Motore asincrono

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 statorico). Il motore asincrono è detto anche motore a induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di seguito.

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

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 generatore asincrono 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 (o di un sistema di eccitazione del campo rotorico) anche a discapito del rendimento. Tuttavia il rendimento è in funzione della potenza massima e diminuisce all'aumentare del numero di poli, generalmente per i motori trifase va da 0,67 fino a 0,97 per i motori più grandi.

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 statorico, che può essere trifase oppure bifase (a seconda del tipo di corrente alternata di alimentazione). Il rotore è situato all'interno dello statore ed è costituito da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare. Esso presenta un foro interno per il passaggio dell'albero di rotazione, e scanalature esterne (cave rotoriche) per accogliere l'avvolgimento rotorico. Quest'ultimo può essere di due tipi:

• rotore avvolto (detto anche ad anelli);
• rotore a gabbia di scoiattolo (detto anche in cortocircuito).

Tra statore e rotore è lasciato un piccolo spazio detto traferro, per consentire la libera rotazione del rotore. Questo sottile spessore d'aria (che funge da dielettrico) è di qualche decimo di millimetro o comunque quanto più piccolo consentito dalle tolleranze meccaniche. Gli avvolgimenti statorici sono in genere inglobati in resine, che garantiscono anche un'ottima protezione dall'acqua e dagli agenti atmosferici.

Lo statore contiene in genere un numero pari di avvolgimenti in quanto, normalmente, ce ne sono due 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; invece, nel motore bifase le due coppie polari hanno uno sfasamento di 90° fisici ed elettrici.

Principio di funzionamento

Il campo magnetico rotante generato in un motore asincrono trifase

L'avvolgimento statorico è alimentato con una corrente alternata; grazie alla disposizione delle coppie polari, sfasate tra loro, la corrente genera un campo magnetico complessivo che ruota nello spazio con la stessa frequenza della corrente di alimentazione (campo magnetico rotante), chiamato campo di statore. L'avvolgimento del rotore (dotato di un certo numero di fasi, di norma chiuse in corto circuito), è immerso in questo campo magnetico rotante. Dato che il rotore gira più lentamente del campo di statore (vedi scorrimento), il flusso magnetico sotteso dall'avvolgimento di rotore varia; di conseguenza, il campo magnetico rotante induce delle correnti nel rotore per induzione magnetica (legge di Faraday). Queste correnti indotte, a loro volta, generano un campo magnetico rotorico, che si oppone alle variazioni di flusso; esso interagisce con il campo statorico, generando una coppia sull'avvolgimento rotorico che fa ruotare il rotore. Infatti, in accordo alla legge di Lenz, il campo magnetico indotto nel rotore ha sempre verso opposto rispetto a quello statorico.

Scorrimento: si noti la diversa velocità di rotazione tra il campo magnetico statorico (linee di campo nere) e il rotore.

La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità fissa n_s detta velocità di sincronismo e legata alla frequenza di alimentazione f (50 Hz, ovvero 50 giri al secondo, nel caso di corrente di rete in Europa e con motore con 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 n_s, frequenza f di alimentazione e il numero p di poli (oppure p_c di coppie polari per fase) è espresso dalla relazione:

$n_{s}=\,{\frac {120f}{p}}=\,{\frac {60f}{p_{c}}}$

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 2 coppie per fase (p_c=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.

Questi motori sono frequentemente alimentati per mezzo di inverter elettronici che possono controllare la velocità di rotazione del motore, 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 un condensatore che fornisce una corrente in anticipo rispetto alla fase di linea;

un tipico esempio è costituito dai motori utilizzati per far girare le pale dei ventilatori domestici 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, inoltre permette di ridurre le correnti assorbite allo spunto. 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

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• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su motore asincrono

Collegamenti esterni

• (EN) Motore asincrono, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• How does an Induction Motor work?, su YouTube.com.
• La regolazione di velocità della macchina asincrona, su barrascarpetta.org.
• Principi e funzionamento del motore asincrono trifase, su ajaxbandieri.com. URL consultato l'8 ottobre 2022 (archiviato dall'url originale il 17 ottobre 2014).
• Campo magnetico rotante trifase, su sandroronca.it.
• Stabilità della macchina sincrona - da ElectroYou