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Motori elettrici

Motori elettrici

I motori elettrici sono presenti in molti ambiti della nostra vita quotidiana.

Fisica

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Scene

Interazione tra corrente elettrica e campo magnetico

  • filo conduttore
  • linee di induzione magnetica - Linee immaginarie utilizzate per illustrare la struttura dei campi magnetici. La loro densità indica la grandezza dell'induzione del campo magnetico, mentre la loro direzione indica la direzione della corrente indotta.

Tutti i motori elettrici utilizzano l'effetto magnetico della corrente elettrica.
Quando la corrente scorre in un filo, viene prodotto un campo magnetico attorno a quel filo. Il campo magnetico ha lo stesso effetto su un magnete permanente che avrebbe un altro magnete permanente, ma questo campo ha il vantaggio di essere regolabile.
La forza del campo magnetico generato dipende dall'intensità della corrente che scorre nel filo e dalla distanza da esso, mentre la sua direzione dipende dalla direzione della corrente.

Filo piegato

  • filo conduttore
  • linee di induzione magnetica - Linee immaginarie utilizzate per illustrare la struttura dei campi magnetici. La loro densità indica la grandezza dell'induzione del campo magnetico, mentre la loro direzione indica la direzione della corrente indotta.

La bobina come elettromagnete

  • filo conduttore - La forza del campo magnetico può essere controllata regolando la forza della corrente elettrica che scorre nel filo.
  • linee di induzione magnetica - Diventano concentrate all'interno dei anelli formati da un filo conduttore, pertanto il campo magnetico sarà più forte in tali punti.
  • nucleo di ferro - La forza del campo magnetico è influenzata dalla composizione del materiale del nucleo della bobina.

Il campo magnetico prodotto dalla corrente elettrica può essere rafforzato formando un anello nel filo, in questo modo le linee del campo magnetico diventano più concentrate all'interno del circuito. Il campo magnetico può essere ulteriormente rafforzato formando un numero di anelli di filo metallico, vale a dire formando una bobina, e avvolgendola attorno ad un'asta fatta di materiale magnetizzabile, ad esempio un nucleo di ferro. La bobina così realizzata è un elettromagnete, che si trova in tutti i motori elettrici.

Induzione

  • bobina
  • magnete in movimento
  • amperometro

La corrente elettrica può indurre un campo magnetico, ma anche un campo magnetico può indurre corrente elettrica. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica.

La corrente elettrica può essere indotta solo da un campo magnetico variabile. Se il campo magnetico nell'ambiente di una bobina cambia, viene indotta una tensione elettrica nella bobina e di conseguenza viene generata corrente elettrica. Anche questa corrente produce un campo magnetico ed i due campi magnetici possono interagire tra di loro.

Motore a corrente continua

  • magnete permanente
  • bobina - Quando una corrente elettrica viene immessa in una bobina metallica, attorno alla bobina viene generato un campo magnetico, che funzionerà come un magnete: girerà per allinearsi al campo magnetico permanente dello statore.
  • commutatore - Il commutatore ruota insieme al rotore del motore in corrente continua. Riceve la corrente elettrica attraverso le spazzole e la trasmette alla/e bobina/e del rotore. Nel motore in corrente continua più semplice ci sono due poli, per questo il commutatore è costituito da due segmenti. Mentre il commutatore ruota, i poli della corrente elettrica vengono commutati ogni mezzo giro.
  • spazzola - La corrente elettrica viene condotta al commutatore, quindi alla bobina tramite spazzole. Di solito sono fatte di carbonio.
  • nucleo di ferro - La funzione del nucleo di ferro è quella di rafforzare il campo magnetico indotto dalla bobina.
  • anello isolante

Esistono due tipi principali di motori elettrici: motori in corrente continua (CC) e motori in corrente alternata (CA).

Come suggerisce il nome, i motori in corrente continua sono alimentati da una corrente continua, che viene fornita da una batteria o da un alimentatore esterno. Nei modelli più semplici di tali motori, lo statore è un magnete permanente ed il rotore è un elettromagnete, ovvero una bobina.

La corrente viene applicata alla bobina rotante tramite spazzole di carbone ed un commutatore. Come risultato della corrente elettrica fornita alla bobina, la bobina verrà magnetizzata. Si gira per allinearsi con la polarità del magnete permanente. Tuttavia, prima di allinearsi nella direzione corretta, la polarità della corrente elettrica nel commutatore viene invertita. Conseguentemente, la bobina continua a girare verso il polo opposto, in tal modo il motore continua a ruotare.

È comune usare più bobine nel rotore, quindi il commutatore ha anche diversi poli, garantendo così un funzionamento più fluido.

Lo svantaggio dei motori in corrente continua è che le spazzole di carbone si consumano, perciò devono essere sostituite di tanto in tanto, d'altra parte le particelle di polvere di carbonio che si formano possono causare un cortocircuito. Inoltre, questi motori sono rumorosi.

Motore sincrono AC

  • rotore - Il magnete permanente del rotore cerca di seguire il campo magnetico rotante dello statore.
  • statore - Le bobine dello statore generano un campo magnetico rotante.
  • unità di controllo elettronico - Crea una differenza di fase tra le bobine.
  • corrente alternata

L'altro tipo principale dei motori elettrici è il motore in corrente alternata, che include sia i motori sincroni che quelli asincroni.

Nei motori sincroni la corrente alternata, che cambia periodicamente di direzione, viene applicata al rotore. Tale corrente può essere ricavata sia dalla rete elettrica che elettronicamente. Se la corrente nelle bobine dello statore non si alterna nella stessa fase, viene generato un campo magnetico rotante. La differenza di fase può essere creata usando condensatori od elettronica più complessa. Nella maggior parte dei casi vi sono magneti permanenti nel rotore, ma possono esserci anche bobine (alimentate dalla corrente continua proveniente da un'alimentazione esterna). Il magnete del rotore cerca di seguire il campo magnetico rotante dello statore, perciò ruota con esso.

I motori sincroni funzionano solo ad una velocità corrispondente alla frequenza della corrente elettrica che li guida. Quando un motore sincrono funziona sotto carico, il rotore cade dietro un certo angolo rispetto al polo dello statore, ma entrambi corrono con la stessa velocità sincrona. Se il carico aumenta, anche l'angolo aumenta. Se all'improvviso il motore viene caricato troppo, il rotore ed i poli dello statore non rientrano nella sincronizzazione e il motore si arresta.

Questi motori non si accendono da soli, richiedono un meccanismo di avviamento. La maggior parte dei motori sincroni viene avviata da un meccanismo di induzione e passa alla modalità sincrona solo quando raggiunge la velocità di sincronizzazione.

Durante la guida di veicoli, la frequenza della corrente alternata che alimenta il motore sincrono viene controllata elettronicamente in base alla velocità desiderata del veicolo. Dato che nei moderni veicoli elettrici la corrente alternata viene generata dalla corrente continua da un circuito elettronico, questi motori possono essere considerati motori CC. Sono chiamati anche motori in corrente continua BLDC (senza spazzole).

I vantaggi dei motori sincroni rispetto ai motori in corrente continua con spazzole, sono che non vi è alcun componente che possa usurarsi e produrre polvere; il loro funzionamento è efficiente e non produce quasi alcun rumore.

Motore asincrono AC

  • rotore - Può anche essere un semplice cilindro metallico in cui la corrente elettrica viene indotta dal cambiamento del campo magnetico.
  • statore - Le bobine dello statore generano un campo magnetico rotante.
  • unità di controllo elettronico - Crea una differenza di fase tra le bobine.

Il principio di funzionamento dei motori asincroni si basa sul fenomeno dell'induzione, per questo sono chiamati anche motori a induzione.

Anche i motori asincroni consistono di uno statore ed un rotore. Lo statore comprende diverse bobine alle quali viene applicata corrente alternata. Il rotore può essere un cilindro metallico od una bobina cortocircuitata, ovvero che non riceva corrente da una sorgente esterna.

Il principio di funzionamento dei motori asincroni è il seguente:

1. La corrente alternata non scorre nella stessa fase nelle bobine dello statore, il che induce un campo magnetico rotante attorno alle bobine.

2. Questo campo magnetico rotante induce una corrente elettrica nel rotore.

3. La corrente elettrica indotta genera un altro campo magnetico attorno al rotore.

4. I due campi magnetici interagiscono tra di loro, pertanto il rotore cerca di allinearsi con il campo magnetico esterno. Tuttavia, poiché il campo magnetico ruota, il rotore non può mai raggiungerlo, quindi ruota costantemente.

Un campo magnetico rotante viene generato solo quando la corrente elettrica nelle bobine dello statore si trova in fasi diverse. Se si utilizza l'alimentazione polifase per azionare il motore, le bobine dello statore devono essere cablate in diverse fasi. Se il motore è azionato da alimentazione monofase, lo spostamento di fase delle bobine esterne viene controllato da condensatori o da elettronica più complessa.

Il funzionamento dei motori asincroni è meno complicato di quello dei motori sincroni, dato che non si arrestano quando il carico viene aumentato.

Motore lineare

  • statore - Consiste di magneti permanenti.
  • rotore - Consiste di bobine.
  • sensore

Entrambi i tipi di motore in corrente alternata hanno versioni lineari note come LIM (Linear Induction Motor) e LSM (Linear Synchronous Motor). Il funzionamento di questi motori non determina il movimento rotatorio, bensì il movimento in linea retta.

Il loro principio di funzionamento è lo stesso di quello dei motori rotanti, tranne che sia il rotore che lo statore sono allineati lungo una linea retta. Un'altra differenza è che la parte mobile è solitamente quella contenente le bobine e non la parte magnetica o magnetizzabile.

Nei motori LIM, una corrente alternata polifase viene applicata alla fila mobile di bobine, creando un campo magnetico mobile che induce corrente nella guida metallica fissa, il cui campo magnetico guida la parte mobile del motore che contiene le bobine.

Nel caso dei motori LSM, la guida deve contenere magneti in una fila e la corrente alternata che scorre nelle bobine della parte in movimento deve essere cambiata in base alla direzione del movimento in modo che raggiunga sempre il magnete successivo nella fase corretta. Questo non è possibile senza sensori ed elettronica di controllo.

Motore passo-passo

  • rotore - Può anche essere un semplice cilindro metallico in cui la corrente elettrica viene indotta dal cambiamento del campo magnetico.
  • statore - Le bobine dello statore generano un campo magnetico rotante.
  • unità di controllo elettronico - Crea una differenza di fase tra le bobine.

I motori passo-passo sono molto utili nei dispositivi in cui è necessario conoscere l'angolo esatto (o passo) mediante il quale il motore ruota a causa di una certa quantità di corrente elettrica.

Tali motori muovono le braccia di robot o componenti di macchine fotocopiatrici e stampanti. Il rotore dei motori passo-passo è costituito da magneti permanenti, mentre lo statore è costituito da elettromagneti. Gli elettromagneti dello statore vengono riforniti separatamente di corrente dall'elettronica di controllo in base all'angolo desiderato.

I magneti più stabili sono installati nel rotore e negli elettromagneti nello statore, minore è l'angolo in cui il motore può ruotare passo-passo, più precisa è la rotazione nella direzione desiderata.

Si può aumentare la risoluzione del motore se i magneti del rotore ed i nuclei di ferro degli elettromagneti dello statore sono dentati. La risoluzione può inoltre essere aumentata cambiando con precisione la corrente di controllo alimentata dalle bobine.

Narrazione

I motori elettrici sono presenti in molti ambiti della nostra vita quotidiana. Anche se ci sono vari tipi, tutti utilizzano l'effetto magnetico della corrente elettrica.

Quando la corrente scorre in un filo, viene prodotto un campo magnetico attorno a quel filo. La forza del campo magnetico generato dipende dall'intensità della corrente che scorre nel filo e dalla distanza dal esso.

Il campo magnetico prodotto dalla corrente elettrica può essere rafforzato formando un anello nel filo. La bobina così realizzata è l'elettromagnete che si trova in tutti i motori elettrici. La forza dell'elettromagnete e la posizione dei suoi poli possono essere regolate con la corrente che scorre attraverso di esso.

La corrente elettrica può indurre un campo magnetico, ma anche un campo magnetico può indurre corrente elettrica. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica. La corrente elettrica può essere indotta solo da un campo magnetico variabile. Se il campo magnetico nell'ambiente di una bobina cambia, viene indotta una tensione elettrica nella bobina e di conseguenza viene generata corrente elettrica. Anche questa corrente produce un campo magnetico ed i due campi magnetici possono interagire tra di loro. Alcuni motori elettrici sfruttano questo fenomeno.

Esistono due tipi principali di motori elettrici: motori in corrente continua (CC) e motori in corrente alternata (CA). Come suggerisce il nome, i motori in corrente continua sono alimentati da una corrente continua, il loro statore è un magnete permanente ed il loro rotore è un elettromagnete. La corrente viene applicata alla bobina rotante tramite spazzole di carbone ed un commutatore. Come risultato della corrente elettrica fornita alla bobina, la bobina verrà magnetizzata. Si gira per allinearsi con la polarità del magnete permanente. Tuttavia, prima di allinearsi nella direzione corretta, la polarità della corrente elettrica nel commutatore viene invertita. Conseguentemente, la bobina continua a ruotare verso il polo opposto, in tal modo il motore continua a ruotare.

L'altro tipo principale di motori elettrici è il motore in corrente alternata, che include sia i motori sincroni che quelli asincroni. Nei motori sincroni la corrente alternata, che cambia periodicamente di direzione, viene applicata al rotore. Tale corrente può essere ricavata sia dalla rete elettrica che elettronicamente. Un semplice circuito elettronico assicura che la corrente elettrica non si alterni nella stessa fase nelle bobine dello statore, generando un campo magnetico rotante. In questi motori, il magnete del rotore cerca di seguire il campo magnetico rotante dello statore, quindi ruota con esso. I motori sincroni funzionano solo ad una velocità corrispondente alla frequenza della corrente elettrica che li guida. Se all'improvviso il motore viene caricato troppo, il rotore ed i poli dello statore non rientrano nella sincronizzazione ed il motore si arresta. Questi motori non si accendono da soli, richiedono un meccanismo di avviamento. Poiché nei moderni veicoli elettrici la corrente alternata viene generata dalla corrente continua da un circuito elettronico, questi motori possono essere considerati motori CC. Sono chiamati anche motori in corrente continua BLDC (senza spazzole).

Il principio di funzionamento dei motori asincroni si basa sul fenomeno dell'induzione, per questo sono chiamati anche motori in induzione.

Anche i motori asincroni consistono di uno statore ed un rotore. Lo statore comprende diverse bobine alle quali viene applicata corrente alternata. Il rotore può essere un cilindro metallico od una bobina cortocircuitata, ma è generalmente una bobina che non riceve corrente da una sorgente esterna; verrà indotta. La corrente alternata non scorre nella stessa fase nelle bobine dello statore, il che induce un campo magnetico rotante attorno alle bobine. Questo campo magnetico rotante induce una corrente elettrica nel rotore. La corrente elettrica indotta genera un altro campo magnetico attorno al rotore. I due campi magnetici interagiscono tra di loro, pertanto il rotore cerca di allinearsi con il campo magnetico esterno. Tuttavia, poiché il campo magnetico ruota, il rotore non può mai raggiungerlo, quindi ruota costantemente. Il funzionamento dei motori asincroni è meno complicato di quello dei motori sincroni poiché non si arrestano quando il carico viene aumentato.

Entrambi i tipi di motore in corrente alternata hanno versioni lineari note come LIM (Linear Induction Motor) e LSM (Linear Synchronous Motor). Il funzionamento di questi motori non determina il movimento rotatorio, bensì la traslazione. Il loro principio di funzionamento è lo stesso di quello dei motori rotanti, tranne che sia il rotore che lo statore sono allineati lungo una linea retta.

I motori passo-passo sono molto utili nei dispositivi in cui è necessario conoscere l'angolo esatto (o passo) mediante il quale il motore ruota a causa di una certa quantità di corrente elettrica. Tali motori muovono le braccia di robot o componenti di macchine fotocopiatrici e stampanti. Il rotore dei motori passo-passo è costituito da magneti permanenti, mentre lo statore è costituito da elettromagneti. Gli elettromagneti dello statore vengono riforniti separatamente di corrente dall'elettronica di controllo in base all'angolo desiderato.

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