Il corso tratta le principali caratteristiche delle macchine elettriche più comunemente adottate per la generazione, il trasporto/distribuzione e l'uso finale dell’energia elettrica: trasformatore, macchina in C.C., macchine in C.A. a campo rotante. La prima parte dell'insegnamento affronta i fondamenti teorici dell'elettromagnetismo, con specifico riferimento alla loro applicazione nelle conversioni energetiche. Successivamente, a partire dalla descrizione della struttura e del principio di funzionamento delle macchine elettriche trattate, ne vengono dedotti i modelli energetici a parametri concentrati (circuiti equivalenti) mediante i quali sono ricavate le principali caratteristiche di funzionamento. Vengono infine descritti i principali aspetti applicativi.

L’obiettivo del corso è fornire la conoscenza di base delle diverse strutture e dei principali metodi di studio delle macchine elettriche. Gli studenti sono posti in grado di affrontare i problemi connessi all’impiego di trasformatori, motori e generatori elettrici e di stimare le condizioni limite per la loro alimentazione e per il loro sfruttamento. L'insegnamento è propedeutico alla progettazione delle macchine trattate.

Le precedenze raccomandate includono gli strumenti di analisi dei circuiti elettrici in corrente continua e in corrente alternata con particolare riferimento ai sistemi trifase.

Fondamenti di elettromagnetismo • Richiami di campi elettromagnetici: equazioni di Maxwell. • Campo di corrente e campo elettrostatico. • Campo magnetico e fenomeni elettromagnetici. • Circuiti magnetici. • Circuiti accoppiati. Correnti indotte ed effetto pelle. • Leggi fondamentali della conversione elettromeccanica. Aspetti generali • Materiali per le macchine elettriche. • Aspetti termici. Trasformatore • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Teoria semplificata del trasformatore monofase. Circuito equivalente. Dati di targa. • Diagrammi vettoriali. Caduta di tensione. • Teoria semplificata del trasformatore trifase. Collegamento degli avvolgimenti. Gruppi. • Circuiti equivalenti per carico equilibrato e squilibrato. Reattanza omopolare. • Perdite e rendimento. • Potenza di dimensionamento. Considerazioni di scala. Collegamento ad auto-trasformatore. • Funzionamento in parallelo. • Misure sui trasformatori. • Condizioni particolari di funzionamento. Correnti d’inserzione. Sforzi di corto circuito. Sovratensioni. Macchina in corrente continua • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Macchina a eccitazione separata. Macchina a eccitazione serie. Motore a magneti permanenti. • Caratteristiche elettromeccaniche e regolazioni. Quadranti di funzionamento. • Comportamento dinamico del motore in corrente continua. • Reazione d’indotto. Saturazione magnetica e impatto sul comportamento della macchina. • Perdite e rendimento. • Commutazione. • Applicazioni come motore e dati di targa. Campo magnetico rotante • Avvolgimenti in corrente alternata. Distribuzione di forza magnetomotrice al traferro. Armoniche spaziali. • Campo magnetico e fattore di Carter. • Rappresentazione vettoriale del campo rotante. • Flussi concatenati e forze elettromotrici indotte. Macchina asincrona • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Circuito equivalente e diagramma vettoriale. • Bilancio energetico. Il concetto di potenza trasmessa. Macchine a semplice o doppia alimentazione. • Caratteristiche elettromeccaniche coppia, corrente. Influenza delle variazioni parametriche. • Diagramma circolare. • Operazioni tipiche: avviamento, frenatura; regolazione della frequenza di alimentazione. Regolazioni rotoriche. • Misure, rendimento e dati di targa . • Motori di potenza frazionaria. Motori monofase. Macchina sincrona • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Struttura isotropa e anisotropa. Teoria degli assi d,q. • Circuiti equivalenti di Behn-Eschenburg e Potier. Equazioni elettriche e reattanza sincrona. • Diagrammi vettoriali. Effetti della saturazione magnetica. • Bilancio energetico e coppia. • Funzionamento come generatore in parallelo alla rete. Regolazione della potenza attiva e reattiva. Stabilità statica e dinamica. Diagramma circolare e dati di targa. • Generatore autonomo. Esempi applicativi • Motori a magneti permanenti e a riluttanza. Metodi di comando • Prove e misure. .

L’insegnamento si articola in lezioni ed esercitazioni in aula; le esercitazioni riguardano calcoli di funzionamento e prestazioni delle macchine elettriche trattate. Sono inoltre previste cinque esercitazioni presso il laboratorio di Macchine Elettriche del Dipartimento Energia per la sperimentazione pratica dei principali fenomeni presentati nel corso delle lezioni.

Il materiale didattico impiegato durante le lezioni ed esercitazioni è reso disponibile agli studenti sul portale della didattica. Per approfondimenti: • Elettrotecnica. Elementi di teoria ed esercizi, M. Repetto, S. Leva, CittàStudi, 2018. • Macchine Elettriche, A.E. Fitzgerald, C. jr.Kingsley, A. Kusko, Franco Angeli 2013. • Macchine Elettriche, L. Ferraris, CLUT 2004. • Esercizi di Macchine Elettriche, R. Bojoi, L. Ferraris, CLUT 2012. • Materiali e Macchine Elettriche, E. Carminati, Esculapio 1994.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

Exam: Written test; Compulsory oral exam;

... L'esame consiste di due prove • la prima prova è scritta e consiste nella risoluzione di due o tre esercizi (tempo a disposizione 2 ore); è ammesso l’uso di calcolatrice e formulario; non sono ammessi testi o appunti. • la seconda prova è orale e consiste in due o tre domande sull'intero programma svolto. Accedono alla prova orale candidati che hanno superato la prova scritta con un punteggio di almeno 16/30. La prova scritta mira a valutare la capacità del candidato nello sviluppare autonomamente calcoli, di complessità confrontabile a quanto svolto nelle esercitazioni in aula, sul funzionamento delle macchine elettriche trattate. La prova orale mira a valutare le conoscenze acquisite dal candidato sulla struttura, il principio di funzionamento e i principali metodi di studio delle macchine elettriche. In particolare, in sede di prova orale sono valutate la comprensione degli argomenti trattati e la capacità di esposizione con terminologia appropriata e rappresentazioni grafiche essenziali.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.