Questo articolo illustra il principio di funzionamento dei motori elettrici, comprese le diverse tipologie di motori e alcune applicazioni comuni nella tecnologia moderna.
Argomenti trattati in questa guida
Revisionato dall’ingegnere del supporto tecnico Karl Ralph (novembre 2022)
Che cos’è esattamente un motore elettrico e come funziona?
In parole semplici, un motore elettrico funziona convertendo l’energia elettrica in forza magnetica, che si trasforma poi in movimento meccanico. Il motore produce movimento utilizzando campi magnetici e corrente elettrica.
Esistono molti modi per raggiungere questo obiettivo, ed è per questo che i motori elettrici sono disponibili in diverse forme, dimensioni e design. I motori possono anche essere alimentati in modi diversi. I motori a corrente alternata e a corrente continua tradizionali esistono da molti anni, ma oggi l’elettronica moderna ci permette di controllare i motori con molta più precisione.
Grazie a ciò, i motori moderni possono raggiungere un’elevata efficienza e un migliore controllo delle prestazioni rispetto ai modelli più vecchi.
Panoramica sui motori elettrici
Qual è il principio di funzionamento di un motore elettrico?
Il principio di funzionamento fondamentale di un motore elettrico è l’interazione tra campi magnetici.
Quando una corrente elettrica scorre attraverso un conduttore all’interno di un campo magnetico, si genera una forza. Questa forza fa muovere i componenti rotanti del motore, producendo un movimento meccanico.
In un motore tipico, i componenti principali includono:
- Rotore (la parte rotante)
- Statore (il campo magnetico stazionario)
- Commutatore
- Spazzole
Fonte di alimentazione (solitamente tensione continua negli esempi semplici)
Come funziona un motore elettrico
Nell’esempio del diagramma, i componenti mobili sono il rotore e il commutatore.. Il I magneti permanenti (statore), le spazzole e la batteria rimangono fissi.
Il commutatore è diviso in due segmenti semicircolari collegati alla bobina del rotore. Questi segmenti creano un circuito elettrico tra spazzole e la sorgente di tensione continua.
Il processo di funzionamento del motore può essere descritto nel seguente modo:
- La corrente elettrica fluisce dalla batteria attraverso le spazzole di carbone fino al circuito del rotore.
- Questa corrente genera un campo elettromagnetico attorno al rotore. Il polo nord del rotore è rivolto verso il polo nord del magnete, mentre il polo sud è rivolto verso un altro polo sud.
- Poiché, come i poli magnetici si respingono, si crea una forza repulsiva, spingendo il rotore lontano dal magnete. Ciò fa sì che il rotore inizi a ruotare.
- Quando il rotore ruota oltre il punto di contatto del commutatore, il collegamento elettrico cambia.
- La direzione della corrente che scorre attraverso il rotore viene quindi invertita.
- Questa inversione capovolge anche il campo magnetico del rotore, quindi la repulsione magnetica continua e mantiene il rotore in rotazione.
In questo modo si ottiene un moto rotatorio continuo.
Tipi di motori elettrici
Alcuni motori elettrici funzionano a corrente continua (CC), mentre altri funzionano a corrente alternata (CA). Esistono anche motori controllati da segnali o impulsi tramite controllori elettronici.
I motori sono disponibili in molte dimensioni, potenze e modelli a seconda dell’applicazione.
Le tre principali categorie di motori includono:
Motori AC
- Motori a induzione
- Motori sincroni
- Motori a gabbia di scoiattolo
Motori DC
- motori in derivazione
- Motori in serie
- Motori ad eccitazione separata
Altri tipi di motore
- Motori universali
- motori passo-passo
- Motori senza spazzole
Gli accessori per motori vengono spesso utilizzati per migliorare la durata, la sicurezza e la stabilità operativa del motore.
Motori AC
Come funzionano i motori a corrente alternata?
I motori a corrente alternata funzionano convertendo la corrente alternata in un campo elettromagnetico variabile. Questo campo magnetico alternato produce movimento attraverso diversi meccanismi.
Motori a induzione
Nei motori a induzione, lo statore genera un campo magnetico rotante. Questo campo induce corrente nel rotore, che a sua volta produce un proprio campo magnetico e fa ruotare il rotore.
Motori sincroni
Nei motori sincroni, il rotore ruota esattamente alla stessa velocità del campo magnetico rotante generato dallo statore.
Motori a gabbia di scoiattolo
I motori a gabbia di scoiattolo sono un tipo di motore a induzione. L’avvolgimento del rotore è sostituito da barre conduttrici solide collegate tra loro, formando una struttura che ricorda la forma di una gabbia di scoiattolo.
Il campo magnetico alternato induce correnti all’interno di queste barre, generando un campo magnetico che crea un movimento rotatorio.
Avviatori per motori
I motori di grandi dimensioni solitamente richiedono un avviatore. Un avviatore funziona in modo simile a un sistema a relè.
In genere contiene una serie di contattori che forniscono un’elevata corrente al motore. L’avviatore include anche un pannello di controllo con pulsanti per avviare o arrestare il motore in sicurezza.
Motori DC
I motori a corrente continua (CC) sono tra i tipi di motore più comuni e, in alcune applicazioni, risultano spesso meno costosi rispetto ai sistemi con motori a corrente alternata (CA).
I tipi più comuni di motori a corrente continua includono:
Motori di manovra
In un motore in derivazione, gli avvolgimenti dello statore e del rotore sono collegati in parallelo.
Motori in serie
Nei motori in serie, gli avvolgimenti dello statore e del rotore sono collegati in serie. Questi motori forniscono una coppia di avviamento molto elevata, che li rende adatti ad applicazioni con carichi pesanti come:
- Treno elettrico
- Ascensori
- attrezzature di sollevamento industriali
Separately Excited Motors
I motori ad eccitazione separata sono simili ai motori in derivazione, ma gli avvolgimenti dello statore e del rotore sono alimentati da alimentatori elettrici separati.
Questa configurazione facilita il controllo della velocità e l’inversione di direzione.
Come funzionano i motori dei veicoli elettrici?
I veicoli elettrici (EV) utilizzano in genere batterie a corrente continua (CC) come fonte di alimentazione principale. Tuttavia, il veicolo può utilizzare sia motori a corrente alternata (CA) che motori a corrente continua (CC).
Se l’auto utilizza un motore a corrente alternata, un inverter di bordo converte la corrente continua della batteria in corrente alternata.
Oggi la maggior parte dei veicoli elettrici utilizza motori a induzione a corrente alternata o motori a magneti permanenti.
Quando il veicolo rallenta o affronta una discesa, il motore può funzionare come un generatore e inviare energia alla batteria. Questo processo è chiamato frenata rigenerativa.
Uno svantaggio dei sistemi con motori a corrente alternata è che spesso risultano più complessi e costosi rispetto ai sistemi con motori a corrente continua, che sono più semplici.
Come funzionano i motori dei ventilatori elettrici?
I ventilatori elettrici di grandi dimensioni utilizzano solitamente motori a induzione, mentre i piccoli ventilatori portatili spesso utilizzano motori a corrente continua.
I motori a induzione monofase utilizzati nei ventilatori possono includere un condensatore di avviamento. Il condensatore crea una differenza di fase tra le correnti negli avvolgimenti dello statore.
Questo sfasamento aiuta il motore:
- Inizia più facilmente
- Migliorare l’efficienza
- Controllo della direzione di rotazione
I condensatori sono comunemente utilizzati per migliorare le prestazioni di avviamento e di funzionamento dei motori monofase.
Come funzionano i motori delle biciclette elettriche?
Le biciclette elettriche spesso utilizzano motori a corrente continua senza spazzole con magneti permanenti.
Questi motori sono generalmente trifase, ovvero contengono tre serie di avvolgimenti dello statore.
Il motore è controllato da un sistema elettronico integrato che regola la potenza e la velocità inviando impulsi elettrici al motore.
Altre interessanti applicazioni dei motori elettrici
I motori elettrici sono utilizzati praticamente ovunque nella vita moderna. È difficile immaginare la vita quotidiana senza di essi.
Vengono utilizzati in:
- Lavatrici
- Spazzolini elettrici
- Frigoriferi
- Automobili e biciclette
- Robot
- Dischi rigidi
- Asciugacapelli
- Torni e gru
- Navi e treni
- droni
Anche gli smartphone utilizzano piccoli motori elettrici per creare avvisi di vibrazione. All’interno del telefono, un minuscolo motore fa ruotare un peso sbilanciato, che produce vibrazione quando il telefono squilla.
Motori elettrici negli scooter
I monopattini elettrici di solito contengono almeno un motore a corrente continua senza spazzole (BLDC).
Questi motori sono controllati elettronicamente in modo simile ai motori delle e-bike. Nonostante le dimensioni ridotte e il peso contenuto, sono in grado di offrire una potenza e un’efficienza sorprendentemente elevate.
Conclusione
I motori elettrici sono diventati una parte essenziale della società moderna. Dalle macchine industriali all’elettronica di consumo, i motori svolgono un ruolo chiave in innumerevoli applicazioni.
Con il continuo progresso tecnologico, è probabile che i motori elettrici diventino più efficienti, più compatti e più facili da controllare. Ciò contribuirà a sostenere nuove innovazioni nei trasporti, nella robotica e in molti altri settori.