Motori elettrici
I motori vengono spesso classificati in CC ed in CA,è una classificazione estremamente precisa, poiché
esistono motori costruttivamente simili ai CC che possono essere alimentati anche in CA, chiamati motori
universali. Diverse distinzioni si possono fare in base ad altri riferimenti: per esempio, la distinzione tra
motori sincroni (nei quali la frequenza di alimentazione è pari o un multiplo della frequenza di rotazione) e
asincroni (in cui le due frequenze sono indipendenti); pertanto di solito le categorie in cui si classifica il
motore elettrico sono motore asincrono,motore sincrono o motore in corrente continua.
Funzionamento
La corrente elettrica passa in un avvolgimento di spire che si trova nel rotore.
Questo avvolgimento, composto da fili di rame, crea un campo elettromagnetico al passaggio di corrente.
Questo campo elettromagnetico è immerso in un altro campo magnetico creato dallo statore, il quale è
caratterizzato dalla presenza di una o più coppie polari (calamite, elettrocalamite, ecc.).
Il rotore per induzione elettromagnetica inizia a girare, in quanto il campo magnetico del rotore tende ad
allinearsi a quello dello statore analogamente a quanto avviene per l'ago della bussola che si allinea col
campo magnetico terrestre. Durante la rotazione il sistema costituito dalle spazzole e dal Collettore
(elettrico) commuta l'alimentazione elettrica degli avvolgimenti del rotore in modo che il campo magnetico
dello statore e quello del rotore non raggiungano mai l'allineamento perfetto, in tal modo si ottiene la
continuità della rotazione.
Questo motore è alimentato a corrente continua, ma il sistema delle spazzole fa sì che la polarità all'interno
degli avvolgimenti del rotore sia alternata durante la rotazione, quindi, tecnicamente, si tratta di un motore
in corrente alternata.
Durante la trasformazione, una modesta parte dell'energia viene dispersa per l'effetto Joule. Dato il
principio di funzionamento, un motore elettrico fa sempre muovere l'albero motore di moto circolare
moto rotatorio; si può ottenere un moto lineare alternato utilizzando un glifo oscillante, componente
meccanico che converte appunto il moto rotatorio in rettilineo oscillante.
Tale motore può essere usato in maniera reversibile anche come generatore elettrico, che assorbe energia
meccanica. Questo senza subire alcun cambiamento nella sua struttura, permettendo così una sua
versatilità molto ampia, che gli consente di passare da un funzionamento all'altro, velocemente e senza
accorgimenti esterni rivolti al motore.
motore passo-passo
I motori passo-passo, spesso chiamati anche passo, step o stepper, sono considerati la scelta ideale per
tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione,
quali la robotica, le montature dei telescopi e i Servomeccanismo/servomeccanismi in generale. Tuttavia
ultimamente, per le applicazioni high-end, vengono spesso sostituiti da Motore brushless (motori brushless
(senza spazzole, in cui la commutazione è controllata elettronicamente) o da attuatori voice-coil.
Motore senza spazzole (motore brushless)
Il motore brushless è un motore elettrico a magneti permanenti. A differenza di uno a Spazzola
(elettrotecnica), non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull'albero motore per funzionare (da qui il
nome). La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via
meccanica (tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza
meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce
notevolmente la necessità di manutenzione periodica. Inoltre i motori brushless vengono usati molto
spesso nel modellismo dinamico.
Motore in corrente alternata
Questo tipo di motore funziona tramite l'alimentazione in corrente alternata e tra questi ricade anche il
motore universale che è un motore in corrente continua adattato tramite avvolgimento statorico alla linea
alternata.
Motore sincrono
È un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui lo statore, generalmente trifase, genera un campo
magnetico rotante. Nel rotore è presente un campo magnetico (generato da un magnete permanente o un
avvolgimento alimentato in continua che è attirato dal campo magnetico rotante dello statore, generando
la coppia motrice.
Motore asincrono
Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è
uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è "sincrono" con essa; per questo si distingue
dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di
funzionamento.
Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la velocità di rotazione
dell'albero è minore della velocità di rotazione del campo magnetico generato dagli avvolgimenti di statore,
ovvero non c'è sincronismo tra le due velocità; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore
asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di
seguito.
Questo motore può essere utilizzato come alternatore con o senza l'utilizzo di condensatori a seconda che
venga collegato alla rete o no. È utilizzato per piccole potenze, dove si preferisce la facilità d'impiego rispetto
al motore sincrono (che richiede l'uso di inverter) anche a discapito del basso rendimento. Tuttavia il
rendimento è in funzione della potenza massima, e può andare dal 60-70% (per piccoli motori fino a qualche
kW) al 95-97% (per motori fino a 100-200kW)
Storia
Uno dei primi studiosi a realizzare un motore elettrico sfruttando il campo magnetico rotante fu Galileo
[1]
Ferraris nel 1885, anche se il sistema era bifase, ma chi brevettò il sistema trifase per un uso pratico a
[2]
livello industriale fu Nikola Tesla nel 1883 e Galileo Ferraris nel 1885 . Le intuizioni di Tesla furono poi
sfruttate da George Westinghouse, il quale nel 1889 fondò la Westinghouse Electric Corporation, azienda
che farà della produzione di motori asincroni trifase una delle sue attività principali.
La Struttura
Il motore si compone di una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore. Lo statore è formato da
un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare. Le scanalature interne al pacco di lamierini statorici
accolgono i conduttori (filo di rame smaltato) dell'avvolgimento trifase statorico. Il rotore è situato all'interno
dello statore ed è costituito da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare, con un foro interno
per il passaggio dell'albero di rotazione, e scanalature esterne (cave rotoriche) per accogliere l'avvolgimento
rotorico. Tra statore e rotore è presente uno spessore d'aria detto traferro di qualche decimo di millimetro per
consentire la libera rotazione del rotore.
Principio di Funzionamento
Il campo magnetico rotante generato in un motore asincrono trifase.
Lo statore contiene in genere un numero pari di avvolgimenti in quanto, normalmente, ce ne sono 2 per
ciascuna fase di alimentazione. Un motore a tre fasi, o trifase, avrà di norma sei avvolgimenti ovvero
tre coppie polari.
I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono collegati in serie e disposti fisicamente l'uno di fronte
all'altro. Le coppie polari presentano invece uno sfasamento di 120° fisici ed elettrici. In conseguenza di ciò,
negli avvolgimenti si verifica il passaggio di correnti che a loro volta producono un campo magnetico
complessivo che ruota nello spazio. Il rotore è dotato di un certo numero di fasi di norma chiuse in corto
circuito.
La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità fissa ns legata alla frequenza di
alimentazione f, detta velocità di sincronismo. La velocità di rotazione del rotore nr sarà sempre minore di
quella di sincronismo. Questa differenza fa sì che sul rotore agisca un campo magnetico che ruota ad una
velocità ns − nr, pertanto esso sarà sede di forze elettromotrici e quindi correnti indotte (per questo motivo si
parla di motore ad induzione).
Curva di coppia di 4 differenti motori elettrici asincroni:
A) Motore monofase
B) Motore polifasico a singola gabbia di scoiattolo
C) Motore polifasico a singola gabbia di scoiattolo a barre profonde
D) Motore polifasico a doppia gabbia di scoiattolo
Evidentemente le correnti di rotore produrranno a loro volta un campo magnetico che ruota a velocità ns −
nrrispetto al rotore, il quale ruota a velocità nr rispetto allo statore; il risultato è che il campo di rotore ruota
alla velocità ns rispetto allo statore ed è dunque sincrono con il campo di statore.
Tale condizione di sincronismo tra le due onde di campo magnetico assicura che il motore produca
una coppia costante. La situazione in cui ns=nr, cioè velocità di rotore uguale a quella di sincronismo, è una
condizione limite in cui non vi sono forze elettromotrici (e quindi correnti indotte) e dunque la coppia motrice
è zero. Diversamente, la mutua interazione attraverso i relativi campi magnetici tra le correnti di rotore e
quelle di statore produce una coppia risultante netta.
Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza f di alimentazione ed il numero di coppie polari p è espresso
dalla relazione:
Dove ns è espressa in rpm (rotazioni per minuto) ed f è espressa in Hertz. Per esempio, un motore con
tre coppie polari (6 poli totali), alimentato a 50 Hz ha una velocità angolare di sincronismo di 1000 giri al
minuto (cioè 3000/P giri al minuto, dove P - numero di coppie di poli - è 3).
La velocità del rotore in condizioni nominali è sempre minore di un 3-6%; è il fenomeno
dello scorrimento (slip) che consente la produzione della coppia. Dalla formula che definisce
lo scorrimento è possibile esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore (nr):
dove s è lo scorrimento, ns è la velocità di sincronismo e nr è la velocità reale alla quale ruota il
rotore.
Il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il carico non è mai nullo
perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito tra le parti mobili e con l'aria che impediscono al
motore di ruotare alla velocità di sincronismo, vincendo questa coppia meccanica.
Gli avvolgimenti statorici sono in genere inglobati in resine che garantiscono un'ottima protezione
dall'acqua e dagli agenti atmosferici. Questi motori sono frequentemente alimentati per mezzo
di inverter elettronici che possono variarne la velocità variando in modo coordinato la frequenza e la
tensione di alimentazione. L'uso di inverter permette di azionare il motore anche a partire da
una corrente continua, come avviene nella trazione ferroviaria.
Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo, permettendo di
alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di 400 e 230 V. In alcuni grossi motori si preferisce
avviare a stella e poi commutare a triangolo, al fine di limitare le correnti di spunto, quando non
sono utilizzati gli inverter.
Esistono motori asincroni di potenza usualmente inferiore a 3 kW alimentati anche con tensioni
monofase. Tali motori possono essere dotati di ordinari avvolgimenti a due fasi, dove per alimentare
la seconda fase si usa il ritardo di tempo introdotto da un condensatore; un tipico esempio è
costituito dai motori utilizzati per far girare le pale dei ventilatori o degli asciugacapelli. Per potenze
piccolissime si usano i motori in cui la seconda fase è un circuito spazialmente asimmetrico chiuso
in corto circuito (motori a "polo shuntato").
I motori asincroni operano normalmente con gli avvolgimenti di rotore chiusi in corto circuito ma il
rotore può essere eseguito in costruzioni differenti.
Rotore a gabbia di scoiattolo
Per quanto riguarda la struttura dei circuiti indotti, il tipo più semplice e robusto di rotore si realizza
infilando nei canali altrettante sbarre di rame o di alluminio pressofuso, 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 e viene indicato coi nomi di rotore a gabbia di scoiattolo o rotore in
corto circuito.
Questi motori devono il loro nome alla somiglianza del rotore alle gabbie usate generalmente da
scoiattoli (ma anche criceti) per correre.
Questi motori sono largamente utilizzati nell'industria in quanto affidabili ed economici.
Accorgimenti
er aumentare la coppia all'avviamento dei motori a gabbia di scoiattolo di grande potenza (non
avendo il rotore accessibile come in quelli di tipo avvolto) è possibile utilizzare gabbie differenti:
a coppa, viene utilizzato meno materiale di supporto per la gabbia di scoiattolo,
quest'applicazione serve per ridurre i pesi, ma diminuisce anche la resistenza meccanica e la
sua rigidezza.
rotore a doppia gabbia, viene utilizzata una seconda gabbia, concentrica a quella più esterna
e a seconda di come sono progettate queste barre delle due gabbie, si ha un motore più o
meno capace di sopportare l'avvio continuo e ripetitivo di carichi elevati, questa tecnologia si
distingue anche per il passaggio non sempre lineare dai bassi agli alti regimi (cambiamento del
rumore).
rotore a gabbia profonda, la gabbia di scoiattolo, viene costruita utilizzando delle barre
profonde e questo sistema permette d'avere un passaggio fluido dai bassi agli alti regimi.
Rotore avvolto
Questo tipo di motore è costituito da un pacco di corone circolari di lamiere magnetiche scanalato
come lo statore. L'avvolgimento viene costruito in maniera identica a quello di statore e i suoi
terminali fanno capo a tre anelli coassiali con il rotore. Su questi anelli strisciano delle spazzole fisse
collegate ai morsetti rotorici.
Storicamente i morsetti rotorici venivano collegati ad un reostato. Variando la resistenza elettrica del
reostato si poteva aumentare la resistenza dei circuiti rotorici spostando la coppia massima verso lo
scorrimento unitario (s = 1 ⇒ rotore fermo), in modo da disporre in fase di avvio del motore della
coppia di spunto massima disponibile. Questo metodo serve ad avviare motori di medie dimensioni
(10-300 kW). Dopo la partenza del motore le resistenze reostatiche vanno staccate dopo aver
opportunamente cortocircuitato i circuiti rotorici. In particolare, se le resistenze reostatiche vengono
collegate ai circuiti rotorici la curva di coppia si modifica perché la coppia massima si sposta verso
lo scorrimento unitario e quindi si ottiene un punto di lavoro a velocità inferiore (uso delle resistenze
reostatiche per regolare la velocità).
Attualmente i motori asincroni a rotore avvolto sono applicati convenientemente, insieme ad
inverter, in unità motrici o generatrici a velocità variabile in cui l'intervallo di variazione della velocità
è piccolo. Il caso più tipico e diffuso è quello dei generatori eolici.
