Guida completa ai motori elettrici industriali

Un motore elettrico trasforma l'energia elettrica applicata ai morsetti di alimentazione in energia meccanica sull'asse del motore. Questo tipo di macchina elettrica si basa sull’interazione elettromagnetica tra un campo magnetico e la corrente elettrica indotta, per generare una coppia di rotazione. 

Approfondiremo di seguito le differenze tra motori c.a. e c.c., tra motori c.c. con e senza spazzole; sono presentati motori passo-passo e servomotori ed è riportata una panoramica dei dispositivi di protezione. 

Una prima distinzione in base alla frequenza della tensione di alimentazione separa i motori in corrente continua (CC) da quelli a corrente alternata (CA).

Tuttavia, una classificazione più specifica terrebbe conto anche della relazione tra la velocità di rotazione dell'asse del motore e la frequenza della tensione di alimentazione, nonché del numero di fasi dell’alimentazione, aggiungendo all’elenco diverse altre voci.

Ma per gli scopi di questa guida, l’elenco può fermarsi a tre categorie principali, per cui andiamo a vedere più da vicino cosa sono e come funzionano i motori industriali a corrente alternata e in corrente continua, e tra questi in cosa si differenziano i motori passo-passo.

Corrente alternata (c.a.): asincroni e sincroni

I motori a corrente alternata sono alimentati da rete c.a. e si distinguono principalmente in asincroni (a induzione) e sincroni. Sono composti da statore e rotore; nei motori asincroni il rotore può essere del tipo a gabbia.

Come per i motori a corrente continua, sono composti da una parte fissa detta statore e un’armatura metallica rotante, il rotore, e due avvolgimenti elettrici.

La linea a corrente alternata alimenta l’avvolgimento presente sullo statore con una tensione che può arrivare a diverse migliaia di volt.

Il funzionamento di questo tipo di motore si basa sulle correnti indotte per azione di un campo magnetico variabile: la corrente alternata nell’avvolgimento di statore genera un campo magnetico alternato che induce una corrente nel rotore.

La coppia di rotazione dovuta all'interazione tra il campo magnetico dello statore e le correnti indotte del rotore determina l’avviamento e quindi la rotazione del rotore.

I motori in corrente alternata sono utilizzati maggiormente nei macchinari industriali (motori elettrici per lavatrici industriali e per macchine da cucire industriali, ad esempio) e negli elettrodomestici.

Corrente continua (c.c.): brushed e brushless (BLDC/PMSM)

Nei brushed c.c. il campo magnetico generato è costante, per cui affinché si generi una coppia di rotazione è necessario che il rotore sia costruito in modo da avere un determinato angolo rispetto alle linee di forza del campo magnetico costante.

Per questo tipo di motore elettrico la distinzione principale è tra motore a spazzole (o brushed) e motore senza spazzole (o brushless).

Nel motore a spazzole gli avvolgimenti sono sul rotore collegato a un collettore a lamelle in rame; spazzole in grafite realizzano la commutazione.

I campi di applicazione dei motori CC a spazzole o brushed spaziano dal settore automobilistico, ai dispositivi medicali, ai negozi di vendita automatica e ai sistemi di videosorveglianza.

Nei BLDC il principio di funzionamento è lo stesso dei motori brushed, ma gli avvolgimenti alimentati si trovano sullo statore, mentre sul rotore sono fissati i magneti permanenti.

Nei brushless l’assenza di contatti striscianti riduce usura e interventi di manutenzione; robustezza, affidabilità e durata dipendono dal progetto e dall’applicazione.

I motori elettrici in corrente continua brushless vengono usati in tutte quelle applicazioni che necessitano di movimenti precisi e veloci. Per esempio in macchine automatiche, in robotica, in macchine per imballaggio e confezionamento e nelle macchine medicali.

Attuatori rotativi a passi

Gli attuatori rotativi a passi sono motori sincroni (a riluttanza variabile, a magneti permanenti o ibridi) comandati a passi mediante impulsi. Sono motori in cui la rotazione dell’albero motore varia in funzione degli impulsi elettrici presenti negli avvolgimenti; l’angolo di rotazione minimo del motore tra due impulsi elettrici è detto, appunto, passo.

In funzione dell’alimentazione elettrica, i motori passo-passo possono essere:

• Unipolari, quando la tensione di alimentazione negli avvolgimenti procede in un unico verso;
• Bipolari, quando la tensione di alimentazione negli avvolgimenti procede in entrambi i versi.

I motori passo-passo presentano varie risoluzioni, dal modello più semplice con un angolo di 90°/passo, fino ai motori a magneti permanenti che presentano una risoluzione di 0,72°/passo, ovvero 500 passi per angolo giro.

Gli attuatori rotativi a passi sono impiegati in applicazioni quali robotica, telescopi e servomeccanismi quando è richiesta elevata precisione angolare e di velocità.

I servomotori sono un tipo di motore molto particolare e di solito con una potenza ridotta, che si distingue dagli altri motori per la necessità di doversi adattare ad ampie e improvvise variazioni di velocità, coppia motrice e accelerazione angolare durante il suo funzionamento.

Per tale scopo, un servomotore elettrico deve presentare un’inerzia molto bassa, una linearità marcata tra tensione e velocità e tra corrente e coppia, oltre a una rotazione uniforme e un livello elevato di tolleranza dei picchi di potenza.

Tra le applicazioni principali dei servomotori si annoverano: il controllo di posizione, l’impiego nelle macchine a controllo numerico e negli automatismi di regolazione, oltre che in alcune periferiche come le stampanti.

Dispositivi di protezione e compatibilità elettromagnetica

I dispositivi di protezione per i motori elettrici vengono utilizzati per evitare danni e per ridurre l'incidenza di guasti interni derivanti da vibrazioni o dall'eccesso di coppia e condizioni anormali.

Alcuni esempi di dispositivi di protezione motori sono:

L'interruttore automatico, progettato per proteggere i circuiti elettrici dei motori dai danni causati da sovracorrente, da sovraccarico o da cortocircuito;

I filtri EMI, che vengono utilizzati per sopprimere le interferenze elettromagnetiche su un segnale o linea di alimentazione dei motori elettrici.

La protezione dei motori elettrici consente una maggiore durata dei motori e una riduzione dei tempi di inattività.

In questo articolo abbiamo approfondito le varie tipologie di motori elettrici e i principali campi di applicazione. Per informazioni dettagliate su specifici modelli, accessori e componenti di protezione, si rimanda alla sezione dedicata ai motori elettrici industriali del sito.