NB I riferimenti al testo riguardano la sezione 19B.

Premessa: i motori elettrici, come le altre macchine elettriche, sono reversibili e possono essere utilizzati anche come generatori (ad esempio un motore in continua può funzionare da dinamo) tuttavia ci soffermeremo sul solo funzionamento da motore¹⁾.

Esistono varie tipologie di motori con caratteristiche diverse; tra queste è importante considerare:

• il costo
• l'affidabilità
• le prestazioni meccaniche, in particolare allo spunto (cioè nella partenza da fermo)
• la facilità di controllo
• il tipo di alimentazione (in continua, in alternata, a commutazione elettronica)

Di seguito elenchiamo le principali tipologie di motori indicando il campo di impiego e le caratteristiche principali.

Sono motori azionati da batterie o alimentatori; hanno ottime prestazioni meccaniche e sono molto facili da controllare ma hanno un costo maggiore rispetto a quelli in alternata, sono meno affidabili e richiedono una manutenzione periodica. Sono impiegati nell'automazione - dove servono elevate prestazioni e facilità di controllo - ma anche in altri campi (trazione, macchine utensili, elettrodomestici).

Hanno lo stesso principio di funzionamento dei motori in continua e presentano caratteristiche simili - ottime prestazioni e facilità di controllo - ma non hanno problemi di affidabilità e manutenzione. Si chiamano così (“senza spazzole”) perché non richiedono un contatto strisciante per funzionare ma un'alimentazione con un dispositivo elettronico di potenza per la commutazione delle correnti. Sono una soluzione migliore ma più costosa rispetto ai motori in continua e vengono utilizzati principalmente nell'automazione.

Anche questi motori sono alimentati con un dispositivo elettronico di potenza che si occupa della commutazione delle correnti ma il loro funzionamento è diverso da tutti gli altri: il loro albero si muove “a scatti”, nel senso che le posizioni che può assumere sono fisse e multiple del passo del motore. Si comandano alimentando il motore con una sequenza opportuna di correnti che produce una rotazione di ampiezza ben precisa.

Questi motori hanno prestazioni inferiori agli altri ma permettono di realizzare posizionamenti molto precisi con un sistema di controllo molto semplice. Sono usati in automazione, nella robotica e nelle periferiche dei computer (stampanti, plotter, ecc.).

I motori in alternata presentano un campo magnetico rotante al loro interno; si distingue tra:

• motori sincroni, dove il campo magnetico rotante gira alla stessa velocità dell'albero
• motori asincroni, dove il campo magnetico rotante gira appena più velocemente dell'albero

Esamineremo solo i motori asincroni; quelli sincroni sono usati quasi esclusivamente come alternatori.

I motori asincroni, in particolare quelli trifase, sono molto utilizzati nell'industria perché possono essere alimentati direttamente dalla rete e perché sono robusti, affidabili ed economici. Il loro impiego tuttavia è limitato alle movimentazioni più semplici perché sono difficili da controllare e hanno prestazioni scadenti allo spunto (difetti parzialmente compensabili azionando il motore con un inverter).

I motori in continua possono essere:

• a magneti permanenti
• a campo avvolto, cioè con elettrocalamite
• universali, con elettrocalamite collegate in modo da poter funzionare anche in alternata

I motori a magneti permanenti sono di piccola e media potenza e sono utilizzati in automazione, quelli a campo avvolto sono usati per potenze maggiori, quelli universali si usano nelle macchine utensili, negli elettrodomestici e nella trazione.

Come tutti i motori quello in continua è composto da due parti:

• il rotore, che ruota con l'albero
• lo statore, che non si muove e contiene il rotore al suo interno

Il rotore appoggia su dei cuscinetti (su delle bronzine nei motori più piccoli) collocati nella parte anteriore e posteriore del rotore.

Nel motore in continua il circuito magnetico è composto da:

• una coppia di magneti (o elettromagneti), posti sul lato interno dello statore, che generano il flusso di macchina
• lo statore in ferro
• il traferro, cioè il sottile strato d'aria che separa statore e rotore
• il rotore, cioè l'albero in acciaio e il resto del circuito magnetico, di forma cilindrica e realizzato in lamierini di ferro-silicio isolati tra loro per ridurre le perdite per correnti parassite²⁾

Il circuito elettrico invece è composto da:

• un avvolgimento detto di armatura, realizzato in rame isolato con delle vernici, posto in apposite cave sulla parte esterna del rotore
• un contatto strisciante a sua volta composto da:
  • il collettore, di forma cilindrica e posto sul rotore davanti ai lamierini, composto da lamelle di rame isolate tra loro e collegate ognuna a due conduttori dell'avvolgimento
  • una coppia di spazzole in rame e grafite, premute contro il collettore da delle molle, poste sullo statore e collegate ai morsetti della macchina

Il contatto strisciante ha due compiti:

• permette la circolazione di corrente nell'avvolgimento
• funziona da commutatore elettro-meccanico per le correnti che percorrono i conduttori dell'avvolgimento di armatura

Perché il motore funzioni è infatti indispensabile che la corrente che percorre i vari tratti dell'avvolgimento cambi verso passando da un polo all'altro, cioè da una calamita all'altra. Il contatto strisciante è il “punto debole” della macchina perché è causa di:

• attrito, e di conseguenza perdite
• usura, che rende necessaria la sostituzione delle spazzole dopo un certo tempo³⁾
• disturbi elettromagnetici ed ossidazione dei contatti, provocati dallo scintillio che si ha a causa dell'inversione delle correnti

Il principio di funzionamento del motore può essere compreso osservando la rappresentazione semplificata di figura 2: il contatto spazzole-collettore fa circolare due correnti di verso opposto nei conduttori posti davanti ai poli N e S; i due conduttori, sottoposti all'azione di un campo magnetico perpendicolare, diventano sede di una forza magnetica⁴⁾ che vale:

$$F=BIl$$

dove B è l'induzione magnetica, l la lunghezza del conduttore e I la corrente. Le due forze, perpendicolari sia alla corrente che all'induzione⁵⁾, danno luogo a una coppia che fa ruotare l'albero del motore. Per mantenere il verso della coppia durante la rotazione è necessario invertire il verso della corrente nei conduttori; questo compito è svolto dal collettore, che alimenta le due spire collegate alle quattro lamelle in modo che i conduttori davanti ai magneti siano percorsi da correnti che circolano sempre nello stesso verso. In definitiva la coppia ha verso costante perché le correnti nei conduttori sono alternate.

Un motore vero e proprio (vedi figura 3) è più complicato perché:

• il collettore ha più lamelle e il circuito è molto più complicato
• possono esserci più di due magneti (o elettromagneti)
• la corrente percorre molti conduttori contemporaneamente⁶⁾

ma il funzionamento non cambia: in tutti i conduttori posti davanti allo stesso polo, perpendicolari al campo magnetico e percorsi da corrente con lo stesso verso, nasce una forza magnetica; l'effetto risultante è una coppia motrice che vale:

$$C_m=K I$$

dove K è detta costante di macchina e dipende dall'induzione dalle calamite, dal numero di conduttori e dalle dimensioni del rotore. La relazione appena vista caratterizza il funzionamento del motore in continua ed è particolarmente semplice: coppia e corrente sono direttamente proporzionali.

Nella macchina si verifica un altro fenomeno elettromagnetico: nei conduttori, che si muovono immersi in un campo magnetico a loro perpendicolare, nascono delle tensioni indotte secondo la legge:

$$e=Blv$$

dove e è la tensione indotta, B l'induzione, l la lunghezza del conduttore e v la velocità lineare. Il verso di queste tensioni cambia a seconda che il conduttore si trovi sotto il polo N o S⁷⁾ ma per come è realizzato l'avvolgimento alle spazzole si manifesta un'unica tensione che vale:

$$E=K omega$$

dove E è la tensione generata, ω la velocità di rotazione (in rad/s) e K è la stessa costante di macchina che compare nell'espressione della coppia. La tensione generata allora è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione⁸⁾ e, nel funzionamento da motore, si comporta come una forza controelettromotrice che ostacola la circolazione di corrente⁹⁾.

Il motore può essere rappresentato dal circuito equivalente di figura 1b dove R_a è la resistenza del circuito di armatura¹⁰⁾ e il simbolo a destra è un generatore che rappresenta la tensione generata. La macchina può essere studiata considerando le tre relazioni:

$$V=R_a I+E$$

$$e=Blv$$

$$C_m=K I$$

che combinate insieme permettono di esprimere la relazione coppia-velocità del motore, cioè la sua caratteristica meccanica:

$$omega = omega_0 - R_a/K^2 C_m$$

dove ω₀ è la velocità a vuoto ed è la velocità massima raggiungibile dal motore. La figura 4 mostra una rappresentazione grafica della caratteristica meccanica. La retta nel grafico coppia-velocità rappresenta la relazione scritta sopra e contiene tutti i possibili punti di funzionamento del motore. Questa rappresentazione grafica è molto utilizzata perché mostra in maniera intuitiva il comportamento del motore ai vari regimi di rotazione; nei datasheet di solito la velocità è indicata in giri al minuto e i due assi sono scambiati (coppia nelle ordinate e velocità nelle ascisse).

Considerando le relazioni e il circuito equivalente appena visti vediamo cosa succede quando si alimenta un motore inizialmente fermo senza un carico applicato. Allo spunto, cioè col motore fermo che si avvia, non c'è tensione generata e di conseguenza la corrente e la coppia motrice (dette di spunto) sono massime. Questo garantisce un avvio molto rapido. Nella fase di accelerazione si manifesta una tensione generata e corrente e coppia calano all'aumentare della velocità. A regime la coppia si annulla¹¹⁾ è la velocità si stabilizza sul valore massimo pari a ω₀. Riassumendo tutto in una tabella:

La figura seguente mostra la caratteristica meccanica di un motore asincrono trifase.

Osserviamo come:

• la coppia di spunto sia piuttosto bassa
• il primo tratto, dallo spunto alla coppia massima, ha pendenza crescente e un range ampio di velocità
• nel secondo tratto, a pendenza decrescente, la velocità è quasi costante

Ne consegue che:

• il motore non è adatto a quelle applicazioni che richiedono coppia elevata allo spunto
• una volta “lanciato” il motore può funzionare anche con carichi elevati mantenendo una velocità quasi costante
• il motore non può essere sfruttato nel tratto crescente, dove il suo comportamento è instabile (una diminuzione di velocità porta ad una diminuzione della coppia fino all'arresto; un aumento di velocità fa aumentare la coppia e il funzionamento passa nel tratto stabile decrescente)

Esistono varie tecniche di regolazione del motore asincrono ma il metodo più efficace - e il più utilizzato oggi - consiste nel variare la frequenza di alimentazione utilizzando un inverter sinusoidale. Agendo sulla frequenza infatti si modifica la velocità di rotazione del campo rotante, che è prossima a quella del motore, e si ottengono una famiglia di caratteristiche come quelle in figura.

Come si vede aumentando la frequenza le caratteristiche, e in particolare il tratto stabile dove viene sfruttato il motore, traslano verso destra.

Questa tecnica ha il difetto di richiedere un costoso dispositivo elettronico di potenza per alimentare un motore che poteva essere direttamente collegato alla rete, ma permette di:

• regolare la velocità in un ampio range di valori mantenendo un funzionamento stabile
• ottenere coppie di spunto elevate
• diminuire i consumi (allo spunto il motore assorbirebbe molta corrente pur erogando bassa coppia)

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