Motori a induzione elettromagnetica e motori CA: come funzionano

I motori elettrici sono tra le invenzioni più importanti nella storia dell’ingegneria e il principio che ne fa funzionare la maggior parte, l’induzione elettromagnetica, è stato stabilito quasi due secoli fa. Oggi, lo stesso principio alimenta qualsiasi cosa, dai compressori industriali alle biciclette elettriche. Comprendere cosa sono i motori CA, come li guida l'induzione elettromagnetica e come la tecnologia si è evoluta nei motori brushless utilizzati nella moderna mobilità elettrica fornisce un quadro completo di una delle idee più durevoli e adattabili dell'ingegneria.

Cos'è un motore CA?

Un motore CA è un motore elettrico che converte l'energia elettrica della corrente alternata (CA) in energia di rotazione meccanica. A differenza dei motori a corrente continua (CC), che funzionano con una corrente che scorre in una direzione, i motori CA funzionano con una corrente che periodicamente inverte la direzione, in genere a 50 o 60 volte al secondo a seconda della frequenza della rete elettrica della regione.

Ogni motore CA è costituito da due componenti meccanici principali. Il statore è l'assemblaggio esterno stazionario, formato da un anello di bobine elettromagnetiche avvolte in un nucleo di acciaio laminato. Quando la corrente alternata scorre attraverso gli avvolgimenti dello statore, questi producono un campo magnetico. Il rotore è il gruppo interno rotante, posizionato all'interno della cavità cilindrica dello statore. L'interazione tra il campo magnetico dello statore e il rotore, ottenuta tramite induzione elettromagnetica, magneti permanenti o eccitazione esterna a seconda del tipo di motore, genera la coppia che aziona l'albero di uscita.

I motori CA si dividono in due categorie operative fondamentali: motori a induzione (asincroni) e motori sincroni. I motori a induzione sono di gran lunga il tipo più comune nelle applicazioni industriali e commerciali e rappresentano la stragrande maggioranza dei motori in uso in tutto il mondo.

Il principio dell'induzione elettromagnetica

L'induzione elettromagnetica è il fondamento del modo in cui i motori a induzione generano coppia senza alcun collegamento elettrico al rotore. Il principio, stabilito da Michael Faraday nel 1831, afferma che un campo magnetico variabile che passa attraverso un conduttore induce una corrente elettrica in quel conduttore. Questa corrente indotta, a sua volta, produce il proprio campo magnetico.

In un motore a induzione, gli avvolgimenti alimentati in corrente alternata dello statore creano un campo magnetico che ruota continuamente attorno al foro dello statore. Questo campo rotante passa attraverso i conduttori del rotore, inducendo al loro interno una corrente secondo la legge di Faraday. Quella corrente indotta genera un campo magnetico secondario nel rotore. Secondo la legge di Lenz, questo campo secondario si oppone al cambiamento che lo ha creato, ovvero cerca di eliminare il movimento relativo tra il campo statorico rotante e il rotore stazionario facendo ruotare il rotore nella stessa direzione del campo statorico.

Il risultato: il rotore gira, seguendo il campo magnetico rotante, senza alcun collegamento elettrico fisico tra statore e rotore. Nessuna spazzola, nessun anello collettore sul lato del rotore, nessun commutatore: il trasferimento di energia avviene interamente attraverso il campo magnetico variabile attraverso il traferro. Ecco perché i motori a induzione sono così meccanicamente semplici, robusti e longevi rispetto ai motori a spazzole: non ci sono componenti di contatto sul rotore soggetti ad usura.

Come viene creato un campo magnetico rotante

Il campo magnetico rotante è il meccanismo chiave che guida l’induzione elettromagnetica in un motore CA ed è una proprietà emergente dell’alimentazione CA trifase. In un sistema trifase, tre tensioni CA separate vengono fornite simultaneamente a tre serie di avvolgimenti dello statore, ciascuna coppia di avvolgimenti fisicamente sfalsata dalle altre di 120 gradi attorno al foro dello statore. Le tre tensioni sono inoltre sfasate elettricamente di 120 gradi, il che significa che raggiungono i loro valori di picco in momenti diversi di ogni ciclo.

Quando ciascuna fase raggiunge il suo picco, gli elettromagneti energizzati da quella fase diventano più forti, attirando il campo magnetico effettivo dello statore verso quel gruppo di poli. Man mano che il ciclo avanza e la fase successiva raggiunge il picco, il campo si sposta sul successivo gruppo di poli, 120 gradi attorno allo statore. L'effetto netto di tre serie di elettromagneti che raggiungono il picco in sequenza, distanziati equamente attorno alla circonferenza, è un campo magnetico che sembra ruotare dolcemente attorno allo statore ad una velocità determinata dalla frequenza di alimentazione e dal numero di poli magnetici nell'avvolgimento dello statore.

Questa velocità sincrona in giri al minuto è data da: Ns = (120 × f) / P , dove f è la frequenza di alimentazione in Hz e P è il numero di poli. Un motore bipolare alimentato a 50 Hz ruota ad una velocità sincrona di 3.000 giri al minuto; un motore a quattro poli sulla stessa alimentazione ruota a 1.500 giri al minuto. Anche i motori monofase possono produrre un campo rotante, ma richiedono avvolgimenti o condensatori di avviamento ausiliari perché un'alimentazione monofase da sola produce un campo pulsante anziché rotante.

Il rotore e lo slittamento della gabbia di scoiattolo

La struttura del rotore più comune nei motori a induzione CA è il rotore a gabbia di scoiattolo, chiamato così per la sua somiglianza con la ruota per esercizi utilizzata dai piccoli animali. È costituito da una serie di barre conduttrici in alluminio o rame incastrate in fessure in un nucleo di ferro laminato, con le barre cortocircuitate ad entrambe le estremità mediante anelli terminali conduttori. Non ci sono avvolgimenti, isolamento e collegamenti elettrici esterni: il rotore è meccanicamente semplice da produrre e praticamente indistruttibile in normali condizioni operative.

Quando il campo magnetico rotante proveniente dallo statore attraversa queste barre conduttrici, induce correnti che fluiscono attraverso le barre e attorno agli anelli terminali. Queste correnti circolanti producono il campo magnetico del rotore, che interagisce con il campo dello statore per generare coppia. La corrente indotta, e quindi la coppia, dipende dalla velocità con cui il campo dello statore attraversa le barre del rotore. Se il rotore dovesse raggiungere esattamente la stessa velocità del campo rotante dello statore (velocità sincrona), non ci sarebbe movimento relativo, nessun taglio del campo, nessuna corrente indotta e nessuna coppia. Il rotore quindi gira sempre leggermente più lentamente della velocità sincrona.

Questa differenza di velocità si chiama scivolare , espresso come percentuale della velocità sincrona. In assenza di carico, lo scorrimento è molto piccolo, in genere dallo 0,5% all'1%. A pieno carico nominale, lo scorrimento aumenta dal 3% all'8% circa, a seconda del design del motore. Lo scivolamento non è una carenza; è il meccanismo necessario mediante il quale un motore a induzione genera coppia. Senza scorrimento non c'è induzione elettromagnetica e senza induzione elettromagnetica non c'è coppia.

Motori a induzione e motori sincroni

I motori sincroni rappresentano l'altro ramo principale della progettazione dei motori CA. Laddove il rotore di un motore a induzione è azionato interamente da correnti indotte elettromagneticamente, il rotore di un motore sincrono è dotato di magneti permanenti o elettromagneti eccitati separatamente che bloccano il rotore esattamente alla velocità del campo rotante dello statore, con scorrimento zero.

I motori sincroni vengono utilizzati laddove è richiesta una velocità precisa e costante indipendentemente dalla variazione del carico: negli orologi, nei generatori di segnali e negli azionamenti di posizionamento ad alta precisione. I motori a induzione dominano le applicazioni industriali e commerciali generali grazie al loro costo inferiore, alla maggiore robustezza e alla capacità di autoavviamento nelle configurazioni trifase.

Motori a induzione monofase e trifase

I motori a induzione trifase sono autoavvianti: l'alimentazione trifase produce naturalmente un campo magnetico rotante, che inizia immediatamente a indurre coppia nel rotore a gabbia di scoiattolo non appena viene applicata l'alimentazione. Sono più efficienti, producono un fattore di potenza più elevato e vengono utilizzati praticamente in tutte le applicazioni di motori industriali, dalle piccole pompe agli azionamenti multi-megawatt.

I motori a induzione monofase rappresentano una sfida fondamentale: un'alimentazione CA monofase produce un campo magnetico pulsante, non rotante. Un campo pulsante può sostenere la rotazione ma non può avviarla: il motore non ha una direzione di rotazione preferita e una coppia di avviamento netta pari a zero quando è fermo. Diverse strategie di progettazione affrontano questo problema, ciascuna producendo una variante motoria distinta.

Dall'induzione CA alla CC senza spazzole: l'evoluzione moderna

Il motore DC senza spazzole (BLDC), ora il tipo di motore dominante nelle biciclette elettriche, negli scooter elettrici, nei droni e negli azionamenti ausiliari dei veicoli elettrici, non è un motore a induzione AC nel senso tradizionale. Invece di fare affidamento sulle correnti del rotore indotte elettromagneticamente, un motore BLDC utilizza magneti permanenti sul rotore e una commutazione di corrente controllata elettronicamente nello statore per produrre la rotazione. Sotto questo aspetto assomiglia più a un motore sincrono che a un motore a induzione.

Il collegamento ai principi del motore CA risiede nello statore: lo statore di un motore BLDC produce un campo magnetico rotante attraverso la commutazione temporizzata con precisione della corrente CC attraverso i suoi avvolgimenti, un effetto funzionalmente equivalente a quello che la CA trifase ottiene attraverso la variazione di corrente sinusoidale. Il controller del motore esegue la commutazione elettronica che sostituisce le spazzole di un tradizionale motore CC, utilizzando il feedback della posizione del rotore (da sensori ad effetto Hall o rilevamento back-EMF) per energizzare gli avvolgimenti dello statore corretti in ogni momento del ciclo di rotazione.

Il risultato è un motore che combina il funzionamento sincrono e l'elevata efficienza di un motore sincrono a magneti permanenti con la controllabilità e la compattezza richieste dalle applicazioni alimentate a batteria. I motori BLDC eliminano l'usura delle spazzole che limita la durata dei tradizionali motori DC, funzionano in modo efficiente in un'ampia gamma di velocità e producono un'elevata densità di coppia in un pacchetto compatto, rendendoli la base ingegneristica della moderna mobilità elettrica.

Applicazioni nella moderna mobilità elettrica

I principi dell'induzione elettromagnetica e dei campi magnetici rotanti, sviluppati nel diciannovesimo secolo, sono direttamente incorporati nei motori che alimentano le biciclette elettriche e i veicoli elettrici leggeri di oggi, anche se nella loro moderna forma a magnete permanente senza spazzole. Due distinte configurazioni del motore dominano questo mercato, ciascuna con caratteristiche prestazionali diverse adatte a diversi stili ed esigenze di guida.

Motori del mozzo integrano il motore direttamente nel mozzo della ruota, anteriore o posteriore, con lo statore fissato all'asse e il rotore che forma il guscio esterno che aziona la ruota. L'interazione elettromagnetica tra gli avvolgimenti statorici fissi e il rotore rotante a magnete permanente fa girare direttamente la ruota, senza catena di trasmissione della potenza meccanica tra motore e ruota. Questa semplicità rende i motori del mozzo di facile manutenzione e silenziosi. Motori del mozzo for electric bicycles and light electric vehicles sono adatti per applicazioni per pendolari, merci e tempo libero in cui l'installazione semplice e la manutenzione ridotta sono priorità.

Motori a trazione centrale posizionare il motore sul movimento centrale della bicicletta, azionando direttamente la pedivella e la catena anziché la ruota. Questa disposizione consente al ciclista di utilizzare il sistema di ingranaggi esistente della bicicletta per moltiplicare la coppia del motore, rendendo i sistemi a trazione centrale significativamente più efficienti su terreni collinari e meglio adattati a condizioni di carico variabile. Motori a trazione centrale for high-performance electric bikes offrono la coppia e la versatilità del terreno richieste dalle e-bike da montagna, dalle bici da carico e dalle applicazioni per pendolari ad alte prestazioni.

In entrambe le configurazioni, il motore non può funzionare in modo efficace senza un controller motore abbinato. Il controller esegue la commutazione elettronica che sostituisce le spazzole meccaniche, gestisce l'erogazione di corrente agli avvolgimenti dello statore in base al feedback della posizione del rotore e traduce l'input del ciclista (acceleratore, livello di pedalata assistita) in una precisa erogazione di coppia. Controller per motori DC brushless per sistemi hub e mid-drive sono progettati per adattarsi a specifiche configurazioni di avvolgimenti del motore, intervalli di tensione e protocolli di comunicazione. Per ingegneri e integratori che costruiscono sistemi di azionamento completi, il guida all'abbinamento del controller e del motore fornisce il quadro di corrispondenza delle specifiche necessario per selezionare combinazioni di controller e motore compatibili per una determinata piattaforma di veicolo e obiettivo di prestazioni.