(1) Struttura di un motore a corrente alternata

La struttura di un motore a corrente alternata è relativamente semplice e consiste principalmente di statore, rotore, cuscinetti e coperchi terminali. È privo di un complesso meccanismo di commutazione, il che rappresenta una delle ragioni principali della sua facilità di manutenzione e del suo basso costo.

Lo statore è la parte fissa, la cui funzione principale è quella di generare un campo magnetico rotante. È costituito da un nucleo statorico e da avvolgimenti statorici. Il nucleo statorico è realizzato in lamierini di acciaio al silicio di spessore compreso tra 0,35 e 0,5 mm, che riducono efficacemente le perdite per correnti parassite e quindi migliorano l’efficienza. Gli avvolgimenti statorici sono costituiti da bobine di filo di rame avvolte all’interno delle cave del nucleo. In un motore a corrente alternata trifase, gli avvolgimenti sono costituiti da tre bobine distanziate di 120 gradi, collegate in configurazione a triangolo o a stella. Quando viene applicata una corrente alternata trifase, queste bobine si combinano per formare un campo magnetico rotante, che rappresenta la forza motrice principale per la rotazione del rotore.

Il rotore è la parte rotante, la cui funzione principale è quella di generare coppia sotto l’influenza del campo magnetico rotante. Il rotore di un motore a induzione ha una forma a gabbia di scoiattolo, con barre di rame o alluminio incorporate nel nucleo del rotore. Le sue due estremità sono cortocircuitate da anelli terminali. Le sue caratteristiche includono una struttura robusta e resistenza ai danni, che è una delle ragioni principali della sua ampia applicazione. Il rotore di un motore sincrono è costituito da poli magnetici sporgenti avvolti da bobine. Richiede una corrente continua fornita da un eccitatore per ruotare in modo sincrono con il campo magnetico rotante dello statore.

I cuscinetti supportano l’albero del rotore e riducono l’attrito. I coperchi terminali fissano lo statore e sigillano l’interno del motore. Nel complesso, i motori a corrente alternata hanno una struttura semplice, nessuna parte facilmente danneggiabile, una lunga durata e sono facili da manutenere.

(2) Struttura dei motori a corrente continua

I motori a corrente continua hanno una struttura più complessa. Oltre allo statore e al rotore, i componenti principali includono un collettore e delle spazzole. Questo è fondamentale per la regolazione precisa della velocità ed è anche la ragione principale degli elevati costi di manutenzione.

Lo statore di un motore a corrente continua genera un campo magnetico principale costante ed è costituito dai poli magnetici principali, dagli avvolgimenti di eccitazione e da un telaio. I poli magnetici principali, composti dal nucleo di ferro e dagli avvolgimenti di eccitazione, generano un campo magnetico costante quando viene applicata una corrente continua. Il telaio fa parte del circuito magnetico principale e fornisce anche supporto meccanico. A differenza dei motori a corrente alternata, i motori a corrente continua hanno un campo magnetico dello statore costante e non rotante, che rappresenta la differenza strutturale fondamentale tra i due.

Il rotore di un motore a corrente continua, detto anche indotto, è costituito da un nucleo di indotto, dagli avvolgimenti di indotto e da un albero. Il nucleo di indotto è anch’esso realizzato con lamierini di acciaio al silicio, con fili di rame avvolti nelle cave per formare gli avvolgimenti di indotto. Quando l’indotto ruota in un campo magnetico costante, gli avvolgimenti tagliano le linee di campo magnetico, generando una forza elettromotrice indotta e una corrente, che a sua volta produce una coppia elettromagnetica per azionare il rotore.

Il collettore è fissato all’albero del rotore ed è costituito da segmenti di collettore reciprocamente isolati, ciascuno collegato a entrambe le estremità dell’avvolgimento dell’indotto. Le spazzole sono fissate allo statore e scorrono a contatto con il collettore, occupandosi dell’introduzione e dell’estrazione della corrente continua. Poiché la direzione della corrente continua è fissa, la direzione in cui gli avvolgimenti intersecano le linee del campo magnetico cambia con la rotazione dell’indotto, e di conseguenza cambia anche la direzione della corrente indotta. La cooperazione tra collettore e spazzole permette di invertire rapidamente la direzione della corrente dell’avvolgimento dell’indotto, garantendo una rotazione unidirezionale continua del rotore.

Anche i collettori e le spazzole rappresentano punti deboli nei motori a corrente continua: il contatto di scorrimento tra le spazzole e il collettore provoca usura, rendendo necessaria una sostituzione periodica, e genera inoltre scintille e rumore, compromettendo la durata di vita utile e interferendo con le apparecchiature elettroniche circostanti. I motori a corrente continua senza spazzole, eliminando questi due componenti, risolvono questo problema e stanno trovando sempre più applicazione.

3. Differenze nei principi di funzionamento tra motori a corrente alternata e motori a corrente continua

La struttura determina il principio e il principio determina le prestazioni. Entrambi si basano sulla legge dell’induzione elettromagnetica, ma a causa delle differenze nell’alimentazione e nella struttura, i loro processi di funzionamento sono fondamentalmente diversi. Pertanto, non è necessario addentrarsi in formule complesse; possiamo comprenderli direttamente attraverso metodi intuitivi.

(1) Principio di funzionamento dei motori a corrente alternata

Il principio fondamentale dei motori a corrente alternata è “un campo magnetico rotante che fa ruotare il rotore”. Che si tratti di motori sincroni o a induzione, tutti si basano sul campo magnetico rotante generato dallo statore per azionare il rotore. Prendiamo come esempio il motore a induzione trifase, il più comune, poiché il suo principio di funzionamento è il più rappresentativo.

Quando una corrente alternata trifase viene applicata agli avvolgimenti dello statore, a causa della differenza di fase di 120 gradi tra le tre fasi, ogni bobina genera un campo magnetico alternato che, sovrapponendosi, forma un campo magnetico rotante. La velocità di rotazione del campo magnetico rotante è detta velocità sincrona e si calcola utilizzando la formula n = 60f/p (dove f è la frequenza di alimentazione e p è il numero di coppie di poli). Ad esempio, un motore a induzione trifase con alimentazione di rete a 50 Hz e 4 poli ha una velocità sincrona di 1500 giri/min.

Il campo magnetico rotante taglia i conduttori dell’avvolgimento del rotore. Secondo la legge dell’induzione elettromagnetica, i conduttori generano una forza elettromotrice indotta e una corrente. Il conduttore percorso da corrente subisce una forza elettromagnetica nel campo magnetico, creando una coppia che fa ruotare il rotore. È fondamentale notare che la velocità di rotazione del rotore di un motore a induzione è sempre inferiore alla velocità sincrona; questa differenza è chiamata slittamento. È proprio grazie allo slittamento che il rotore può tagliare continuamente le linee di campo magnetico, motivo per cui viene anche chiamato motore asincrono.

Il campo magnetico rotante taglia i conduttori dell’avvolgimento del rotore. Secondo la legge dell’induzione elettromagnetica, i conduttori generano una forza elettromotrice indotta e una corrente. Il conduttore percorso da corrente subisce una forza elettromagnetica nel campo magnetico, creando una coppia che fa ruotare il rotore. È fondamentale notare che la velocità di rotazione del rotore di un motore a induzione è sempre inferiore alla velocità sincrona; questa differenza è chiamata slittamento. È proprio grazie allo slittamento che il rotore può tagliare continuamente le linee di campo magnetico, motivo per cui viene anche chiamato motore asincrono.

(2) Principio di funzionamento dei motori a corrente continua

Il principio fondamentale di un motore a corrente continua è “la rotazione di un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico costante”. Grazie alla cooperazione del commutatore e delle spazzole, si garantisce la rotazione unidirezionale continua del rotore. Prendendo come esempio un motore a corrente continua ad eccitazione separata, in cui l’avvolgimento di campo e l’avvolgimento di armatura sono alimentati separatamente, questo principio risulta particolarmente rappresentativo.

Innanzitutto, una corrente continua viene fornita all’avvolgimento di campo del rotore, generando un campo magnetico principale costante. Successivamente, una corrente continua viene fornita all’avvolgimento dell’indotto del rotore. Il conduttore dell’indotto si trova in un campo magnetico costante e, secondo la regola della mano sinistra, subisce una forza elettromagnetica che genera una coppia elettromagnetica che fa ruotare l’indotto.

Quando l’indotto ruota di un certo angolo, il conduttore ruota in direzione opposta al campo magnetico e anche la direzione della forza elettromagnetica cambia. Senza un commutatore, il rotore invertirebbe la direzione di rotazione. In questo caso, il commutatore ruota con il rotore, mentre le spazzole rimangono ferme. Attraverso la commutazione, la direzione della corrente nell’avvolgimento dell’indotto viene invertita tempestivamente, garantendo che la direzione della forza elettromagnetica rimanga invariata e che il rotore continui a ruotare in una direzione.

Questo principio permette ai motori a corrente continua di regolare la velocità con precisione. La semplice variazione della tensione o della corrente di armatura consente una regolazione flessibile della velocità, con risposta rapida ed elevata coppia di avviamento: questi sono i suoi principali vantaggi. I motori brushless a corrente continua combinano i vantaggi di entrambi. Gli avvolgimenti dello statore sono alimentati da corrente alternata convertita da un inverter per generare un campo magnetico rotante. Il rotore, essendo un magnete permanente, non richiede alimentazione, con conseguente assenza di usura, scintille e una durata e una manutenzione notevolmente migliorate.

4. Confronto delle caratteristiche prestazionali dei motori a corrente alternata e a corrente continua

Le caratteristiche prestazionali dei due tipi di motore sono complementari: i motori a corrente alternata eccellono nella semplicità strutturale, nella facilità di manutenzione e nel basso costo; i motori a corrente continua eccellono nel controllo preciso della velocità, nella risposta rapida e nell’elevata coppia di spunto. Un confronto nei seguenti aspetti renderà più chiara la differenza.

(1) Prestazioni del controllo della velocità

Il principale vantaggio dei motori a corrente continua è rappresentato dalla capacità di regolare la velocità. I ​​motori a corrente continua tradizionali consentono un controllo preciso e ad ampio raggio della velocità semplicemente modificando la tensione di armatura o la corrente di eccitazione. Il processo è fluido, la risposta rapida e l’errore di velocità ridotto, caratteristiche che li rendono adatti a macchine utensili di precisione, robot e altre apparecchiature.

I motori a corrente alternata (AC) presentano prestazioni di controllo della velocità relativamente scarse. La velocità dei motori a induzione tradizionali è determinata principalmente dalla frequenza di alimentazione e dal numero di coppie di poli, il che richiede dispositivi complessi per il controllo della velocità. Sebbene tecnologie successive come il controllo vettoriale abbiano migliorato la precisione del controllo della velocità, la loro flessibilità e velocità di risposta sono ancora inferiori a quelle dei motori a corrente continua (DC). Tuttavia, per applicazioni come ventilatori e ventilatori elettrici, dove non è richiesto un controllo preciso della velocità, risultano perfettamente adeguati.

(2) Prestazioni di avviamento

I motori a corrente continua (CC) offrono un’elevata coppia di spunto, una bassa corrente di spunto e un avviamento graduale, caratteristiche che li rendono adatti ad apparecchiature che richiedono un’elevata potenza di spunto, come gru e ascensori. Sono in grado di superare facilmente la resistenza del carico senza impatti significativi, proteggendo le apparecchiature.

I motori a corrente alternata hanno una coppia di spunto bassa e una corrente di spunto elevata, il che può facilmente sovraccaricare la rete elettrica e comprometterne la durata. I motori a corrente alternata di elevata potenza richiedono un avviamento stella-triangolo o l’utilizzo di avviatori statici per ridurre la corrente, mentre i motori di bassa potenza possono essere avviati direttamente.

(3) Costi di manutenzione e durata di servizio

I motori a corrente alternata non hanno collettori né spazzole. La loro struttura è semplice, senza parti facilmente danneggiabili. Per un funzionamento normale è sufficiente controllare regolarmente i cuscinetti e pulirli dalla polvere. La loro durata utile supera i 10 anni e la manutenzione è semplice, anche per i non esperti.

I motori a corrente continua tradizionali sono dotati di collettore e spazzole. L’usura delle spazzole richiede una sostituzione periodica, mentre il collettore è soggetto a scintille e usura. La manutenzione richiede personale specializzato, con conseguenti costi elevati e una durata di circa 5-8 anni. I motori a corrente continua senza spazzole eliminano questi due componenti, rendendo i costi di manutenzione e la durata paragonabili a quelli dei motori a corrente alternata.

(4) Efficienza e consumo energetico

I motori a corrente alternata sono altamente efficienti e a basso consumo energetico. I motori a induzione trifase hanno un’efficienza compresa tra l’85% e il 95% e il loro consumo energetico è stabile a pieno carico, il che li rende adatti ad apparecchiature come ventilatori industriali e nastri trasportatori che funzionano ininterrottamente per lunghi periodi, consentendo così un notevole risparmio energetico.

I motori a corrente continua tradizionali hanno un’efficienza del 75%-85%, ma il loro consumo energetico aumenta significativamente con carichi leggeri, rendendoli inadatti al funzionamento continuo a lungo termine. I motori brushless a corrente continua hanno un’efficienza simile a quella dei motori a corrente alternata e il loro consumo energetico è addirittura inferiore quando si regola la velocità, il che li rende ampiamente utilizzati in scenari in cui il risparmio energetico è fondamentale, come nei veicoli a energia alternativa e nei droni.

(5) Costo

I motori a corrente alternata hanno una struttura semplice, un numero ridotto di componenti e processi produttivi consolidati, il che si traduce in costi di produzione e di esercizio inferiori. I motori a corrente alternata trifase, in particolare, sono convenienti e rappresentano la scelta preferita sia in ambito industriale che nella vita quotidiana.

I motori a corrente continua sono più costosi. I motori a corrente continua tradizionali hanno strutture complesse, sono difficili da produrre e comportano elevati costi di produzione e manutenzione. I motori a corrente continua senza spazzole richiedono inverter, il che li rende ancora più costosi, ma il loro costo sta gradualmente diminuendo grazie ai progressi tecnologici.

5. Confronto tra scenari applicativi di motori a corrente alternata e motori a corrente continua

In base alle caratteristiche prestazionali dell’alimentazione CA e CC, possiamo distinguere chiaramente i rispettivi scenari di applicazione: per le applicazioni che non richiedono un controllo preciso della velocità e che privilegiano bassi costi e alta affidabilità, si scelgono i motori CA; per le applicazioni che richiedono un controllo preciso della velocità, una risposta rapida e un’elevata coppia di avviamento, si scelgono i motori CC (o motori CC brushless), come descritto in dettaglio di seguito.