Macchina elettrica

Un motore elettrico

Le macchine elettriche sono dispositivi atti a convertire energia elettrica in energia meccanica, energia meccanica in energia elettrica o a modificare le forme dell'energia elettrica. Si annovera in tale ultimo caso il trasformatore, che è una macchina magnetica, statica (senza parti mobili), volta a modificare i parametri dell'energia elettrica, nella forma particolare di corrente alternata. Macchine di conversione statica diverse dai trasformatori, basate su semiconduttori, non vengono di norma annoverate tra le "macchine elettriche", ma si parla invece di "convertitori statici".

Definizione

Per macchina elettrica si intende un dispositivo reversibile il cui funzionamento è basato sulle leggi:

• dell'induzione magnetica

  $\begin{cases} e(t) = - {d \Phi \over dt} \\ \vec E \ = l ( \vec v\ \times \vec B\ ) \end{cases}$

• delle azioni elettrodinamiche

  $\vec F \ = l ( \vec i\ \times \vec B\ )$

Quindi la macchina elettrica è quel dispositivo in cui le trasformazioni energetiche coinvolgono, nello stato iniziale e in quello finale, l'energia elettrica e l'energia meccanica, oppure la sola energia elettrica.

Classificazione

Macchine	Rotanti		Statiche
Per c. a. monofase e trifase	sincrone	generatori motori compensatori	trasformatore regolatori ad induzione variatori di fase cicloconvertitori
	asincrone	motori generatori compensatori
	a commutazione	motori monofase in serie convertitori di frequenza
Per c. c.	a commutazione	generatori motori compensatori	chopper
Per c. c. e c. a.	a commutazione	motori universali convertitrici	raddrizzatori inverter

Cenni costruttivi

Una macchina elettrica comprende le seguenti parti fondamentali:

• struttura magnetica, o nucleo, in materiale ferromagnetico
• avvolgimenti
• isolamenti
• strutture meccaniche

Il nucleo e gli avvolgimenti costituiscono la parte attiva, mentre le strutture metalliche sono dette massa e normalmente non sono in tensione.

Il nucleo

I nuclei delle macchine elettriche sono realizzati mediante materiali magnetici i quali si possono suddividere in:

• Materiale diamagnetico

  $\mu_r \le 1$ presentano un permeabilità magnetica prossima, anche se sempre inferiore, all'unità

• Materiale paramagnetico

  $\mu_r \ge 1$ presentano un permeabilità magnetica prossima, anche se sempre superiore, all'unità

OSS: I materiali diamagnetici e paramagnetici di fatto non modificano i campi magnetici che si manifestano nel "vuoto"

• Materiale ferromagnetico

  $\mu_r \gg 1$ presentano una permeabilità magnetica relativa molto maggiore dell'unità

  questi materiali presentano il fenomeno della magnetizzazione residua e sono caratterizzate mediante le curve di magnetizzazione; si dividono in due gruppi:

  • ferromagnetici dolci

    vengono impiegati quando interessa limitare al massimo le correnti necessarie per produrre e controllare i flussi di induzione

  • ferromagnetici duri

    sono caratterizzati da elevati valori della induzione residua e vengono impiegati quando interessa realizzare flussi magnetici costanti nel tempo e pertanto conviene ricorrere al magnetismo permanente che a circuiti percorsi da corrente

Il nucleo, essendo presente un campo magnetico variabile nel tempo, è sede di correnti parassite che sono dannose perché associate a fenomeni dissipativi per effetto Joule. Altro problema che conduce a perdite nel nucleo, è l'isteresi magnetica. In molte applicazioni per porre rimedio a queste perdite si ricorre a costruire il nucleo mediante l'affiancamento di lamierini di materiale ferromagnetico, impacchettati e tenuti mediante viti passanti opportunamente isolate.

Avvolgimenti

Lo statore di un motore DC brushless, che viene usato come ventola

In una macchina elettrica gli avvolgimenti sono realizzati mediante opportune interconnessioni di bobine induttive.

Possono essere avvolgimenti induttori e indotti, ed essere posizionati indifferentemente su statore-rotore e viceversa. Si fa eccezione per i trasformatori in cui gli avvolgimenti sono detti primario e secondario.

Dal punto di vista costruttivo possono essere concentrati (poli salienti) e distribuiti (a gabbia).

Gli isolanti

I materiali isolanti hanno la funzione di mantenere separati elettricamente conduttori in tensione. Devono presentare alta rigidità dielettrica, buona resistenza alle temperatura e stabilità in funzione della tensione a cui sono sottoposti.

Gli isolanti possono essere allo stato:

• gassoso (aria, idrogeno)
• liquido (oli minerali)
• solido (resine poliestere)

Strutture meccaniche

Sono tutte quelle parti che non sono in tensione ma che hanno funzione strutturale, come alberi, cuscinetti e carcasse.

Per la realizzazione di queste parti si utilizzano leghe di ferro con alta concentrazione di carbonio ($\ge 2,5%$), ossia ghisa grigia per la costruzione delle carcasse, e ghisa malleabile per i pezzi di piccolo spessore e di forma complessa.

Per usi particolari con specifiche più spinte vengono impiegati acciai speciali.

Tipologia e funzionamento

Le macchine dinamiche (con parti mobili) sono usualmente rotanti (presenza di statore e rotore) ma possono essere anche lineari (presenza di statore e traslatore). Esse sono basate su trasformazioni di energia ad opera del campo magnetico (macchine magnetiche) in tutti i casi tranne che nelle applicazioni microscopiche dove si preferisce affidare lo scambio energetico al campo elettrico (macchine elettrostatiche, nella quasi totalità dei casi macchine ultrasoniche). Le macchine magnetiche, in genere chiamate tout court macchine elettriche, sono classificate in tipologie con caratteristiche funzionali e geometriche omogenee. Le tipologie di interesse odierno sono: Macchine a collettore (provviste di spazzole e collettore) in corrente continua (solo rotanti). Macchine a collettore (provviste di spazzole e collettore) in corrente alternata monofase (solo rotanti). Macchine asincrone. Macchine sincrone. Macchine speciali (altri casi).

Da un punto di vista costruttivo, didattico e di principio non c'è distinzione tra motore (entra energia elettrica) e generatore (entra energia meccanica). Distinzioni invece nascono a causa della varie applicazioni che producono ulteriori differenziazioni.

Nel caso in cui sia l'ingresso che l'uscita siano di tipo elettrico si hanno i convertitori, in particolare nel caso della corrente alternata si ha il trasformatore. Nel caso in cui l'ingresso sia di tipo elettrico e l'uscita sia di tipo meccanico si hanno i motori, in particolare si parla di motori asincroni e motori sincroni per la corrente alternata e di motori in corrente continua per la corrente continua. Nel caso in cui l'ingresso sia di tipo meccanico e l'uscita sia di tipo elettrico si hanno i generatori, in particolare si parla di alternatori per la corrente alternata e di dinamo per la corrente continua. Le macchine elettriche si dividono inoltre in statiche, ovvero senza organi in movimento, caso del trasformatore, o rotanti, caso dei motori e dei generatori.

Bibliografia

• Luigi Olivieri, Edoardo Ravelli, Elettrotecnica, Volume secondo: Macchine elettriche, Dodicesima edizione riveduta e aggiornata, Padova, CEDAM - Casa Editrice Dott. Antonio Milani, 1972, ISBN non esistente.

Voci correlate

• Motore elettrico
• Dinamo
• Alternatore
• Trasformatore
• Convertitore rotante

Collegamenti esterni

• Macchina elettrica in Tesauro del Nuovo soggettario, BNCF, marzo 2013.