IntroduzioneIl motore elettrico è una macchina (generalmente rotante) che trasforma energia elettrica in energia meccanica. L’idea di applicare leazioni elettrodinamiche ed elettromagnetiche per produrre un lavoro meccanico risale ai primi decenni dell’ottocento, subito dopol’enunciazione delle leggi di Ampère. I primi esperimenti pratici furono quelli di N. H. Jacobi che, nel 1834, per mezzo di un suo motoreformato da sistemi di elettromagneti ed alimentato da batterie mosse un battello sul fiume Neva, e di S. Stratingh che nel 1835 riuscì acomandare un piccolo carrello. Questi tentativi cozzarono soprattutto contro il costo proibitivo dell’energia elettrica necessaria che,allora, veniva prodotta unicamente per via chimica. Inoltre questi motori, nonostante i successivi miglioramenti, davano coppiepulsanti.

Il primo motore elettrico efficiente e completo fu inventato da Antonio Pacinotti che costruì nel 1860-1864 la cosiddetta “macchinettaelettromagnetica” con indotto ad anello e collettori a lamelle (da lui detti commutatori) e di cui annunciò anche la possibilità difunzionamento quale generatore di corrente continua, aveva così inizio l’esistenza del fortunato motore a corrente continua. E’ il casodi ricordare che nello sfruttamento industriale che ne fece in seguito il belga Z. T. Gramme, che si attribuì furbescamente l’invenzione,la macchina era usata solo come generatore e solo dopo esserne stata confermata la reversibilità (per un accidentale errore dimanovra di un operaio nel 1873) venne diffusa industrialmente come motore.

Intanto si era notato che anche il generatore sincrono di corrente alternata è reversibile, dando così origine al motore sincrono. Questomotore può però funzionare soltanto ad una determinata velocità e non è autoavviante. Per queste ragioni tale motore non ebbe vastaapplicazione ed è tuttora usato solo per scopi speciali.

Di importanza decisiva fu invece l’invenzione del motore ad induzione, detto anche motore a campo rotante o motore asincrono. FuGalileo Ferraris (professore di Fisica Tecnica al Regio Museo Industriale di Torino, oggi Politecnico) che nel 1885 scoprì teoricamentee verificò sperimentalmente la possibilità di produrre per via statica (mediante elettromagneti opportunamente disposti edopportunamente eccitati con correnti alternate isofrequenziali) un campo magnetico rotante. Ferraris costruì da subito i primi modelli dimotore asincrono e, lasciando generosamente di dominio pubblico la sua invenzione, ne permise un rapido sviluppo. Tale sviluppo daallora non si è più arrestato ed ha portato il motore asincrono ad essere oggigiorno la principale macchina motrice. Le ultimissimetecniche di azionamento mediante inverter stanno addirittura permettendo l’impiego di questo motore anche in quegli ambiti che fino apochi anni fa erano dominati dalle macchine in corrente continua, infatti il motore asincrono rimane insuperabile per la sua semplicitàcostruttiva, per la sua ridotta necessità di manutenzione e quindi per la sua economicità di esercizio.

Principio di funzionamento del MAT

(figura 1, parti essenziali e principio di funzionamento del MAT)

La figura 1 mostra a sinistra le principali parti costituenti un normale motore asincrono, con particolare riferimento al motore con rotore a gabbia. Ildisegno è una vista in sezione del motore, col piano di sezione normale all'asse longitudinale della macchina (asse dell'albero del motore). Non sonoquindi rappresentate le due calotte che completano la chiusura protettiva ed i cuscinetti che sostengono l'albero tenendolo centrato sull'asse dirotazione. Inoltre per lo statore non sono riportati gli avvolgimenti induttori (del tipo aperto per correnti alternate trifase) che generano il camporotante, ma è solo riportata la vista a forma di corona circolare di uno dei lamierini ferromagnetici che compongono il pacco statorico per il qualesono raffigurate le cave (separate da denti) destinate a contenere i conduttori attivi dell'avvolgimento statorico. Per il rotore sono in vista le sezionidelle barre di alluminio che compongono la gabbia di scoiattolo che costituisce l'avvolgimento d'indotto della macchina (non compaiono gli anelli dicortocircuito della gabbia stessa) e la vista di uno dei lamierini del pacco rotorico.

La parte destra della figura 1 riassume invece il principio di funzionamento.

Gli avvolgimenti trifasi statorici, alimentati da una terna trifase di tensioni, sono percorsi da una terna trifase di correnti sinusoidali e generano uncampo magnetico rotante di intensità B [Wb/m2] la cui velocità n1 [g/1'] dipende dalla frequenza di alimentazione f1 [Hz]e dal numero p di coppiepolari secondo la relazione:

Immaginando inizialmente il rotore fermo, n2 = 0 , tale campo rotante, bipolare nella rappresentazione, taglierà trasversalmente i conduttori attivirotorici raffigurati che costituiscono i lati attivi di una spira chiusa in cortocircuito. Nella spira si svilupperà, grazie alla legge generaledell'induzione elettromagnetica, una forza elettromotrice indotta che farà circolare una corrente I2 col verso di figura. Tale corrente interagirà colcampo magnetico rotante induttore dando luogo a delle forze elettromagnetiche di intensità Fe dirette in modo tale da formare una coppia motriceCM. A causa della coppia motrice il rotore si metterà in movimento nello stesso senso del campo rotante. Mano a mano che il rotore acquistavelocità sotto l'azione della coppia, diminuirà la velocità con la quale il campo rotante taglia i conduttori attivi di rotore e con essa le correntirotoriche e la coppia motrice. Idealmente, se si trascurano gli attriti, la coppia motrice si annulla quando la velocità n2 del rotore eguaglia la velocitàn1 del campo rotante. In realtà, anche se il motore è a vuoto (cioè senza coppie frenanti applicate al suo albero), le perdite meccaniche dovuteall'attrito nei cuscinetti ed alla ventilazione del rotore nell'aria, fanno si che sia sempre n2 < n1 e che quindi permanga la piccola coppia motricenecessaria a vincere la coppia resistente.

Se, col motore alimentato (e quindi col campo rotante induttore presente) e funzionante a vuoto, si applica una coppia frenante all'albero si ha che ilrotore rallenta così che aumenta la velocità con la quale il campo rotante taglia gli avvolgimenti rotorici. Aumenta quindi la corrente rotorica e conessa la coppia motrice fino a che la coppia motrice eguaglierà la coppia resistente esterna ripristinando nuove condizioni di equilibrio dinamico aduna velocità del rotore inferiore alla precedente. Nel caso in cui la coppia frenante sia eccessiva, il rotore rallenterà fino a fermarsi ed il motore sitroverà a funzionare nella condizione di cortocircuito (o rotore bloccato) non sostenibile se non per un breve istante di tempo a causa dell'elevataintensità delle correnti negli avvolgimenti.

Struttura del motore asincrono trifase

La struttura generale di una macchina asincrona trifase è la seguente:

- - Cassa statorica: ha la funzione di contenere le parti interne della macchina, protegge tali parti da agenti esterni,permette il fissaggio della macchina al piano di supporto, deve resistere alle sollecitazioni meccaniche trasmesse dalle partiinterne;

- - Morsettiera: serve per il collegamento al circuito esterno;- - Circuito magnetico statorico: qui si sviluppa il campo magnetico di statore;- - Avvolgimento statorico: è formato da tre fasi e ha il compito di creare il campo magnetico che consente il

funzionamento della macchina;- - Circuito magnetico rotorico: è collegato all’albero rotante ed è separato dallo statore dal tra ferro; in esso si sviluppa il

campo magnetico di rotore;- - Avvolgimento rotorico: costituisce l’avvolgimento indotto che sviluppa la coppia motrice della macchina;- - Albero meccanico: serve per il collegamento al carico, è montato su dei cuscinetti che gli permettono di ruotare;- - Ventola di raffreddamento: ha la funzione di attivare la circolazione dell’aria sulle parti in cui si sviluppa calore.

Motore asincrono trifase e numero di giriIl motore asincrono ideale ruota a velocità angolare costante e indipendente dalla coppia resistente applicata. In realtà se con f indichiamo lafrequenza della rete di alimentazione (50Hz), con p il numero di coppie polari e con s lo scorrimento, il numero di giri è esprimibile come:

(1)

Se infatti definiamo con:

n1 la velocità di rotazione del campo magnetico rotanten2 la velocità di rotazione del rotore

è possibile introdurre lo scorrimento s:

(2)

da cui:

(3)

e quindi:

(4)

Essendo però:

(5)

si ottiene per il numero di giri del motore:

(6)

Fig. 1: Caratteristica meccanica di un motore elettrico

Caratteristiche tecnicheSpecifiche tecniche

Affinché un motore sia specificato in modo corretto è necessario prendere in considerazione i seguenti punti:

• Settore di impiego• Potenza e velocità richiesta• Tipo di montaggio• Alimentazione• Cuscinetti• Verniciatura• Prove di funzionamento• Isolamento

Settore di impiegoL'ultima edizione della norma CEI 70-1, corrisponde alla norma europea EN 60529 "Gradi di protezione degli involucri (Codice IP)", classifica gliinvolucri mediante una sigla composta dal codice IP (International Protection), da due cifre, aventi il seguente significato:

prima cifra caratteristica: indica sia il grado di protezione relativo al contatto con parti pericolose sia quello contro l'accesso di corpi solidiestranei;

seconda cifra caratteristica: indica il grado di protezione che l'involucro offre contro la penetrazione di liquidi, importante per componenti posti inluoghi umidi o bagnati, per quelli installati all'aperto o immersi in un liquido, al fine di evitare guasti dovuti all'infiltrazione;

Potenza e velocità richiestaLa scelta della potenza elettrica viene effettuata in base a considerazioni meccaniche.

La velocità del motore invece dipende dal numero di poli e dalla frequenza di alimentazione in base alla seguente tabella:

50 Hertz 60 Hertz2 Poli 2880 rpm 3460 rpm4 Poli 1440 rpm 1750 rpm6 Poli 960 rpm 1150 rpm8 Poli 720 rpm 860 rpm10 Poli 580 rpm 690 rpm12 Poli 480 rpm 570 rpm

Tipo di montaggioLe tipologie di montaggio più comuni sono le seguenti

• Basamento orizzontale (B3) IM1001• Flangia orizzontale (B5) IM3001• Flangia e basamento orizzontale (B3/B5) IM2001• Flangia verticale (V1) IM3011

AlimentazioneLa corretta tensione di alimentazione è importante perché può cambiare le caratteristiche del motore. Per esempio se la tensione diminuisce del 5%la coppia di spunto del motore diminuisce del 10% e ciò significa che il motore non riesce a sviluppare una sufficiente coppia per partire.

La tolleranza della tensione di alimentazione del motore deve essere dichiarata, per esempio +/- 10%; ciò assicura che il motore funzioneràcorrettamente nell'intervallo di tensione stabilito.

La frequenza della tensione di alimentazione è un altro parametro che deve essere dichiarato perché essa modifica la velocità.

CuscinettiLe caratteristiche dei cuscinetti richiedono la definizione della marca, del tipo a sfera o del tipo a rullini e del metodo di ingrassaggio

VerniciaturaLe caratteristiche di verniciatura sono importanti nelle applicazioni nei settori della chimica e deve essere definito il tipo di vernice la marca e ilcolore finale

Prove di funzionamentoBisogna definire se le prove sono di routin oppure prove che ne verificano le prestazioni complete

IsolamentoQuesto parametro serve a definire la temperatura massima sopportabile dal motore perché influenza la durata del motore stesso.

La seguente tabella illustra i tipi di isolamento

• A Classe 105• E Classe 120• B Classe 130• F Classe 155• H Classe 180

Il valore standard è di classe F

Esempio: Caratteristiche tecniche del motore di un cancelloMotore monofase

2 poli

220 V ~

50 Hz ± 10%

assorbimento a vuota 0.33 A con condensatore da 4 µ F

130 W

2800 rpm

protetto da disgiuntore termico

forza di spinta 350 kg con condensatore da 4 µ F

Esempi ApplicativiI motori asincroni monofasi trovano vaste applicazioni nel campo delle macchine utensili, pompe, ventilatori elettrodomestici con potenze fino aqualche kilowatt. La loro preferenza rispetto ai motori trifasi è dovuta alla possibilità di alimentazione con una linea monofase di cui ogni utente èprovvisto. Un campo in cui viene quasi esclusivamente impiegato il motore monofase con condensatore permanente è quello delle lavabiancheria. Imotori installati in tali elettrodomestici sono in genere realizzati con doppio avvolgimento statorico, uno con elevato numero di poli e l'altro con solidue o quattro poli. Ciò consente di avere con lo stesso motore due velocità di lavoro necessarie per le fasi di lavaggio (bassa velocità) e dicentrifugazione (alta velocità).

Simboli UNIMotore monofase a commutatore.