Le macchine responsabili della conversione energia elettrica-energia meccanica sono di due tipi:
– i motori che trasformano l’energia elettrica in energia meccanica;
– i generatori che si occupano della conversione dell’energia meccanica in elettrica.
Di solito le macchine elettriche sono capaci di agire sia da motore che da generatore, a seconda dell’applicazione richiesta.
I motori elettrici sono di certo i più utilizzati, vengono usati per azionare moltissimi dispositivi d’uso quotidiano: frigoriferi domestici, tergicristalli delle auto, dischi rigidi dei computer, ascensori eccetera e possono soddisfare richieste di potenza da pochi a migliaia di cavalli vapore (unità di misura per la potenza d’uscita di un motore elettrico, contraddistinta dal simbolo CV o hp, non facente parte del Sistema Internazionale).
I motori elettrici
Generalità, realizzazione e caratteristiche dei motori elettrici
I motori elettrici sono di vari tipi a seconda ovviamente delle caratteristiche di funzionamento, il più diffuso è certamente il motore asincrono trifase in corrente alternata (visita il link che segue per ulteriori info https://www.seipee.it/it/prodotti/motori-trifase ) , di cui si parlerà in seguito.
A prescindere da come viene alimentato e dall’applicazione finale però, ogni motore è composto da due parti fondamentali: lo statore che è la parte fissa, che non si muove e il rotore, la parte che appunto ruota attorno ad un albero, un asse che congiunge la macchina elettrica al suo carico (ciò a cui in pratica arriva la potenza meccanica generata; può essere un frullatore, la serranda di un garage e così via).
Tra l’albero e il rotore sono poi posizionati dei cuscinetti che permettono al rotore di scivolare liberamente.
Sullo statore o sul rotore (e per alcuni tipi di motori su entrambi) sono disposti i conduttori di corrente avvolti; vengono appositamente ricavate nel materiale delle scanalature in modo che ospitino gli avvolgimenti insieme al loro isolamento.
Questi conduttori sono parte fondamentale del processo di produzione di energia poiché le correnti che li percorrono formano nel tempo il campo magnetico che produce la coppia di torsione; è per questo motivo che di solito rotore e statore sono costruiti con materiali ferromagnetici in modo da incrementare l’ampiezza del flusso magnetico.
Unica accortezza è quella di laminare il nucleo per ridurre le perdite di potenza dovute alle correnti parassite (stessa cosa si fa per i trasformatori, anch’essi immersi in un campo magnetico che varia nel tempo).
Gli avvolgimenti
Con il termine avvolgimento si intende ogni conduttore che poggia su statore o rotore e che viene percorso da corrente. Esso è noto anche con il termine di bobina e può essere classificato come bobina di eccitazione o di armatura.
La bobina di eccitazione (o di campo) è responsabile della realizzazione del campo magnetico che produce la coppia motrice, la sua correte non dipende dal carico. In alcuni tipi di motori però invece di utilizzare un avvolgimento, il campo è ottenuto tramite un magnete permanente.
La bobina d’armatura è invece percorsa da una corrente con valore dipendente strettamente dalla potenza meccanica prodotta: diventa più grande se il carico è più pesante.
Le bobine hanno sempre la stessa funzione ma la loro collocazione sulla macchina elettrica può variare a seconda del tipo: in molte macchine a corrente alternata ad esempio, la bobina d’eccitazione è sul rotore, mentre quella d’armatura è posizionata sullo statore; viceversa in alcune macchine in corrente continua, la disposizione è invertita.
Alimentazione alternata e in continua
Le principali soluzioni e le loro caratteristiche
I motori possono essere alimentati in corrente alternata o continua e si differenzia poi per come sono fabbricati rotore e statore e dove sono collocati gli avvolgimenti conduttori.
Motori a corrente alternata
L’alimentazione è alternata monofase o trifase. Per entrambe le categorie si parla di due tipologie:
-motori asincroni (o a induzione) che sono i più semplici, robusti e diffusi;
-motori sincroni, in cui la velocità non dipende dalla coppia motrice ed è costante sotto ipotesi di frequenza costante d’alimentazione (in Italia il valore nominale è intorno ai 50 Hz).
Altra importante differenziazione riguarda i modelli di rotore:
– rotore a gabbia di scoiattolo;
– rotore avvolto,
– magnete permanente.
Potenza e rendimento
I un qualsiasi tipo di motore il rendimento non può essere unitario, perché non può accadere che tutta la potenza d’ingresso raggiunga l’uscita senza che il processo di conversione dell’energia abbia delle perdite.
Le perdite in un motore a corrente alternata si dividono in perdite elettriche:
– nel rame, ovvero la parte persa dalle bobine che si disperde sotto forma di calore;
– per correnti parassite (per cui è necessario laminare il nucleo ferromagnetico come detto prima);
– per isteresi, fenomeno inevitabile negli induttori che compongono gli avvolgimenti;
e perdite meccaniche:
– per attrito della naturale rotazione, nonostante la presenza dei cuscinetti che facilitano lo scorrimento;
– per spostamento dell’aria, di cui sono responsabili le pale del ventilatore che raffredda il rotore.
La potenza d’uscita è il prodotto tra la coppia di torsione per la velocità angolare del carico, è di solito espressa in cavalli motore o in Watt se si usa il Sistema Internazionale e il suo valore nominale rappresenta la potenza che il motore può esibire in uscita in sicurezza e con continuità.
Se il carico diminuisce, richiedendo quindi maggiore potenza, allora il motore è costretto ad assorbire dalla sorgente meno potenza e a cambiare la sua velocità accelerando (caso di motore asincrono).
In ogni caso la potenza d’uscita varia da zero a più volte il valore nominale a seconda del carico che vede.
Caratteristiche coppia-velocità
Le caratteristiche coppia-velocità sono diverse a seconda del funzionamento ed identificano il tipo di motore.
Il progettista di sistema ha il compito di scegliere quale funzione e quindi motore elettrico fa al caso suo.
Ipotizzando un motore asincrono, considerando la macchina ferma ma alimentata, a velocità basse la coppia prodotta è naturalmente maggiore di quella richiesta da qualsiasi carico e produce quindi un’accelerazione del sistema. La stabilizzazione avviene quando la coppia prodotta eguaglia quella richiesta.
Nella prima fase di sovraccarico in cui la potenza è assorbita a motore fermo, esso assorbe la corrente in eccesso e serve quindi una buona progettazione per le protezioni per far si che non ci siano danni alla macchina.
Per un motore in alternata di tipo sincrono o asincrono, le velocità in giri al minuto sono fisse e determinate dalla frequenza, per cui se si vuole cambiare il valore della velocità angolare, è necessario l’uso di un cicloconvertitore che vari innanzitutto la frequenza di esercizio.
Per quanto riguarda il sincrono, la sua coppia d’avvio è nulla, per cui per avviare il motore è necessario adottare alcuni accorgimenti (si fa funzionare il motore come fosse di tipo asincrono con carico ridotto, passando poi al nomale funzionamento una volta raggiunta la velocità desiderata).
Il motore in alternata asincrono al contrario presenta una buona coppia d’avvio ma presentano un altro tipo di inconveninete: all’avvio il motore assorbe una corrente molto più alta del valore nominale con cui è stata progettata, per cui è necessario limitare la tensione.
Motori in corrente continua
In questo caso ovviamente la sorgente è in continua.
Dato che però la maggior parte dell’energia elettrica del mondo è distribuita in alternata, per utilizzare un motore alimentato in continua, in mancanza della sorgente adeguata è spesso necessario raddrizzare l’alternata per convertire la forma d’energia in una più congeniale, questo aumento di costo può spesso rappresentare un ostacolo per l’uso delle macchine a corrente continua.
Ovviamente il difetto non è invalidante se si ha a disposizione una batteria come avviene nel caso di un’applicazione automobilistica in cui è proprio una sorgente in DC ad alimentare i ventilatori e l’accensione dell’auto.
Usura per il motore a corrente continua
La direzione della corrente sulla bobina d’armatura (collocata sul rotore per le macchine in continua) varia periodicamente: le spazzole montate sullo statore e il commutatore montato sull’albero fanno da interruttore meccanico che inverte la rotazione.
Questo è forse il principale svantaggio del motore in corrente continua poiché esso prevede la necessità di una continua manutenzione per spazzole e commutatore che, scorrendo tra loro, sono soggetti ad usura.
Funzionamento delle macchine rotanti in corrente continua
Il tipo più comune di macchina in corrente continua contiene uno statore cilindrico e un rotore della stessa forma montato su un albero e sostenuto da dei cuscinetti in modo da poter ruotare. Sullo statore ci sono le bobine di eccitazione o di campo che vengono chiamati poli magnetici e che sono sempre presenti in numero pari, alternati tra nord e sud dello statore.
Tra le scanalature del rotore sono poi inserite le bobine d’armatura.
Il flusso magnetico, che segue sempre il percorso a riluttanza minore e quindi tende a prediligere il ferro all’aria, è perpendicolare alla superficie del rotore all’interno del traferro (lo spazio d’aria che si pone tra statore e rotore, entrambi composti da materiali ferromagnetici per facilitare il percorso del campo magnetico).
A seconda delle direzioni delle correnti si origina una coppia motrice in senso orario o antiorario.
Durante un classico funzionamento, mentre il rotore gira i conduttori ovviamente si muovono a loro volta, per cui quando si trovano tra due poli la direzione del campo si inverte e le tensioni indotte variano. Per invertire i collegamenti sui collettori in modo che la polarità della tensione indota vista dai terminali sia sempre la stessa, si usa il collettore, un interruttore meccanico.
Il collettore è dunque responsabile del raddrizzamento della tensione d’uscita da alternata a continua; in questo modo la tensione non cambia più il suo segno.
Se la macchina è ad eccitazione in parallelo, il circuito di campo è in parallelo all’armatura ed è formato dalla serie di un reostato a resistenza variabile e la bobina di campo.
Un motore in corrente continua ad eccitazione separata invece è dotata di sorgenti differenti per l’armatura e i circuiti di campo; in questo modo è possibile controllare la velocità della macchina variando una delle due sorgenti.
Se si parla di motre a magnete permanente PM invece, il campo magnetico è creato da alcuni magneti montati direttamente sullo statore e non esistono dunque avvolgimenti responsabili dell’eccitazione.
Per quest’ultimi, non essendo richiesta una potenza per la realizzazione del campo, il rendimento è più alto e ciò rappresenta un primo vantaggio.Inoltre sono anche di dimensioni ridotte rispetto agli altri modelli di macchina in continua che presentano le bobine. Lo svantaggio evidente è legato al fatto che i magneti possono facilmente smagnetizzarsi per surriscaldamento o eccesso di corrente sull’armatura.
Producendo comunque un campo magnetico di minore entità rispetto agli alti casi sono preferibili per applicazioni in cui non è riciesto un ampio flusso e cioè una coppia motrice elevata.
Motori universali
Il motore universale è un importante tipo di motore a corrente alternata che può funzionare anche in corrente continua.
A causa di spazzole e commutatori che si rovinano facilmente sono poco usati per le applicazioni che richiedono una durata notevole, ma hanno diversi vantaggi; tra cui la possibilità di una coppia d’avvio alta senza impiegare corrente elevata, la produzione di più potenza e una elevata velocità.