velocemente il calore sarà condotto fuori dal motore, il che significa una maggiore potenza di dissipazione.
Una vasca da bagno ha una capacità finita e trabocca se il livello dell'acqua supera un certo punto. Allo stesso modo, i componenti di un motore hanno una determinata capacità termica e se la temperatura istantanea supera un certo livello può danneggiare i componenti in pochi secondi. La prestazione nominale del motore deve corrispondere al requisito di mantenere la sua temperatura entro l'intervallo di temperatura di funzionamento ammissibile.
Di solito, il componente più critico è la bobina, poiché è proprio il luogo in cui avviene il riscaldamento per joule. In caso di temperatura eccessiva, il rivestimento isolante intorno al filo di rame finirebbe per fondere, con conseguente danno permanente al motore.
FUNZIONAMENTO A REGIME
Motore DC a spazzola
Un motore DC a spazzole senza nucleo è tipicamente progettato come una bobina autoportante che ruota nell'intercapedine tra un magnete permanente e l'alloggiamento, entrambi parte dello statore.
La potenza termica joule (W) prodotta nella bobina rotante è direttamente legata alla sua resistenza elettrica R (Ω) e alla corrente che la attraversa, I (A). Non ci sono perdite di ferro perché il rotore è privo di ferro. Vedere la figura 2.
Quando la temperatura della bobina aumenta, il calore si trasferisce dalla bobina al tubo (1), e poi dal tubo all'ambiente (2), come mostrato nella figura 2. Queste due fasi successive hanno resistenze termiche diverse (Rth1 e Rth2, rispettivamente), poiché i singoli materiali hanno conducibilità termiche disparate, e anche la forma, la massa e la superficie di ogni parte hanno un'influenza su come il calore verrà trasferito.
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