La divisione classica è tra motori in corrente continua (DC) e in corrente alternata (AC). Tuttavia non è una classificazione estremamente precisa, poiché esistono motori costruttivamente simili ai DC che possono essere alimentati anche in AC, chiamati motori universali. Diverse distinzioni si possono fare in base ad altri riferimenti: per esempio, la distinzione tra motori sincroni (nei quali la frequenza di alimentazione è pari o un multiplo della frequenza di rotazione) e asincroni (in cui le due frequenze sono indipendenti); pertanto di solito le categorie in cui si classifica il motore elettrico sono motore asincrono, motore sincrono o motore in corrente continua

Funzionamento tecnico

Il motore elettrico, così come l'alternatore è composto da:

• Statore
• Rotore

Questi componenti generano un campo magnetico, in alcuni casi anche grazie all'uso di magneti.

STATORE

Statore di un motore in corrente alternata

Lo statore, in una macchina avente parti in movimento, è l'insieme delle parti fisse. Il termine è di uso comune nelle macchine rotanti, quali i motori elettrici, le turbine o altre macchine, in quanto contrapposto al rotore (parte mobile).

Lo statore ha la funzione di sostenere, almeno parzialmente, la macchina. Nelle macchine elettriche, è parte del circuito magnetico insieme al rotore e contiene gli avvolgimenti indotti o induttori installati in apposite cave.

ROTORE

Rotore di un motore elettrico in AC

Il rotore (definito anche come indotto nei motori in corrente alternata), in una macchina avente parti in movimento, è l'insieme delle parti rotanti. Il termine è di uso comune nelle macchine rotanti, quali i motori elettrici, le turbine o altre macchine, in quanto contrapposto allo statore (parte fissa). Il tipo di rotore cambia a seconda del tipo di motore elettrico.

Motori in corrente alternata

L'indotto dei motori monofase, bifase e trifase a seconda del loro tipo di funzionamento possono essere:

• Gabbia di scoiattolo
  Questo tipo di rotore viene utilizzato per il motore asincrono a seconda del tipo d'accorgimenti adoperati, questi possono essere di vari tipi:
  
  - Singola gabbia di scoiattolo; Costituito da una singola gabbia, caratterizzata da barre d'alluminio equidistanti dall'albero motore, collegate in parallelo tra loro.
  
  - A Coppa; Tecnica costruttiva che permette grazie alla riduzione della quantità di metallo per il supporto delle barre della gabbia di scoiattolo limitandone la semplice copertura e fissaggio a un solo lato all'albero motore (conferendone la forma a coppa), di risparmiare peso e inerzia, ma che riduce la resistenza meccanica del rotore.
  
  - Doppia gabbia di scoiattolo; Si differenzia dalla singola gabbia di scoiattolo perché utilizza una gabbia esterna e una più interna, questo accorgimento permette d'avere una migliore coppia ai bassi regimi di rotazione, infatti ai bassi regimi di rotazione il campo magnetico indotto è più vicino all'asse dell'indotto/rotore e utilizzando una gabbia di scoiattolo più piccola, quindi con barre più vicine all'albero motore e con una maggiore resistenza elettrica si riesce a fruttare meglio questo campo magnetico indotto, che porta ad avere correnti indotte nelle gabbie di scoiattolo.
  
  - A barre profonde; Si differenzia dal precedente per via dell'utilizzo di una singola gabbia di scoiattolo, ma che possiede delle barre allungate verso l'asse di rotazione, questo permette d'avere una curva di coppia più lineare rispetto al sistema a doppia gabbia di scoiattolo, la quale è caratterizzata da un passaggio brusco con il cambio d'eccitazione della gabbia.
  
  
   

• Rotore avvolto con collettore ad anelli coassiali
  Questo tipo di rotore viene utilizzato per il motore asincrono per poter regolare la resistenza dei circuiti rotorici tramite la variazione dei reostati che venivano collegati in serie agli avvolgimenti rotorici, aumentando la resistenza si migliora la coppia ai bassi regimi.
   

• A espansioni polari
  Questo tipo di rotore viene utilizzato per il motore sincrono o l'alternatore sincrono e le espansioni polari sono ottenute o tramite:
  
  - Magneti permanenti; in questo caso il motore o alternatore ha un albero motore con tante coppie polari quante sono le coppie polari statoriche, indifferentemente dal tipo di motore (trifase o monofase). Unica eccezione si ha negli alternatori trifase o bifase motociclistici, dove gli alternatori non sono dei veri alternatori trifase o bifase, ma sono tre o due alternatori monofase disposti equidistanti, soggetti a tre o due coppie polari, quindi si hanno tre o due onde sinusali non sfasate.
  
  - Elettromagneti; questi elettromagneti sono alimentati a seconda del motore/alternatore trifase o monofase tramite la rete trifase o monofase e tali espansioni devono essere una per fase e per coppia polare (quindi in caso di alternatore trifase a due poli si hanno tre elettromagneti, in caso di alternatore trifase a quattro poli si hanno sei elettromagneti).

Motori in corrente continua

L'indotto dei motori in corrente continua o universali può essere:

• Magneti permanenti
  Sistema utilizzato dal motore brushless e dal motore passo-passo
   

• Avvolto
  Sistema utilizzato dalla quasi totalità dei motori in corrente continua e dai motori universali, le varie matasse vengono eccitate in un determinato ordine tramite un collettore a spazzole.
  
  Bobinato: tecnica costruttiva che permette di risparmiare peso e inerzia grazie alla riduzione del metallo utilizzato per il supporto delle bobine e vincolarle a un solo lato all'albero motore (conferendone la forma a coppa), ma che riduce la resistenza meccanica del rotore.
  
  Rotore bobinato di un motore elettrico in CC
   

Il rotore può essere disposto in vari modi:

• Interno, questa è la disposizione più comune, in quanto permette una maggiore resistenza della macchina e migliore flessibilità d'utilizzo e sicurezza dell'operatore.
   

• Esterno, questa configurazione viene usata per i alternatori a uso motociclistico, in modo che il rotore funga da volano, mentre negli altri mezzi di trasporto si rimane alla soluzione classica.
   

• Assiale, questa configurazione è caratterizzata da un rotore che è grande quanto lo statore e posti lateralmente l'un l'altro, in modo che il rotore ruoti davanti allo statore.
   

La corrente elettrica passa in un avvolgimento di spire che si trova nel rotore. Questo avvolgimento, composto da fili di rame, crea un campo elettromagnetico al passaggio di corrente. Questo campo elettromagnetico è immerso in un altro campo magnetico creato dallo statore, il quale è caratterizzato dalla presenza di due o più coppie polari (calamite, elettrocalamite, ecc.). Il rotore per induzione elettromagnetica inizia a girare, in quanto il campo magnetico del rotore tende ad allinearsi a quello dello statore analogamente a quanto avviene per l'ago della bussola che si allinea col campo magnetico terrestre. Durante la rotazione il sistema costituito dalle spazzole e dal collettore commuta l'alimentazione elettrica degli avvolgimenti del rotore in modo che il campo magnetico dello statore e quello del rotore non raggiungano mai l'allineamento perfetto, in tal modo si ottiene la continuità della rotazione. Questo motore è alimentato a corrente continua, ma il sistema delle spazzole fa sì che la polarità all'interno degli avvolgimenti del rotore sia alternata durante la rotazione, quindi, tecnicamente, si tratta di un motore in corrente alternata. Durante la trasformazione, una modesta parte dell'energia viene dispersa per l'effetto Joule. Dato il principio di funzionamento, un motore elettrico fa sempre muovere l'albero motore di moto rotatorio; si può ottenere un moto lineare alternato utilizzando un glifo oscillante, componente meccanico che converte appunto il moto rotatorio in rettilineo oscillante.

Tale motore può essere usato anche come generatore elettrico assorbendo energia meccanica, senza subire alcun cambiamento nella sua struttura, permettendo così una sua versatilità molto ampia, che gli permette di passare velocemente e senza accorgimenti esterni rivolti al motore da un funzionamento all'altro.

Motore passo-passo

Motori passo-passo (e dettaglio della struttura interna)

I motori passo-passo, spesso chiamati anche passo, step o stepper, sono considerati la scelta ideale per tutte quelle applicazioni che richiedono precisione nello spostamento angolare e nella velocità di rotazione, quali la robotica, le montature dei telescopi ed i servomeccanismi in generale. Tuttavia ultimamente, per le applicazioni high-end, vengono spesso sostituiti da motori brushless o da attuatori voice-coil.

Vantaggi dei motori passo passo

• Quelli costruiti con tecnologia comune hanno un costo non elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni.

• È possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè senza utilizzare sensori di posizione o di velocità. Sono quindi utilizzabili con relativa semplicità e senza richiedere particolare potenza di calcolo.

• Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica: infatti non esistono contatti elettrici striscianti e, se necessario, possono essere realizzati anche in ambiente completamente stagno.

• È facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione.

• La velocità di rotazione può essere molto bassa anche senza l'uso di riduttori meccanici.

• Hanno molto spesso momento d'inerzia piuttosto basso

• Sono molto stabili nella posizione a rotore bloccato e non presentano pendolamenti come nei sistemi brushless

• Se dimensionati bene non necessitano di alcuna taratura.
   

Difetti dei motori passo passo

• Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale.

• Hanno un funzionamento a scatti e producono vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi e se si adottano le tecniche di pilotaggio più semplici.

• Il loro rendimento energetico dipende dalla tecnologia costruttiva adottata, la potenza meccanica espressa come coppia e misurata in Nm (Newton per metro), a parità di assorbimento in corrente, dipende spesso dal tipo di pilotaggio elettrico/elettronico adottato.

• Permettono una velocità di rotazione massima intorno a 1000-1500 rpm. Esistono tuttavia motori che raggiungono i 4000-5000 rpm tramite sistemi di retroazione ad anello chiuso. La loro caratteristica di coppia tuttavia scende quasi esponenzialmente al crescere della velocità.

• Producono molto calore anche dopo pochi minuti.
   

Motore senza spazzole

Il motore brushless è un motore elettrico a magneti permanenti. A differenza di uno a spazzole, non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull'albero motore per funzionare (da qui il nome). La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti, infatti, non avviene più per via meccanica (tramite i contatti striscianti), ma elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica.Inoltre i motori brushless vengono usati molto spesso nel modellismo dinamico.

Motore in corrente alternata

Questo tipo di motore funziona tramite l'alimentazione in corrente alternata e tra questi ricade anche il motore universale che è un motore in corrente continua adattato tramite avvolgimento statorico alla linea alternata.

Motore sincrono

È un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui lo statore, generalmente trifase, genera un campo magnetico rotante. Nel rotore è presente un campo magnetico (generato da un magnete permanente o un avvolgimento alimentato in continua) che è attirato dal campo magnetico rotante dello statore, generando la coppia motrice.

Funzionamento

L'avviamento di questo tipo di motore è relativamente complesso. A motore fermo, l'applicazione della tensione alternata fa sì che il rotore, per effetto dell'inerzia non abbia il tempo di seguire il campo magnetico rotante, rimanendo fermo. Il motore viene quindi inizialmente portato alla velocità di rotazione per mezzo di un motore asincrono, quindi, dopo avere scollegato quest'ultimo, viene collegata la tensione di alimentazione ed inserito il carico meccanico utilizzatore. Un'altra tecnica di avviamento sfrutta la possibilità di fare funzionare temporaneamente come asincroni motori appositamente realizzati, quindi passare al modo sincrono. Se una volta a regime la rotazione viene frenata o accelerata oltre un certo limite, si innesca una serie di oscillazioni che portano il motore al blocco e possono provocare forti sovracorrenti tali da danneggiare il motore. Per questo motivo va prevista una protezione dalle sovracorrenti, ad esempio con un interruttore magnetotermico di protezione.

Utilizzi

A causa della limitata praticità del motore sincrono, il suo uso con alimentazione diretta dalla rete è limitato a campi di applicazione ove sia richiesta una velocità di rotazione particolarmente precisa e stabile. È invece molto usato per azionare carichi a velocità variabile ove alimentato da convertitore statico (inverter).Esistono anche piccoli motori sincroni ad avvio automatico ed alimentazione monofase utilizzati in meccanismi temporizzatori quali i timer delle lavatrici domestiche e un tempo in alcuni orologi, sfruttando la buona precisione della frequenza della rete elettrica.

Motore asincrono

I motori elettrici più utilizzati sono quelli asincroni trifasi a gabbia di scoiattolo. Possono avere forme e dimensioni differenti a seconda della potenza, della casa costruttrice e dal tipo di applicazione.

Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è "sincrono" con essa; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento.

Nella figura sono riportate le forme costruttive dei motori più comuni

Quando si acquista un motore i dati principali da considerare sono:

• La tensione applicata V (es. trifase 220-380V)

• La potenza del motore espressa in Kw o HP (es. 0,18 - 0,37 - 0,75 Kw)

• Il numero di giri g/m (es. 1400g/m più utilizzato)

• La grandezza GR (es. gr71 - 80 - 90)

• La forma costruttiva (es. B14 - B5 - B3)

• Eventuali applicazioni particolari (es. autofrenante, tropicalizzato, ecc.)
   

Motore lineare

Qualora il raggio del rotore fosse fatto tendere all’infinito, questo diventerebbe una retta (centro del raggio all’infinito) e la macchina assumerebbe una geometria lineare: praticamente lo statore e il rotore vengono come srotolati sul piano. Questo motore è chiamato motore sincrono lineare e trova applicazione sia nella trazione ad alta velocità (treno a levitazione magnetica, JR-Maglev) che nella movimentazione di carichi e di pezzi per applicazioni robotizzate e per la realizzazioni di attuatori lineari. Un motore lineare è un motore elettrico in cui il rotore e lo statore invece di essere circolari sono "srotolati", ed invece di produrre un momento torcente producono una forza lineare.

Motori lineari a bassa accelerazione

l concetto di motore lineare fu sviluppato dal professor Eric Laithwaite dell'Imperial College di Londra. In questo progetto, come in molti motori lineari a bassa accelerazione successivamente realizzati, la forza è prodotta da una serie di elettromagneti che generano un campo magnetico scorrevole, il quale interagisce con elementi conduttori fissi sulla guida. I conduttori possono essere anelli, solenoidi e semplici pezzi di metallo. Il campo magnetico prodotto dall'elettromagnete induce nei conduttori, per effetto della legge di Faraday Neumann Lenz, una corrente elettrica che agisce respingendo il campo inducente. Questo causa una forza che spinge il veicolo in senso opposto a quello di scorrimento del campo magnetico.

Questa tecnica è impiegata in sistemi di trasporto a levitazione magnetica, come i treni maglev installati a shanghai(il primo nato)Vancouver e Toronto (Canada), all'aeroporto JFK di New York e a Kuala Lampur in Malesia. Il sistema è usato anche in alcune Montagne russe ed è stato proposto in esecuzione verticale come ascensore per i pozzi delle miniere.

Motori lineari ad alta accelerazione

Questi motori hanno molte potenziali applicazioni. Sono presi in considerazione per realizzare armi in grado di perforare corazze, poiché con il motore lineare possono essere lanciati piccoli oggetti metallici ad altissima velocità e con grande energia cinetica. Sono anche studiati come motori per la propulsione spaziale, poiché possono espellere massa ad alta velocità. Recentemente i motori lineari ad alta accelerazioni trovano impiego anche in apparecchiature dedicate alla produzione di schede elettroniche, come i sistemi di posizionamento dei componenti (anche definite "Pick & Place") ed i sistemi di collaudo automatico (flying probe o sonde mobili). L'applicazione dei motori lineari in queste apparecchiature consente di ottenere prestazioni, in termini di velocità di spostamento, decisamente superiori a quelle ottenibili con altre tipologie di motori elettrici.

La realizzazione di motori ad alta accelerazione è complessa e la difficoltà principale è data dalla necessità di ottenere una enorme quantità di energia in brevissimo tempo, non fornibile dai comuni generatori elettrici. Per questo scopo sono spesso usati i condensatori, che sono però costosi ed ingombranti. In alternativa vengono usati particolari generatori elettrici detti omopolari in grado di convertire rapidamente l'energia cinetica accumulata in un volano in energia elettrica. Un altro problema è dato dalla necessità di produrre campi magnetici di eccezionale intensità, tale a volte da rendere inutilizzabili i magneti superconduttori. Il problema viene superato con particolari soluzioni tecniche e speciali elettromagneti.

La trazione elettrica

Negli ultimi dieci anni si è assistito al progressivo decadimento dei carrelli a corrente continua (dC), in quanto le polveri create dal consumo delle spazzole, che periodicamente dovevano essere sostituite, tendevano ad intaccare le parti interne del motore. Vengono progressivamente sostituiti dall'apparizione dei motori a corrente alternata (aC), che grazie all'inversione della polarità del rotore rendono le spazzole un elemento inutile. Con tale tecnologia si sono ridotti notevolmente i consumi di energia,grazie a un sistema di recupero di energia, ed anche i costi di manutenzione si sono abbassati causa la mancanza di parti elettriche divenute inutili con tecnologia a/c.

Quando Riparare e Quando Sostituire un Motore Elettrico?

Quand'è meglio sostituire o riparare un motore elettrico ? L'alto costo dovuto al fermo macchine in seguito al guasto di un motore elettrico dovrebbe facilitare la risposta a questa domanda. Comunque se per motori la cui potenza è al di sotto degli undici kilowatt la situazione è chiara non si può dire che lo sia altrettanto per motori di potenze superiori in quanto la riparazione può avere un costo inferiore rispetto alla sostituzione stessa.

In un mondo altamente competitivo nel quale viviamo la priorità non dovrebbe essere tanto l'essere in grado di ripristinare il funzionamento di un macchinario quanto quella di evitarne il fermo. Si dice che prevenire sia meglio che curare e spesso questa frase è detta in merito alla nostra salute ma possiamo dire che è anche valida per i motori elettrici. Un periodico ispezionamento può davvero fornire dati utili su quando e come un motore possa guastarsi. Questo non solo è di aiuto ai responsabili della manutenzione che possono pianificare la sostituzione delle parti soggette a danno o usura secondo una tabella di marcia prestabilita ma consente di evitare di trovarsi in situazioni in cui bisogna ricorrere alla situazione più veloce possibile che in termini economici può essere pesante non permettendo il tempo di valutare altre alternative.

L'ingegnere o l'addetto che si occupa della manutenzione sa bene come i costi derivanti da un fermo macchina termini di mancata produzione possano facilmente uscire fuori di controllo andando così a delineare un danno ben più pesante di quello relativo al motore stesso. Una valida alternativa a cui si ricorre è comprare e tenere a magazzino motori elettrici identici così che il fermo macchine si limita al tempo necessario alla sostituzione. L'attività di monitoraggio riportata prima dovrebbe essere in grado non solo di evitare danni improvvisi che vengono notevolmente ridotti da una manutenzione pianificata ma anche di fornire dati per cui si è in grado di capire per quali ragioni il motore ha cessato di funzionare e si hanno dei dati su cui si può decidere se il tipo di motore usato è adatto o è meglio sostituirlo con un altro.
Un motore può danneggiarsi per diverse cause legate all'ambiente in cui lavora, a come viene alimentato e al carico di lavoro a cui è sottoposto. I cuscinetti stessi sono la ragione di oltre la metà dei danni subiti da un motore. Teniamo conto che per motori la cui potenza varia dagli 11 ai 250 watt la sostituzione, data la loro disponibilità avviene nell'arco di 48 ore con eccezione dei servomotori usati per il posizionamento ad alta precisione. Solitamente motori elettrici la cui potenza è al di sopra dei 250 watt vengono generalmente riparati a motivo dei loro tempi di consegna e la loro riparazione, se il danno è dovuto all'inadeguatezza del motore nella condizione di lavoro richiesta, può essere effettuata sostituendo le parti danneggiate con parti più resistenti.