Come funzionano motori elettrici e generatori

I veicoli elettrici si affidano esclusivamente ai motori elettrici per la propulsione e gli ibridi utilizzano motori elettrici per assistere i loro motori a combustione interna per la locomozione. Ma non è tutto. Questi motori possono essere e sono utilizzati per generare elettricità (attraverso il processo di frenata rigenerativa) per caricare le batterie di bordo di questi veicoli.

La domanda più comune è: "Come può essere ... come funziona?" La maggior parte delle persone capisce che un motore è alimentato dall'elettricità per fare il lavoro, lo vedono ogni giorno nei loro elettrodomestici (lavatrici, aspirapolvere, robot da cucina).

Ma l'idea che un motore possa "correre all'indietro" in realtà generando elettricità anziché consumarla sembra quasi una magia. Ma una volta compreso il rapporto tra magneti ed elettricità (elettromagnetismo) e il concetto di conservazione dell'energia, il mistero scompare.

Elettromagnetismo

La potenza motrice e la generazione di elettricità iniziano con la proprietà dell'elettromagnetismo, la relazione fisica tra un magnete e l'elettricità. Un elettromagnete è un dispositivo che agisce come un magnete, ma la sua forza magnetica è manifestata e controllata dall'elettricità.

Quando un filo di materiale conduttore (rame, ad esempio) si muove attraverso un campo magnetico, la corrente viene creata nel filo (un generatore rudimentale). Al contrario, quando l'elettricità viene fatta passare attraverso un filo avvolto attorno a un nucleo di ferro e questo nucleo si trova in presenza di un campo magnetico, si sposta e si attorciglia (un motore molto semplice).

Motore / Generatori

Motore / generatori sono in realtà un dispositivo che può funzionare in due modalità opposte. Contrariamente a quanto la gente a volte pensa, ciò non significa che le due modalità del motore / generatore si muovano all'indietro l'una dall'altra (che come motore il dispositivo gira in una direzione e come generatore, gira la direzione opposta).

L'albero gira sempre allo stesso modo. Il "cambio di direzione" sta nel flusso di elettricità. Come motore, consuma elettricità (entra) per produrre energia meccanica e, come generatore, consuma energia meccanica per produrre elettricità (esce).

Rotazione elettromeccanica

I motori / generatori elettrici sono generalmente di due tipi, AC (corrente alternata) o DC (corrente continua) e tali designazioni sono indicative del tipo di elettricità che consumano e generano.

Senza entrare troppo nei dettagli e offuscare il problema, questa è la differenza: la corrente alternata cambia direzione (si alterna) mentre scorre attraverso un circuito. Le correnti CC fluiscono in modo unidirezionale (rimane invariato) mentre attraversano un circuito.

Il tipo di corrente utilizzata riguarda principalmente il costo dell'unità e la sua efficienza (un motore / generatore CA è generalmente più costoso, ma è anche molto più efficiente). Basti pensare che la maggior parte degli ibridi e molti veicoli elettrici più grandi usano motori / generatori di corrente alternata, quindi questo è il tipo su cui ci concentreremo in questa spiegazione.

Un motore / generatore CA è composto da 4 parti principali:

• Un'armatura a spirale montata sull'albero (rotore)
• Un campo di magneti che inducono energia elettrica accatastati fianco a fianco in un alloggiamento (statore)
• Anelli di scorrimento che trasportano la corrente alternata da / verso l'armatura
• Spazzole che entrano in contatto con gli anelli di contatto e trasferiscono corrente al / dal circuito elettrico

Il generatore di corrente alternata in azione

L'armatura è guidata da una fonte meccanica di energia (ad esempio, nella produzione di energia elettrica commerciale sarebbe una turbina a vapore). Mentre questo rotore avvolto gira, la sua bobina di filo passa sopra i magneti permanenti nello statore e viene creata una corrente elettrica nei fili dell'armatura.

Ma poiché ogni singolo anello nella bobina passa prima il polo nord, quindi il polo sud di ciascun magnete in sequenza mentre ruota sul suo asse, la corrente indotta cambia continuamente e rapidamente, cambia direzione. Ogni cambio di direzione è chiamato ciclo e viene misurato in cicli al secondo o hertz (Hz).

Negli Stati Uniti, la frequenza del ciclo è di 60 Hz (60 volte al secondo), mentre nella maggior parte delle altre parti sviluppate del mondo è di 50 Hz. Anelli di scorrimento individuali sono montati su ciascuna delle due estremità del circuito del filo del rotore per fornire un percorso affinché la corrente lasci l'armatura. Le spazzole (che in realtà sono contatti in carbonio) scorrono contro gli anelli di contatto e completano il percorso della corrente nel circuito a cui è collegato il generatore.