Overview sui motori elettrici

I motori elettrici, spesso denominati anche come macchine elettriche, sono apparati utilizzati per la conversione da energia elettrica in energia meccanica. Questi trovano larga applicazione in un’infinità di contesti legati ai principali settori industriali, dei trasporti, civile, automotive e consumer. Esistono diverse tipologie di motori elettrici che differiscono tra loro per complessità costruttiva, di controllo, dimensione, potenze raggiungibili, peso, e via dicendo. Ognuna di queste caratteristiche risulta fondamentale per la corretta scelta della tipologia in funzione del contesto applicativo. In questo articolo, andremo ad osservare le principali tipologie di motori elettrici, il principio di funzionamento e le caratteristiche particolari per ogni tipologia.

Introduzione

Se sei un appassionato di elettronica o ingegneria, probabilmente sarai curioso di sapere come funzionano i motori elettrici. Questi sono una parte fondamentale di molte applicazioni industriali, commerciali e domestiche. Infatti, negli ultimi anni, l'attenzione verso l'ambiente e la sostenibilità ha portato a una maggiore ricerca e sviluppo di nuove tecnologie nel settore dei motori elettrici. Tra le ultime innovazioni, si trovano i motori ad alta efficienza energetica, che riducono il consumo di energia elettrica senza compromettere le prestazioni del motore. Inoltre, si sta lavorando per rendere i motori elettrici più silenziosi, grazie all'utilizzo di nuovi materiali fonoassorbenti. Queste innovazioni rappresentano un passo avanti verso un futuro più sostenibile e rispettoso dell'ambiente.

Principio di funzionamento

Iniziamo con l’affrontare il principio di funzionamento di un motore elettrico. A prescindere dalla tipologia, il principio fisico di funzionamento è comune ed è basato sulla legge di Faraday per quanto riguarda l’induzione elettromagnetica. Questa legge afferma che quando un conduttore viene mosso in un campo magnetico, viene generata una corrente elettrica. Applicandola al nostro motore elettrico avremo che il conduttore è costituito dagli avvolgimenti di filo che saranno dunque disposti in un campo magnetico generato da un magnete permanente o da una bobina. Quando la corrente elettrica viene applicata agli avvolgimenti, il campo magnetico generato dai conduttori interagisce con il campo magnetico esterno e provoca il movimento del rotore. Ciò che abbiamo appena descritto non è altro che l’elettromagnetismo.

Il principio fondamentale dell'elettromagnetismo è che una corrente elettrica che scorre attraverso un conduttore crea un campo magnetico intorno ad esso. Inoltre, un campo magnetico può indurre una corrente elettrica in un conduttore. Questa reciproca interazione tra corrente e campo magnetico è alla base del funzionamento proprio dei motori in corrente continua (detti anche motori DC).

Le parti fondamentali di un motore elettrico

Abbiamo appena parlato di rotore e di avvolgimenti ma andiamo a conoscere nel dettaglio le parti principali di un motore elettrico. Queste sono:

Avvolgimenti: i fili conduttori dentro i quali verrà fatta scorrere la corrente elettrica
Statore: lo statore è costituito da un insieme di avvolgimenti di filo che sono disposti in modo da generare un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico rotante è generato da una corrente alternata che viene applicata agli avvolgimenti.
Rotore: il rotore è costituito da un insieme di avvolgimenti di filo che sono disposti in modo da interagire con il campo magnetico rotante. Quando il campo magnetico rotante interagisce con i conduttori del rotore, viene generata una corrente elettrica. Questa corrente elettrica genera un campo magnetico proprio, che interagisce con il campo magnetico rotante e provoca il movimento del rotore.
Alberi: gli alberi trasmettono la coppia dal rotore all'applicazione.

Tipologie di motori elettrici

I motori elettrici possono essere classificati in base a diversi criteri, tra cui:

Modalità di alimentazione: i motori elettrici possono essere alimentati da una corrente continua (CC) o da una corrente alternata (CA).
Forma del rotore: i motori elettrici possono avere un rotore in cortocircuito, un rotore avvolto o un rotore a magneti permanenti.
Numero di fasi: i motori elettrici possono essere monofase, bifase o trifase.

Come ben sappiamo, esistono diversi tipi di motori elettrici, che possono essere classificati in base alla forma del rotore e alla modalità di alimentazione. Le principali tipologie di motori sono:

Motori a corrente continua (CC o DC): in questi motori, il rotore è costituito da un insieme di avvolgimenti che sono alimentati da una corrente continua e il principio di funzionamento di un motore DC si basa sulla forza magnetica generata da un campo magnetico creato da un magnete permanente o un elettromagnete. Quando la corrente elettrica fluisce negli avvolgimenti dello statore e dunque passa attraverso il campo magnetico, allora viene generata una forza che fa ruotare l'albero del motore. Un vantaggio dei motori DC è la possibilità di regolare la velocità di rotazione in modo preciso. Possono essere utilizzati in applicazioni che richiedono un controllo di velocità accurato, come robotica, macchine utensili e sistemi di trasmissione.
Tuttavia, i motori DC richiedono una manutenzione periodica per sostituire le spazzole, che sono parti soggette a usura. Inoltre, i motori DC sono generalmente più costosi rispetto ai motori AC. Nella famiglia dei motori a corrente continua esistono diverse tipologie, ognuna delle quali ha caratteristiche e applicazioni specifiche. I principali tipi di motori DC sono i motori a spazzole, i motori senza spazzole detti anche BLDC e i motori a collettore.
Motori a corrente alternata (CA): in questi motori, il rotore è costituito da un insieme di avvolgimenti che sono alimentati da una corrente alternata. I motori a CA sono generalmente meno efficienti dei motori a CC, ma sono anche meno costosi. Il principio di funzionamento dei motori AC si basa sull'interazione tra campi magnetici generati da bobine o avvolgimenti all'interno del motore, tuttavia, la caratteristica principale è che la corrente alternata di alimentazione del motore cambia costantemente direzione. La velocità di rotazione del rotore è determinata dalla frequenza della corrente alternata che viene applicata agli avvolgimenti dello statore. La coppia generata dal motore è determinata dalla corrente elettrica che scorre negli avvolgimenti del rotore. Questi motori possono essere di due tipi principali: motori asincroni e motori sincroni.
- I motori asincroni sono i motori AC più comuni e sono ampiamente utilizzati in diverse applicazioni industriali e domestiche. Questi motori funzionano grazie all'effetto di induzione, in cui un campo magnetico rotante viene generato dall'interazione tra i campi magnetici delle bobine dello statore e il rotore. Il campo magnetico rotante crea una coppia che fa ruotare l'albero del motore. Questa tipologia di motori risulta essere molto affidabile e richiede una manutenzione ridotta. La velocità di funzionamento può essere costante o variabile, a seconda delle esigenze dell'applicazione. Tuttavia, non offrono un controllo di velocità così preciso come i motori DC. Inoltre, in questi motori, il rotore gira a una velocità inferiore rispetto al campo magnetico rotante. I motori asincroni sono generalmente utilizzati in applicazioni a bassa velocità, come i motori dei ventilatori (Figura 1) e delle pompe.
- I motori sincroni sono progettati per ruotare a una velocità costante in sincronia con la frequenza dell'alimentazione elettrica. Questi motori sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono un'alta precisione di velocità, come generatori di energia eolica, turbine a gas e sistemi di controllo del movimento. I motori sincroni richiedono un controllo più complesso rispetto ai motori asincroni, ma possono offrire prestazioni superiori in termini di efficienza energetica e precisione di velocità. [...]

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