Motore asincrono

Animazione di un motore asincrono con rotore a gabbia di scoiattolo.

Il motore asincrono è un motore elettrico in corrente alternata in cui la velocità angolare del rotore è inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico generato dagli avvolgimenti dello statore, da cui l'asincronismo (al contrario del motore sincrono, in cui la velocità del rotore è diretta funzione della frequenza di generazione del campo statore). Il motore asincrono è detto anche motore a induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di seguito.

Quando, a causa di una forza esterna, il rotore ha una velocità superiore al campo rotante dello statore il motore asincrono può essere utilizzato come alternatore con o senza l'utilizzo di condensatori a seconda che venga collegato alla rete o no. È utilizzato per piccole potenze, in occorrenze nelle quali si preferisce la facilità d'impiego rispetto al motore sincrono (che richiede l'uso di inverter) anche a discapito del rendimento. Tuttavia il rendimento è in funzione della potenza massima.

Storia

Uno dei primi studiosi a realizzare un motore elettrico sfruttando il campo magnetico rotante fu Galileo Ferraris nel 1885, anche se il sistema era bifase, ma chi brevettò il sistema trifase per un uso pratico a livello industriale fu Nikola Tesla nel 1888. Le intuizioni di Tesla furono poi sfruttate da George Westinghouse, il quale nel 1889 fondò la Westinghouse Electric Corporation, azienda che farà della produzione di motori asincroni trifase una delle sue attività principali. Un altro studioso che arrivò al motore trifase nello stesso periodo fu il tedesco Friedrich August Haselwander nel 1887, ma la sua invenzione fu ostacolata dall'autorità postale.

La struttura

Il motore si compone di una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore. Lo statore è formato da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare. Le scanalature interne al pacco di lamierini statorici accolgono i conduttori (filo di rame smaltato) dell'avvolgimento trifase statorico oppure bifase statorico (in caso di utilizzo di corrente alternata monofase). Il rotore è situato all'interno dello statore ed è costituito da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare, con un foro interno per il passaggio dell'albero di rotazione, e scanalature esterne (cave rotoriche) per accogliere l'avvolgimento rotorico. Tra statore e rotore è presente uno spessore d'aria o dielettrico detto traferro di qualche decimo di millimetro per consentire la libera rotazione del rotore.

Principio di Funzionamento

Il campo magnetico rotante generato in un motore asincrono trifase.

Lo statore contiene in genere un numero pari di avvolgimenti in quanto, normalmente, ce ne sono 2 per ciascuna fase di alimentazione. Un motore a tre fasi, o ''trifase'', avrà quindi come minimo sei avvolgimenti, cioè una coppia di poli per ogni fase, mentre un motore a due fasi avrà tipicamente quattro avvolgimenti .

I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono collegati in serie e disposti fisicamente l'uno di fronte all'altro. Nel caso del motore trifase a sei avvolgimenti le coppie polari presentano uno sfasamento di 120° fisici ed elettrici; viceversa, nel motore bifase le due coppie polari hanno uno sfasamento di 90° fisici ed elettrici. In tutte e due i casi, negli avvolgimenti si verifica il passaggio di correnti che a loro volta producono, a causa degli sfasamenti, un campo magnetico complessivo che ruota nello spazio. Invece il rotore è dotato di un certo numero di fasi di norma chiuse in corto circuito, nei quali per induzione magnetica viene indotto un campo magnetico rotante ad una velocità di rotazione inferiore rispetto a quella del campo di statore.

La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità fissa n_s legata alla frequenza di alimentazione f, detta velocità di sincronismo (50 giri al secondo nel caso di corrente di rete e numero minimo di coppie polari).

Curva di coppia di 4 differenti motori elettrici asincroni:
A) Motore monofase
B) Motore polifasico a singola gabbia di scoiattolo
C) Motore polifasico a singola gabbia di scoiattolo a barre profonde
D) Motore polifasico a doppia gabbia di scoiattolo

Le correnti indotte nel rotore produrranno a loro volta un campo magnetico che ruota a velocità n_s − n_r rispetto al rotore, il quale ruota a velocità n_r rispetto allo statore; il risultato è che il campo di rotore ruota alla velocità n_s rispetto allo statore ed è dunque sincrono con il campo di statore.

Tale condizione di sincronismo tra le due onde di campo magnetico assicura che il motore produca una coppia costante. La situazione in cui n_s=n_r, cioè velocità di rotore uguale a quella di sincronismo, è una condizione limite in cui non vi sono forze elettromotrici (e quindi correnti indotte) e dunque la coppia motrice è zero. Diversamente, la mutua interazione attraverso i relativi campi magnetici tra le correnti di rotore e quelle di statore produce una coppia risultante netta. Quindi, la velocità di rotazione del rotore n_r sarà sempre leggermente minore di quella di sincronismo; la differenza è proporzionale alla coppia resistente del motore in rotazione.

Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza f di alimentazione ed p il numero di coppie polari per fase è espresso dalla relazione:

$n_{s}=60\,{\frac {f}{p}}$

Dove n_s è espressa in rpm (rotazioni per minuto) ed f è espressa in Hertz. Per esempio, nel caso più semplice, un motore a tre fasi con una coppia di poli per fase, alimentato a 50 Hz ha una velocità angolare di sincronismo di 3000 giri al minuto. Nel caso invece di avvolgimenti a 4 poli, quindi 2 coppie per fase (p=2) il motore avrà una velocità angolare di 1500 giri al minuto.

La velocità del rotore in condizioni nominali è sempre minore di un 3-6%; è il fenomeno dello scorrimento (slip) che consente la produzione della coppia. Dalla formula che definisce lo scorrimento è possibile esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore (n_r ):

$s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}$

dove s è lo scorrimento, n_s è la velocità di sincronismo e n_r è la velocità reale alla quale ruota il rotore.

Il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il carico non è mai nullo perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito tra le parti mobili e con l'aria che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo, vincendo questa coppia meccanica.

Gli avvolgimenti statorici sono in genere inglobati in resine che garantiscono un'ottima protezione dall'acqua e dagli agenti atmosferici. Questi motori sono frequentemente alimentati per mezzo di inverter elettronici che possono variarne la velocità variando in modo coordinato la frequenza e la tensione di alimentazione. L'uso di inverter permette di azionare il motore anche a partire da una corrente continua, come avviene nella trazione ferroviaria.

Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo, permettendo di alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di 400 e 230 V. In alcuni grossi motori si preferisce avviare a stella e poi commutare a triangolo, al fine di limitare le correnti di spunto, quando non sono utilizzati gli inverter.

Esistono motori asincroni di potenza usualmente inferiore a 3 kW alimentati anche con tensioni monofase. Tali motori possono essere dotati di ordinari avvolgimenti a due fasi, dove per alimentare la seconda fase si usa il ritardo di tempo introdotto da un condensatore; un tipico esempio è costituito dai motori utilizzati per far girare le pale dei ventilatori o degli asciugacapelli. Per potenze piccolissime si usano i motori in cui la seconda fase è un circuito spazialmente asimmetrico chiuso in corto circuito (motori a "polo shuntato").

I motori asincroni operano normalmente con gli avvolgimenti di rotore chiusi in corto circuito ma il rotore può essere eseguito in costruzioni differenti.

Rotore a gabbia di scoiattolo

Per quanto riguarda la struttura dei circuiti indotti, il tipo più semplice e robusto di rotore si realizza infilando nei canali altrettante sbarre di rame o di alluminio pressofuso, ciascuna delle quali riempie completamente un canale. Le testate delle sbarre che sporgono dal pacco lamellare vengono direttamente collegate fra loro, da una parte e dall'altra, mediante un grosso anello di rame. Il rotore così costruito prende la forma e viene indicato coi nomi di rotore a gabbia di scoiattolo o rotore in corto circuito.

Questi motori devono il loro nome alla somiglianza del rotore alle gabbie usate generalmente da scoiattoli per correre.

Questi motori sono largamente utilizzati nell'industria in quanto affidabili ed economici.

Accorgimenti

Per aumentare la coppia all'avviamento dei motori a gabbia di scoiattolo di grande potenza (non avendo il rotore accessibile come in quelli di tipo avvolto) è possibile utilizzare gabbie differenti:

• a coppa, viene utilizzato meno materiale di supporto per la gabbia di scoiattolo, quest'applicazione serve per ridurre i pesi, ma diminuisce anche la resistenza meccanica e la sua rigidezza.
• rotore a doppia gabbia, viene utilizzata una seconda gabbia, concentrica a quella più esterna e a seconda di come sono progettate queste barre delle due gabbie, si ha un motore più o meno capace di sopportare l'avvio continuo e ripetitivo di carichi elevati, questa tecnologia si distingue anche per il passaggio non sempre lineare dai bassi agli alti regimi (cambiamento del rumore).
• rotore a gabbia profonda, la gabbia di scoiattolo, viene costruita utilizzando delle barre profonde e questo sistema permette d'avere un passaggio fluido dai bassi agli alti regimi.

Rotore avvolto

Questo tipo di motore è costituito da un pacco di corone circolari di lamiere magnetiche scanalato come lo statore. L'avvolgimento viene costruito in maniera identica a quello di statore e i suoi terminali fanno capo a tre anelli coassiali con il rotore. Su questi anelli strisciano delle spazzole fisse collegate ai morsetti rotorici.

Storicamente i morsetti rotorici venivano collegati ad un reostato. Variando la resistenza elettrica del reostato si poteva aumentare la resistenza dei circuiti rotorici spostando la coppia massima verso lo scorrimento unitario (s = 1 ⇒ rotore fermo), in modo da disporre in fase di avvio del motore della coppia di spunto massima disponibile. Questo metodo serve ad avviare motori di medie dimensioni (10-300 kW). Dopo la partenza del motore le resistenze reostatiche vanno staccate dopo aver opportunamente cortocircuitato i circuiti rotorici. In particolare, se le resistenze reostatiche vengono collegate ai circuiti rotorici la curva di coppia si modifica perché la coppia massima si sposta verso lo scorrimento unitario e quindi si ottiene un punto di lavoro a velocità inferiore (uso delle resistenze reostatiche per regolare la velocità).

Attualmente i motori asincroni a rotore avvolto sono applicati convenientemente, insieme ad inverter, in unità motrici o generatrici a velocità variabile in cui l'intervallo di variazione della velocità è piccolo. Il caso più tipico e diffuso è quello dei generatori eolici.

Voci correlate

• Motore monofase
• Motore bifase
• Motore trifase

Altri progetti

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su motore asincrono

Collegamenti esterni

• La regolazione di velocità della macchina asincrona, su barrascarpetta.org.
• Principi e funzionamento del motore asincrono trifase, su ajaxbandieri.com.
• Campo magnetico rotante trifase, su sandroronca.it.
• Stabilità della macchina sincrona - da ElectroYou