Fig. 1 Motore
asincrono secondo lo
schema di Galileo
Ferraris.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO E PARTICOLARITÀ
COSTRUTTIVE DEI MOTORI ASINCRONI POLIFASI
Principio di funzionamento.
I motori asincroni polifasi, e in particolare i trifasi, costituiscono la
categoria tecnicamente più diffusa di motori elettrici. Essi realizzano la
più importante utilizzazione dei campi rotanti generati mediante un
sistema di correnti polifasi, e vengono perciò denominati anche motori a
campo rotante. Il motore asincrono è stato realizzato la prima volta da
Galileo Ferraris (1885), quale immediata conseguenza della sua scoperta
del campo rotante.
L'apparecchio costruito da Galileo Ferraris era costituito da due bobine
uguali fissate con i rispettivi assi normali fra loro, secondo la
disposizione schematica indicata in fig. 1: nello spazio compreso fra le
due bobine era imperniato un leggero cilindro di rame vuoto.
Alimentando le due bobine con due correnti alternate di egual frequenza ed egual valore
efficace, ma sfasate fra loro di un quarto di periodo, si genera come è noto un campo rotante, di
intensità costante, il quale compie un giro ad ogni periodo.
Il funzionamento di questo dispositivo come motore deriva dal fatto che il campo rotante
induttore scorrendo di fronte alle singole generatrici del cilindro, vi genera delle correnti
1
indotte come in fig. 2.
Questo sistema di correnti indotte risulta a sua volta immerso nel campo magnetico rotante che le
genera, il quale esercita su di esse (cioè sulle generatrici del cilindro che ne sono il supporto)
un complesso di forze magnetoelettriche come f, costituenti nel loro insieme una coppia che
trascina il cilindro in rotazione nello stesso verso del campo rotante induttore. (Considerando
la fig. 2, assegnato il verso di rotazione ω del campo, si applica una prima volta la regola
della mano destra (si deve considerare i1 moto relativo delle generatrici del cilindro rispetto al campo ; tale
moto e opposto a quello del vettore B) per determinare verso delle correnti indotte I, e poi la regola
della mano sinistra per determinare il verso delle forze f e quindi della coppia motrice
risultante).
Si può del resto osservare che le correnti indotte nel cilindro devono opporsi, per la legge di Lenz,
alla causa che le genera: il loro effetto magnetoelettrico deve quindi necessariamente tradursi
in una coppia che trascina il cilindro a seguire la rotazione del campo induttore, così da
diminuire la velocità relativa di scorrimento fra il campo
stesso ed il cilindro indotto.
Nella sua rotazione tuttavia il sistema indotto non può
mai raggiungere la velocità del campo rotante, perché
cesserebbe in tal caso il moto relativo tra il campo
induttore e il sistema indotto e si avrebbe
corrispondentemente l’estinzione completa delle correnti
indotte e perciò anche l'annullamento dell'azione motrice.
Fig. 2 - Come si genera la coppia
motrice nel motore asincrono.
2
Ne segue che il sistema indotto può solo seguire la rotazione del campo rotante induttore con
velocità minore, onde permanga precisamente, fra il campo induttore e il sistema indotto, quel
moto relativo di scorrimento per il quale le correnti indotte assumono l’intensità necessaria e
sufficiente a sviluppare la coppia motrice che si richiede a mantenere il cilindro in rotazione. Se
la rotazione viene frenata il moto rallenta, e con ciò, per la maggiore velocità relativa con la quale
il campo rotante scorre davanti al cilindro, aumentano anche le correnti indotte: si stabilisce così
una nuova velocità di equilibrio per la quale ancora le correnti indotte assumono la intensità
necessaria a vincere la coppia resistente applicata. Si intravede così il fatto che in questi motori
aumentando la coppia resistente applicata all'albero la velocità di rotazione diminuisce; la
velocità di rotazione non è dunque legata rigidamente alla velocità del campo rotante (velocità
sincrona) come nei motori sincroni e perciò appunto, i motori in questione, vengono denominati
asincroni. Per il fatto inoltre che il sistema indotto non viene alimentato dall'esterno ma è solo
percorso dalle correnti indotte dal campo rotante (funzionando in ciò come il secondario di un
trasformatore di cui il sistema induttore costituisce il primario) questi motori vengono anche
indicati con il nome di motori a induzione. In linea di principio sarebbe del tutto indifferente
tenere fisso il sistema induttore oppure l'indotto; considerazioni pratiche evidenti consigliano
però di mantenere fisso il sistema induttore che deve essere collegato alla linea di alimentazione,
e mobile l'indotto in cui le correnti percorrono circuiti chiusi su se stessi senza comunicazione
coll'esterno.
3
Si può dire quindi che i motori asincroni sono costituiti in generale da uno statore che porta gli
avvolgimenti induttori collegati con la linea di alimentazione e destinati a produrre il campo
rotante, e da un rotore che costituisce il sistema indotto in cui circolano le correnti indotte la
cui interazione col campo rotante induttore origina la formazione della coppia motrice che
trascina l’indotto in rotazione. I due sistemi induttore e indotto vengono anche denominati
rispettivamente primario e secondario come nei trasformatori. Per realizzare un campo rotante
sufficientemente intenso, con correnti magnetizzanti relativamente piccole, è necessario ridurre
al minimo la riluttanza dei circuiti magnetici attraverso cui si chiudono le linee di forza del
campo. Gli avvolgimenti destinati a produrre il campo rotante vengono montati perciò su uno
statore di materiale magnetico costituito da un pacco di corone circolari di lamiere di ferro
isolate con carta, disponendo i conduttori attivi entro canali praticati lungo le generatrici interne
del pacco lamellare, con disposizione identica a quella impiegata nella costruzione dello statore
degli alternatori.
La struttura schematica del motore a campo rotante
Fig. 3 di Galileo Ferraris assume così la forma indicata
Struttura
nella fig. 3. Nell'intento sempre di migliorare le
schematica del
caratteristiche magnetiche della macchina anche il
motore a
campo rotante.
rotore di rame viene abbandonato e sostituito invece
da un rotore costituito da un nucleo di ferro lamellato
munito sulla periferia di un certo numero di canali
entro cui vengono allogati opportuni conduttori
longitudinali di rame, con le estremità sporgenti dal
pacco lamellare e collegate fra loro onde formare dei
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circuiti chiusi per la libera circolazione delle correnti
indotte.
Si raggiunge in tal modo lo scopo di conservare all'indotto una buona conducibilità elettrica nel
verso assiale obbligando le correnti indotte a circolare e richiudersi in circuiti prestabiliti, e
ottenere nel contempo la minima riluttanza magnetica nelle direzioni radiali seguite dalle linee di
forza del campo rotante.
L'immersione dei conduttori di rame dello statore e rotore entro canali praticati lungo le
generatrici dei rispettivi pacchi lamellari permette di ridurre al minimo l'intraferro tra rotore e
statore, limitandolo ai più piccoli valori compatibili con le esigenze meccaniche inerenti alla
rotazione del rotore.
I motori asincroni possono essere realizzati evidentemente con un sistema polifase simmetrico
avente un numero qualunque di fasi. In relazione al fatto però che la distribuzione dell'energia
elettrica viene fatta quasi esclusivamente con sistemi trifasi, nelle applicazioni correnti si trovano
applicati quasi esclusivamente motori asincroni trifasi.
Le caratteristiche costruttive e di funzionamento (in particolare la velocità sincrona) rimangono
del resto le stesse, indipendentemente dal numero delle fasi, variando solo il numero e la
posizione reciproca degli avvolgimenti destinati a produrre il campo rotante induttore : così se il
motore asincrono è bifase si hanno sullo statore due avvolgimenti induttori identici spostati l'uno
rispetto all'altro di un angolo pari a 90° elettrici corrispondente a un quarto di periodo; se invece
si tratta di un motore trifase lo statore porta tre avvolgimenti identici spostati l'uno rispetto
all'altro di un angolo pari a 120° elettrici, e così via. Con le ordinarie frequenze industriali il
numero dei giri del campo rotante bipolare risulta in genere troppo elevato, nel senso che
essendo, come si vedrà, la velocità effettiva di rotazione del rotore solo leggermente inferiore a
quella del campo rotante, il motore bipolare risulta troppo veloce per la maggior parte delle
applicazioni pratiche. [Con la frequenza di 50 Hz ad esempio il campo rotante bipolare compie 3000 giri al
primo: il rotore di un motore asincrono bipolare può girare corrispondente con una velocità dell'ordine di 29005giri al
primo].
Per ottenere velocità minori, i motori asincroni vengono costruiti perciò nella gran maggioranza
dei casi con avvolgimenti multipolari : la velocità sincrona, cioè la velocità del campo rotante, in
giri al primo, viene data allora dalla nota formula
n=
60 ⋅ f
p
essendo f la frequenza di alimentazione e p il numero delle coppie di poli del campo.
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Costruzione dello statore.
Lo statore dei motori asincroni si compone di un pacco lamellare a forma di corona circolare
in materiale ferromagnetico (a non elevato contenuto di silicio, meno dell‘ 1 %, onde limitare la
fragilità), investito entro una carcassa di ghisa, o di lamiera saldata, o di lega leggera, la quale
costituisce la parte portante della macchina. Il pacco lamellare è suddiviso in pacchi parziali
separati da opportuni distanziatori per realizzare i canali di ventilazione, ed è mantenuto serrato
sulle fronti mediante anelli o piastre di compressione. Le cave (o canali) entro cui vengono
allogati gli avvolgimenti induttori sono in genere del tipo chiuso o semichiuso, e solo
eccezionalmente del tipo aperto da chiudersi con biette.
Si può del resto affermare che nei riguardi sia della struttura magnetica che della formazione
degli avvolgimenti, la composizione dello statore dei motori asincroni è identica a quella dello
statore delle macchine sincrone.
In generale quindi un qualunque statore provvisto di avvolgimento trifase eseguito per p
coppie di poli può venire senz'altro utilizzato in triplice modo, e cioè:
Facendo ruotare nell'interno dello statore una ruota polare con p coppie di poli esso funziona
come sistema indotto e genera corrente trifase (alternatore).
Viceversa, alimentando lo statore con una linea trifase esso genera net suo interno un campo
rotante con p coppie di poli il quale può trascinare in rotazione sincrona la ruota polare
precedente (motore sincrono);
Alimentando ancora lo statore con una linea trifase dopo aver sostituito la ruota polare con un
rotore lamellato, provvisto di opportuni avvolgimenti chiusi su se stessi che consentano la libera
circolazione delle correnti indotte, il campo rotante generato dallo statore trascina questo rotore
in rotazione asincrona, e con ciò si realizza il motore asincrono.
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Pertanto le disposizioni costruttive dell'indotto degli alternatori polifasi possono essere
direttamente applicate, senza alcuna variante, alla realizzazione pratica dello statore dei motori
asincroni. In via del tutto generale anzi, un alternatore o motore sincrono polifase possono essere
sempre trasformati in un motore asincrono cambiando esclusivamente il rotore: il motore
asincrono che ne risulta potrà essere alimentato da una linea polifase avente la stessa tensione e
frequenza che costituivano i dati di targa dello statore nel funzionamento come alternatore o
motore sincrono, ed anche la potenza che potrà essere sviluppata dal motore asincrono non
risulterà sensibilmente variata; solo la velocità di rotazione del motore asincrono risulterà
alquanto inferiore a quella del motore sincrono corrispondente, di quanto occorre perché possano
generarsi nel rotore le correnti indotte necessarie a vincere la coppia resistente applicata
all'albero.
Per tutto ciò che riguarda la composizione dello statore dei motori asincroni restano pertanto
identicamente richiamate tutte le considerazioni esposte per lo statore degli alternatori bifasi o
trifasi.
In particolare gli avvolgimenti statorici vengono correntemente realizzati secondo tutti i diversi
schemi considerati per le macchine sincrone.
Si impiega il filo isolato, realizzando gli avvolgimenti a matassa per i motori di potenza piccola
oppure anche per motori di grande potenza se la tensione è elevata (correnti piccole), mentre si
usano gli avvolgimenti a sbarre quando la corrente raggiunge intensità tali da sconsigliare l'uso
del filo. Il numero di canali per polo e per fase non si fa mai minore di tre per ottenere con la
ripartizione degli avvolgimenti una distribuzione del flusso nell'intraferro il più vicino possibile
alla forma sinusoidale.
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Fig. 4 - Collegamenti delle
fasi ai morsetti dello
statore di un motore
asincrono: a) collegamento
a stella; b) collegamento a
triangolo.
L'isolamento viene assicurato con cartoccio
isolante e fasciando i lati di matassa con
nastrature di cotone, per le basse tensioni,
mentre se la tensione è elevata (oltre i 500
volt) si infila nei canali chiusi o semichiusi
un vero tubo di cartone, o meglio ancora di
micanite.
Le fasi ultimate infine, vengono collegate a stella oppure a triangolo.
Generalmente nei motori di serie i capi delle tre fasi vengono riportati a
sei morsetti situati su un fianco della carcassa e coperti da una scatola :
riesce comodo in tal modo cambiare il collegamento fra le fasi
cambiando semplicemente le connessioni fra i morsetti. I collegamenti
delle fasi ai morsetti possono venire eseguiti ad esempio nell'ordine
indicato nella fig. 4: con una lastrina orizzontale si ottiene allora il
collegamento a stella e con le tre lastrine verticali invece il
collegamento a triangolo. Si costruiscono anche avvolgimenti le cui
matasse, per ciascuna fase, sono divise in due gruppi che possono essere
collegati fra loro in serie o in parallelo; possibile allora realizzare i
collegamenti a stella semplice (con due gruppi di matasse in serie), a
stella doppia (coi due gruppi di matasse in parallelo), a triangolo
semplice e a triangolo doppio (coi due gruppi di matasse ancora in serie
oppure in parallelo) ; la morsettiera presenta in tal caso dodici morsetti i
quali per mezzo di nove piastrine consentono di ottenere tutti i
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collegamenti indicati.
I motori così costruiti, a seconda dei collegamenti, possono funzionare a quattro tensioni diverse
e precisamente: alla tensione V nel primo caso, e alle tensioni V/2, V/√3 , V/(2•√3)
ordinatamente negli altri tre. La carcassa dei motori è comunemente fusa in ghisa a sezione piena
o cava a seconda del diametro, o di lamiera saldata. Per motori di piccola potenza costruiti in
grandi serie si adottano frequentemente delle carcasse in lega leggera pressofusa attorno al pacco
magnetico. I supporti del rotore sono generalmente del tipo a piatti o a raggiera, applicati
direttamente sulle fronti della carcassa : questa costruzione è preferita anche per i motori di
grande potenza perché assicura meglio la centratura del rotore che non la sospensione con
supporti indipendenti ; il problema meccanico della perfetta centratura del rotore è infatti
particolarmente delicato nei motori asincroni, per gli stretti limiti entro cui deve essere contenuto
l'intraferro, il quale raggiunge appena dei valori prossimi a 2 mm nei motori più grandi, mentre
può scendere fino a 0,3 mm nei motori minori.
La cavità interna del pacco lamellare dello statore e la superficie esterna del rotore devono essere
perciò sottoposte a una leggera tornitura, per correggere le eventuali imperfezioni dei pacchi
lamellari.
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Fig. 5 - Statore
completo di un motore
a campo rotante per
piccole e medie
potenze quattro poli
con avvolgimento a
matasse in due ordini.
Nella fig. 5 è rappresentato uno statore completo nel tipo costruttivo normale per potenze piccole
e medie ; il pacco lamellare è tenuto centrato fra i prismi di centramento P ed è serrato fra un
anello di compressione fisso F, ricavato per fusione con la carcassa oppure riportato con bulloni,
e un anello mobile M serrato contro il pacco mediante biette le quali fanno presa negli stessi
prismi di centramento. La figura si riferisce ad un motore a quattro poli con avvolgimenti a
matasse in due ordini.
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La fig. 6 rappresenta lo statore di un motore di grande potenza e velocità elevata; lo statore
appare perciò piuttosto allungato; l'avvolgimento a matasse in tre ordini (tensione elevata). Il
pacco lamellare è munito di quattro canali di ventilazione. La carcassa è provvista, sulle fronti,
delle imposte per l'applicazione dei supporti a piatto o a raggiera.
Fig. 6 - Statore di un motore di
grande potenza ed elevata velocità.
12
Costruzione del rotore.
Il rotore dei motori asincroni è costituito sempre, per la parte magnetica, da un pacco di corone
circolari di lamiere magnetiche; si adottano in ciò disposizioni costruttive analoghe a quelle
impiegate nella costruzione degli indotti delle dinamo; rispetto a queste varia solo la forma dei
canali i quali, mentre nelle dinamo sono sempre aperti, nei motori asincroni sono invece
semichiusi o completamente chiusi. Rimangono invariate la composizione del pacco lamellare,
con l'interposizione di opportuni canali di ventilazione, e le disposizioni costruttive per il
fissaggio del pacco lamellare all'albero mediante lanterne a razze, per grandi diametri, oppure
mediante lanterne a disco con semplice mozzo, per diametri minori.
Un particolare importante relativo alla dentatura dei pacchi lamellari dei motori asincroni deriva
dall'opportunità di evitare che si verifichi la coincidenza fra molti denti del rotore con i denti
contrapposti dello statore: ciò per evitare l'impuntamento del rotore, il quale tenderebbe a
bloccarsi nella posizione di minima riluttanza (denti di statore e rotore contrapposti). Per tale
fatto, e per ridurre al minimo le vibrazioni causate dalle pulsazioni dell'induzione lungo
l'intraferro, conseguenti al periodico allinearsi dei denti di statore e di rotore, si usa tenere «primi
tra loro» i due numeri di canali per polo e per fase del rotore e dello statore (*). In generale il
numero di canali del rotore si fa maggiore di quello dello statore.
(*) Dal numero di cave di statore e di rotore dipendono anche le interazioni tra le componenti armoniche presenti nel
campo induttore e in quello indotto; se queste interazioni si susseguono ciclicamente possono dar luogo a forti
vibrazioni.
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Di uso corrente sono ad esempio 3 canali per polo e per fase nello statore e 4 nel rotore, oppure 4
canali per polo e per fase nello statore e 5 nel rotore. La fig. 7 indica un esempio di dentatura di
statore e rotore contrapposte: ogni 3 denti di statore si hanno 4 denti di rotore.
Ogni corona di rotore viene ricavata dallo stesso foglio di lamiera da cui si ricava una corona di
statore; gli assi delle cave sono convergenti al centro; i
fianchi dei denti sono paralleli agli assi. I canali, ottenuti
nella formazione del pacco lamellare del rotore, possono
venire disposti in direzione parallela all'asse di rotazione
oppure inclinati di una quantità pari al passo di dentatura
del pacco statorico ; quest'ultima disposizione rende
impossibile un diretto allineamento fra denti di statore e di
rotore, e rappresenta perciò un altro metodo per evitare
l'impuntamento e le vibrazioni.
Fig. 7 - I numeri di canali per polo
e per fase relativi allo statore e al
rotore sono primi tra loro.
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Il taglio delle lamiere procede in genere nel modo seguente. Dopo aver incollato sulle lamiere
(aventi in genere le dimensioni di 1 x 2 m) la carta isolante, si tagliano tanti quadrati circoscritti
al diametro esterno D delle lamiere di statore si procede quindi alla punzonatura della corona di
fori di statore e successivamente alla punzonatura della corona concentrica dei fori di rotore.
Si taglia quindi alla cesoia circolare il disco corrispondente al diametro interno d del rotore, e
infine con la stessa cesoia si separano con taglio circolare esatto fra le due punzonature le due
corone che vanno a comporre i pacchi, rispettivamente di statore e rotore. I canali vengono
generalmente punzonati in forma chiusa praticandone la stretta apertura dopo eseguito il taglio
delle corone.
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Per quanto riguarda la struttura del circuiti indotti, il tipo più semplice e robusto di rotore si
realizza infilando nei canali altrettante sbarre di rame, ciascuna delle quali riempie
completamente un canale. Le testate delle sbarre che sporgono dal pacco lamellare vengono
direttamente collegate fra loro, da una parte e dall'altra, mediante un grosso anello di rame. Il
rotore così costruito prende la forma indicata in fig. 8 e viene indicato coi nomi di rotore a
gabbia di scoiattolo o rotore in corto circuito.
Fig. 8 - Rotore a gabbia di scoiattolo (o in
corto circuito).
Le sbarre di rame collegate sulle fronti dai due anelli formano tanti circuiti chiusi di
piccolissima resistenza ohmica, nei quali possono liberamente circolare le correnti che vi sono
indotte dal campo rotante.
Questo tipo di rotore non ha un numero di poli suo proprio, ma le correnti indotte circolano
nelle sbarre in modo tale da generare altrettanti poli quanti sono quelli del campo rotante 16
induttore.
Nella fig. 9 a) e b) è indicato ad esempio come si distribuiscono le correnti indotte nelle sbarre
della gabbia, quando il campo rotante generato dallo statore ha rispettivamente quattro e sei poli.
Tutte le sbarre soggette all'azione di un polo sono percorse da corrente in un senso; le sbarre
soggette all'azione di un polo opposto sono percorse da corrente in senso contrario.
La fig. 9 c) indica in linea schematica come si richiudono le correnti delle sbarre attraverso gli
anelli frontali.
E chiaro perciò che il rotore a gabbia si presta sempre a funzionare con qualunque numero di
poli, le polarità rotoriche essendo direttamente determinate dal campo rotante induttore.
Le sbarre di rame impiegate
nella costruzione di questi
rotori sono massicce, di
sezione circolare o
rettangolare, disposte in
quest'ultimo caso con la
dimensione trasversale
maggiore nel senso radiale.
Fig. 9 - Distribuzione delle
correnti indotte nelle
sbarre di un rotore in
corto circuito a) con
campo induttore a 4 poli ;
b) con campo induttore a
6 poli;
c) con numero di poli
qualunque.
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Il rotore a gabbia può essere considerato anche come un sistema indotto provvisto di
avvolgimento polifase, con tante fasi quante sono le sbarre comprese sotto una coppia di poli del
campo induttore: ciascuna fase ha l'avvolgimento ridotto ad una sbarra per polo: uno degli anelli
rappresenta il centro stella in cui sono riuniti tutti i principi delle diverse fasi, mentre il secondo
anello, collegando fra loro i capi liberi opposti, chiude le diverse fasi in corto circuito: perciò
appunto il rotore a gabbia si chiama anche rotore in corto circuito.
18
Le tensioni in gioco sono quelle indotte in ogni singola sbarra e perciò dell'ordine al massimo
di qualche volt: viceversa le correnti sono sempre ingenti e perciò sia le sbarre che gli anelli
frontali hanno sempre sezioni notevoli. Date le piccole tensioni, le sbarre vengono spesso infilate
nei canali senza alcun isolamento, o provviste al più di un leggero isolamento in carta o in tela.
Gli anelli frontali si fanno in rame oppure in bronzo è devono essere disposti in modo da
essere energicamente ventilati perché anche il calore che si sviluppa per effetto Joule nelle sbarre
si trasmette prevalentemente verso gli anelli.
L'unione fra le sbarre e gli anelli viene fatta mediante saldatura dolce per i piccoli motori e con
saldatura forte nei motori di una certa potenza: si segue in tal caso la disposizione indicata in fig.
10.
Fig. 10 - Unione tra le sbarre e
gli anelli frontali in un rotore
in corto circuito
Un altro tipo di attacco si realizza mediante sbarre passanti attraverso gli anelli e ribadite sulle
fronti. Nei rotori maggiori si preferisce in genere l'unione fra le sbarre ed anelli assicurata
mediante chiodi passanti o viti.
Per motori di piccola potenza, costruiti in grandi serie, si usano frequentemente gabbie in
alluminio fuso direttamente colato nei canali del pacco lamellare. La colata può essere fatta per
gravità (colata in conchiglia) o per pressofusione, ottenendo sostanzialmente un corpo unico
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comprendente il pacco lamellare, le sbarre longitudinali e gli anelli frontali nonché le eventuali
alette di ventilazione.
Il rotore a gabbia ha tutti i pregi di semplicità e robustezza desiderabili: presenta tuttavia un grave
inconveniente di ordine elettrico all'atto dell'avviamento. Quando si chiude l'interruttore della
linea di alimentazione si costituisce in brevissimi istanti il campo rotante statorico, il quale trova
la gabbia rotorica ferma: l'intera velocità del campo rotante viene così a costituire la velocità di
taglio delle linee di forza del campo da parte delle sbarre della gabbia; si generano
corrispondentemente f. e. m. indotte tali da produrre nelle sbarre, chiuse in corto circuito dagli
anelli frontali, delle correnti assai intense, le quali richiamano, per reazione, delle correnti di
intensità proporzionale dalla linea di alimentazione negli avvolgimenti dello statore: in sostanza il
motore si comporta all'atto dell'avviamento come un ordinario trasformatore statico, di cui lo
statore è il primario e il rotore, momentaneamente fisso, è il secondario in corto circuito. Le
correnti che circolano negli avvolgimenti del motore sono perciò paragonabili, in tali condizioni,
alle correnti di corto circuito di un trasformatore alimentato al primario con la tensione normale,
con la sola differenza che nel motore si ha una reattanza di dispersione maggiore per la presenza
dell'intraferro. Quando invece il motore si avvia le correnti diminuiscono perché, dal momento in
cui il rotore comincia a seguire la rotazione del campo rotante, diminuisce la velocità relativa tra
il campo induttore e il sistema indotto e perciò diminuiscono in proporzione il valore e la
frequenza delle f. e. m. che si generano nelle sbarre del rotore. Ne risulta che il motore asincrono
con il rotore in corto circuito presenta l'inconveniente di assorbire all'atto dell'avviamento una
corrente notevolmente superiore alla corrente normale di regime: precisamente la corrente di
spunto del motore può risultare da 5 a 8 volte maggiore della corrente che il motore assorbe a
pieno carico. D'altra parte questa corrente di spunto è tanto sfasata rispetto alla tensione (come
la corrente di corto circuito di un trasformatore) che la coppia motrice sviluppata dal motore
all'avviamento (coppia di spunto) riesce piccola malgrado la corrente così intensa.
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Per questi fatti l'applicazione del rotore a gabbia dove essere generalmente limitata ai motori di
potenza relativamente piccola e destinati ad avviarsi a vuoto o per lo meno con coppie allo spunto
modeste. Per motori di potenza maggiore è necessario provvedere a limitare i valori della
corrente di spunto e diminuire nel contempo lo sfasamento della corrente stessa rispetto alla
tensione onde ottenere, pur con la corrente ridotta, una maggiore coppia. Come sarà meglio
chiarito in seguito, tale scopo richiede che venga aumentata la resistenza ohmica dei circuiti
indotti del rotore, perché aumentando la resistenza diminuisce la corrente e diminuisce anche lo
sfasamento.
Si potrebbe pensare di costruire ancora un rotore a gabbia usando sbarre, anziché di rame, di una
lega ad alta resistività: si otterrebbe senz'altro voluto miglioramento delle condizioni di spunto
del motore ma risulterebbe compromesso il buon rendimento del motore in marcia, a causa delle
maggiori perdite conseguenti alla elevata resistenza dei circuiti indotti. Per conciliare le due
opposte esigenze (resistenza elevata all'avviamento e resistenza piccola nel motore in marcia)
occorre provvedere all'inserzione temporanea di opportune resistenze in serie coi circuiti indotti
all'atto dell'avviamento, e all'esclusione graduale di tali resistenze mano a mano che il motore si
avvia ed accelera, per arrivare infine a chiudere ancora i circuiti indotti in corto circuito quando
il motore è completamente avviato. Questo problema ha trovato numerose soluzioni, ma la
soluzione che si è generalizzata a tutti i motori normali viene ottenuta abbandonando il rotore a
gabbia e costruendo invece sul rotore un ordinario avvolgimento polifase, equivalente
all'avvolgimento statorico: tale avvolgimento polifase viene generalmente collegato a stella e i
capi liberi delle fasi vengono utilizzati per in inserzione delle resistenze che si richiedono all'atto
dell'avviamento (reostato di avviamento) mentre vengono poi direttamente collegati in corto
circuito fra loro, quando il motore è completamente avviato.
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In tal modo all'avviamento le f. e. m. indotte nelle fasi del rotore si trovano chiuse sul circuito
ohmico del reostato che limita le correnti a valori tollerabili e ne diminuisce lo sfasamento
aumentando la coppia, mentre a motore avviato le fasi del rotore, chiuse in corto circuito,
presentano una resistenza sufficientemente piccola per conferire al motore un buon rendimento.
Per effettuare l'inserzione delle resistenze nei circuiti del rotore, i capi di questi vengono collegati
a tre anelli di bronzo isolati e calettati sull'albero del rotore: su tali anelli appoggiano delle
spazzole fisse alle quali si collegano i conduttori che vanno al reostato di avviamento.
Fig. 11 - Struttura
schematica di un rotore
trifase ad anelli con
reostato di avviamento.
Lo schema elettrico di un rotore trifase di questo tipo corrisponde perciò alla disposizione
indicata in fig. 11 ed il rotore viene designato praticamente col nome di rotore avvolto o rotore
ad anelli. Il reostato di avviamento è costituito da tre resistenze uguali, sulle quali un cursore
metallico a tre bracci realizza il centro di una stella: ruotando il cursore tale centro si sposta per
tasti successivi arrivando infine a stabilire il corto circuito diretto sui morsetti connessi con gli
anelli del rotore.
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Poiché il rotore costituisce un sistema indotto a sé stante, senza alcuna connessione elettrica con i
circuiti dello statore, il numero delle fasi del rotore indipendente dal numero delle fasi dello
statore: è solo necessario che l'avvolgimento rotorico sia tale da produrre esso stesso un campo
rotante simile al campo induttore con il quale deve reagire per generare la coppia motrice.
[Si è già osservato infatti che il rotore a gabbia ad esempio può, essere considerate come un
sistema polifase con tante fasi quante sono le sbarre della gabbia che risultano comprese sotto una
coppia di poli del campo rotante induttore].
Nella costruzione dei rotori avvolti quindi il numero delle fasi può essere qualunque (almeno
due) ma è necessario che lo schema elettrico di ogni singola fase sia simile ed equivalente a
quello di una fase dello statore e cioè, in altri termini, che il rotore sia avvolto per lo stesso
numero di poli per cui è avvolto lo statore. A differenza del rotore a gabbia, il quale può
funzionare sotto un numero di poli qualunque, il rotore ad anelli può cioè funzionare solo sotto
l'azione di un campo rotante equipolare.
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In pratica nei motori trifasi anche il rotore viene munito generalmente di un avvolgimento trifase:
alcuni costruttori tuttavia adottano qualche volta sul rotore un avvolgimento bifase, anche nei
motori trifasi, col vantaggio di semplificare il reostato di avviamento, il quale viene costruito in
tal caso secondo lo schema della fig. 12.
Fig. 12 - Schema di rotore
bifase ad anelli con
reostato di avviamento
Per quanto riguarda la parte magnetica e la struttura portante, il rotore ad anelli non presenta
nessuna variante rispetto ai principi costruttivi di quelli a gabbia. Per la parte elettrica gli
avvolgimenti vengono costruiti secondo i ben noti principi inerenti agli avvolgimenti bifasi o
trifasi. Per i rotori trifasi la connessione tra le fasi può essere eseguita indifferentemente a stella o
a triangolo, ed in quest'ultimo caso ai tre anelli montati sull'asse si collegano i vertici del
triangolo.
Come si è osservato, il motore asincrono, finché il rotore è fermo, può essere considerato
come un ordinario trasformatore statico (trasformatore a flusso rotante, anziché alternato): si può
quindi parlare del rapporto di trasformazione che intercede fra il primario (statore) e il secondario
(rotore) come in un trasformatore ordinario.
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Precisamente il rapporto di trasformazione di un motore con rotore avvolto corrisponde al
rapporto fra la tensione applicata ai morsetti dello statore e la tensione misurata fra gli anelli
del rotore a circuito aperto e cioè con le spazzole sollevate.
In tali condizioni il rotore rimane necessariamente fermo, mancando la possibilità di
circolazione delle correnti rotoriche: la corrente assorbita dallo statore equivale
corrispondentemente alla corrente a vuoto di un trasformatore e la definizione del rapporto di
trasformazione suddetta corrisponde alla nota definizione del rapporto a vuoto dei trasformatori.
A parte i fattori derivanti dalle connessioni fra le fasi, il rapporto di trasformazione di un motore
asincrono corrisponde approssimativamente al rapporto tra i numeri di spire di ciascuna fase
primaria e secondaria; ne segue che essendo prefissata la tensione di alimentazione, il rotore può
venire costruito e avvolto per una tensione qualsiasi. Per ragioni di isolamento tuttavia,
qualunque sia la tensione di alimentazione dello statore (che può raggiungere anche, per motori di
grande potenza, valori dell'ordine di 10 000 V ed oltre), il rotore viene avvolto per tensioni
comprese in genere fra 100 e 1 000 V, riservando naturalmente i valori più alti ai grandi motori
con tensione di alimentazione elevata: nei motori più comuni le tensioni di rotore sono comprese
generalmente fra 100 e 380 volt. Nella costruzione degli avvolgimenti rotorici si adottano sempre
quelle disposizioni che rendono il complesso più uniforme e compatto per reggere alle forze
centrifughe: non si adottano perciò disposizioni di matasse in due o tre ordini come si fa spesso
per lo statore, ma si costruiscono invece avvolgimenti con matasse o sbarre a teste uguali, ciò che
è sempre possibile dati i modesti valori delle tensioni. Assai diffuso è l'impiego sui rotori degli
avvolgimenti ondulati a regressione in doppio strato. In questi tipi di avvolgimento le connessioni
frontali assumono la stessa forma che nelle dinamo e l'avvolgimento risulta nel suo complesso
assai compatto e robusto.
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Poiché le spazzole hanno il solo scopo di inserire il reostato durante l'avviamento, è utile
provvedere gli anelli di contatto di un dispositivo che permetta di chiuderli direttamente in corto
circuito fra loro, quando l'avviamento è eseguito, e di sollevare dopo le spazzole. Si ottiene il
vantaggio di eliminare la perdita nella resistenza di contatto delle spazzole e delle connessioni fra
gli anelli e il reostato, e di eliminare inoltre la perdita meccanica di attrito e il conseguente
logorio delle spazzole e degli anelli.
Tutti i motori asincroni con rotore avvolto sono provvisti perciò, salvo casi speciali, di un
congegno a manovra combinata di corto circuito degli anelli e sollevamento spazzole. Tale
congegno viene realizzato con disposizioni varie, tutte equivalenti in linea di principio a quella
illustrata in fig. 13.
Fig. 13 Congegno di
corto circuito
degli anelli e
sollevamento
delle spazzole
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La bussola B che porta gli anelli isolati 1, 2, 3 e rigidamente calettata sull'albero ed è provvista di
tre spine isolate, come la s, disposte a 120° l’una dall'altra: ognuno degli anelli è elettricamente
collegato con una delle spine e a queste si connettono i tre capi delle fasi rotoriche, come a. Sul
mozzo della bussola B è montato un manicotto M provvisto di aggiustaggio prismatico che lo
trascina in rotazione rigida con la bussola ma gli consente di essere spostato di una certa corsa nel
verso assiale: il manicotto presenta tre boccole esattamente contrapposte alle spine s. Nella
posizione segnata in fig. 13 il manicotto M è tutto spostato a sinistra e le boccole sono estratte
dalle spine s: in tali condizioni ciascun anello è in comunicazione singola con il capo di una fase
rotorica e le spazzole (non indicate in figura) montate sull'albero A appoggiano sugli anelli
stabilendo il collegamento col reostato (posizione di avviamento). Quando il motore è avviato e il
reostato è sulla posizione di corto circuito, mediante la leva L si sposta il manicotto M verso
destra portando le boccole a investirsi sulle spine s: il manicotto stesso realizza così il corto
circuito diretto fra gli anelli ; sollevando poi la stessa leva in alto l'alberello A ruota e provoca il
sollevamento delle spazzole dagli anelli: nello stesso tempo il dente d della leva si disimpegna
dalla gola del manicotto M il quale ruota così liberamente senza più nessun contatto col congegno
di manovra. Quando si ferma il motore si la manovra inversa, per riportare il sistema nella
posizione di avviamento.
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La fig. 14 rappresenta, in vista prospettica, il
congegno descritto come viene applicato al
supporto quando la leva è tutta spostata a
sinistra si ha la posizione di avviamento;
spostando in leva a destra, come in figura, si
realizza il corto circuito sugli anelli e alzando
infine la leva sulla tacca di ritegno superiore
della finestra f si provoca sollevamento delle
spazzole.
Fig. 14 - Come viene applicato al
supporto congegno precedente.
Nell'intento di accorciare l'albero portante del rotore, in alcuni motori si dispongono talvolta gli
anelli di contatto esternamente al supporto ; in tal caso si richiede necessariamente l'albero forato
per far passare internamente ad esso le connessioni fra gli anelli e i capi delle fasi del rotore.
Le spazzole possono essere di carbone o anche metalliche, oppure di carbone ramato; i
portaspazzole sono molto semplici generalmente ridotti ad una molla fissata all'alberello di
manovra e portante la spazzola di sbalzo.
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Conformazione del campo rotante.
Per esaminare il processo di formazione del campo rotante che viene generato dagli
avvolgimenti dello statore si consideri un avvolgimento trifase ripartito in tre canali per polo e
per fase e si immagini di sviluppare la circonferenza di statore e l'intraferro su una retta come in
fig. 15 a) ; sia τ il passo polare e siano P1 P2 P3 i principi rispettivamente della I, II e III fase
spostati l'uno dallo altro di 2/3 τ pari a 120° elettrici.
Alimentando i tre avvolgimenti con un sistema trifase si consideri l'istante in cui la corrente
nella prima fase passa per il suo valore massimo positivo: in tale istante le altre due correnti
hanno un valore pari a metà del massimo e sono di segno negativo. Convenendo di considerare
positive le correnti quando entrano per il principio delle rispettive fasi si avrà nella prima fase
una corrente pari a IM che entra per il principio P1, e nelle altre due fasi due correnti pari
ciascuna a (1/2)IM uscenti dai principi P2 e P3.
Le correnti nei fasci attivi dell'avvolgimento assumono così la distribuzione indicata nella
figura b) e cioè si alternano consecutivamente nove fasci con corrente entrante e nove con
corrente uscente: nei tre fasci che stanno al centro di ogni gruppo la corrente ha il valore IM negli
altri il valore (1/2)IM. Una distribuzione di corrente così fatta, produce un campo magnetico le
cui linee di forza assumono l'andamento indicato nella stessa figura; si formano in tal modo sulla
faccia dello statore, verso l'intraferro, tante polarità alternate nord e sud : le polarità nord dove le
linee di forza escono dallo statore verso l'intraferro, le sud dove le stesse linee di forza rientrano
dall'intraferro nello statore. Lungo ciascuna linea di forza del campo agisce una f. m. m.
corrispondente a tutte le correnti attorno a cui la linea stessa si richiude ; poiché ogni linea di
forza attraversa l'intraferro due volte, si può costruire un diagramma delle f. m. m. riferito
all'intraferro attribuendo a ciascun passaggio dell'intraferro una pari a metà della totale 29
corrispondente a tutte le correnti concatenate con la linea di forza che si considera.
Fig. 15 - Come si origina il campo rotante
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Fig. 15 - Come si origina il campo rotante
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Il diagramma assume l'andamento segnato nella figura b'). La f. m. m. è nulla in corrispondenza
del centro del fascio di mezzo di ciascun gruppo di correnti rispettivamente entranti o uscenti
procedendo da tale centro verso i fasci laterali la f. m. m. aumenta (in un verso oppure nell'altro)
ad ogni fascio di una quantità proporzionale alla corrente di tale fascio, mentre negli intervalli fra
un fascio e l'altro rimane costante. La f. m. m. è zero ad esempio nel punto 1; aumenta, verso il
basso, di (1/2)IM da 1 a 2 (metà della corrente del fascio che ha il centro in 1); rimane costante fra
2 e 3, au-menta di IM fra 3 e 4 (perché il fascio corrispondente è percorso dalla corrente IM),
rimane costante fra 4 e 5, aumenta di (1/2)IM fra 5 e 6 (perché il fascio corrispondente è percorso
dalla corrente (1/2)IM ), e analogamente aumenta ancora di (1/2)IM fra 7 e 8, e fra 9 e 10. Fra 10 e
11 conserva il valore massimo pari a 3IM. Si è supposto in ciò che ciascun fascio sia composto da
un solo conduttore: all'atto pratico, poiché in un canale si hanno più passaggi, tutte le ordinate del
diagramma dovranno essere moltiplicate per il numero di conduttori di ciascun fascio. Se si
ammette che la riluttanza dei percorsi delle linee di forza nel ferro sia trascurabile, le ordinate del
diagramma delle f. m. m. risultano senz'altro proporzionali ai corrispondenti valori
dell'induzione magnetica B nell'intraferro e perciò le aree racchiuse dal diagramma sono
proporzionali al flusso Φ relativo a ciascun polo del campo. In realtà il diagramma delle
induzioni sarà costituito da una linea continua derivata dalla spezzata segnata in figura per
arrotondamento degli spigoli. Questa configurazione però non rimane fissa, ma scorre lungo il
traferro, come risulta infatti ripetendo le considerazioni precedenti per l’istante che segue ad
esempio quello sopra considerato di 1/12 di periodo, corrispondente a 30° elettrici : si avranno in
tale istante le condizioni rappresentate nelle figure c) e c') e cioè: la corrente nella seconda fase e
zero ; nella prima fase si ha invece una corrente pari a (√3/2)IM positiva; mentre nella terza fase si
ha una corrente eguale ma di segno opposto: la prima entra per il principio P1 e la terza esce dal
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principio P3.
Fig. 15 - Come si origina il campo rotante
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Il diagramma delle f. m. m. nell'intraferro assume così la forma rappresentata nella figura c') : la
f. m. m. è nulla nell'intervallo da 1 a 2, aumenta verso il basso di (√3/2)IM fra 2 e 3, e della
stessa quantità aumenta ancora fra 4 e 5, e fra 6 e 7 ; conserva poi costante il valore raggiunto
pari a 3(√3/2)IM per tutto l’intervallo fra 7 e 8 perché i fasci compresi in tale intervallo hanno
corrente nulla.
Confrontando i due diagrammi si rilevano così due fatti. In primo luogo il diagramma ha
cambiato forma e cioè è variata la distribuzione dell'induzione magnetica nell'intraferro: è
diminuita essenzialmente l'induzione massima in corrispondenza degli assi dei poli, ma le aree
racchiuse dal diagramma tuttavia non hanno subito una gran variazione; perciò il flusso
corrispondente a ciascun polo è rimasto sensibilmente costante. In secondo luogo il campo si è
spostato verso destra, e precisamente gli assi dei poli hanno percorso nell'intervallo considerato
di 1/12 di periodo un angolo pari a 1/6 del passo polare τ e cioè un angolo corrispondente a 30°
elettrici.
Rifacendo la costruzione del diagramma del campo dopo un altro dodicesimo di periodo, si
troverebbe che il diagramma riprende ancora la forma della figura b') e si sposta ancora verso
destra di altri 30° elettrici: ad ogni dodicesimo di periodo ripete successivamente le stesse
vicende spostandosi ogni volta di 1/12 del doppio passo polare 2ττ. Se le correnti di
alimentazione dello statore hanno la forma sinusoidale si ha dunque nell'intraferro un campo
rotante a polarità alternate nord sud, quale ruota di un campo completo (e cioè d'un angolo
corrispondente ad una coppia di poli), ad ogni periodo delle correnti di alimentazione: durante
la rotazione tuttavia il campo non rimane invariato ma si deforma periodicamente pulsando tra
le due forme limiti indicate nelle due figure b') c') ad ogni dodicesimo di periodo. Il valore del
flusso corrispondente a ciascun polo non subisce però che variazioni assai limitate.
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Nella forma d'onda del campo si ravvisa comunque un'onda fondamentale di forma
sinusoidale, cui figurano sovrapposte una grande molteplicità di armoniche.
In ogni caso se il campo rotante ha p coppie di poli esso percorre nello spazio, ad ogni periodo,
un angolo pari a 360°/ p, cioè compie un giro completo in p periodi: se la frequenza delle correnti
di alimentazione è f, il campo gira con una velocità pari a f / p giri al secondo e compie quindi al
minuto primo un numero di giri dato da
n=
Fig. 16 - Il campo statorico può essere
assimilato ad una corona di poli immaginari
scorrenti sulla superficie interna dello
statore.
60 ⋅ f
p
Tale campo può essere idealmente concepito come
una corona di p coppie di poli inseriti nel pacco
lamellare i quali scorrono sulla superficie interna
dello statore con la velocità costante n, come è
indicato schematicamente in fig. 16 per un campo a
sei poli.
In generale le velocità del campo rotante generato
dallo statore di un motore asincrono viene designata
col nome di velocità di sincronismo e coincide con la
velocità costante che si deve imprimere ad un
alternatore sincrono, che abbia ugual numero di poli,
perché esso generi una frequenza pari a quella delle
correnti di alimentazione del motore asincrono.
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Le considerazioni esposte si possono anche esprimere dicendo che un avvolgimento trifase,
percorso da un sistema trifase di correnti, produce nel suo complesso una forza magnetomotrice
risultante, la quale conserva un valore pressoché costante nel tempo, mentre ruota attorno
all'asse del sistema con la velocità di sincronismo sopra definita.
All'atto pratico non sono, in genere, sinusoidali le correnti che producono il campo rotante,
ma le tensioni applicate : il campo rotante è in tal caso impegnato ad assumere e conservare esso
stesso lungo il traferro una distribuzione praticamente sinusoidale, ma risulteranno deformate le
correnti magnetizzanti corrispondenti, come accade anche nei trasformatori. Nei motori, il grado
di deformazione delle correnti magnetizzanti è peraltro attenuato dalla presenza dell'intraferro.
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