Guida completa ai motori in corrente continua

Un motore in corrente continua (CC) è un tipo di macchina elettrica che converte l’energia elettrica in energia meccanica. Assorbe energia elettrica attraverso la corrente continua e la converte in rotazione meccanica.

Gli avvolgimenti, una volta alimentati da corrente elettrica, creano campi magnetici che mettono in moto i magneti collegati al rotore (di definisce rotore un organo rotante di un macchinario che genera o trasmette potenza). Il rotore, poi, converte e trasmette il movimento dei magneti all’albero motore.

La velocità di rotazione dipende sia dall’input elettrico che dal design del motore.

Il termine “motore in corrente continua” viene utilizzato per indicare qualsiasi macchina elettrica rotativa che converte energia elettrica a corrente continua in energia meccanica.

I motori in corrente continua possono variare in dimensione e potenza, dai piccoli motori dei giocattoli e degli elettrodomestici ai grandi motori che alimentano grandi veicoli, issano ascensori, montacarichi e guidano laminati in acciaio.

Ma come funzionano?

Il motore in corrente continua comprende due parti: uno statore e un’armatura. Il primo è la parte fissa di un motore, mentre la seconda è la parte mobile capace di rotare. Lo statore fornisce all’armatura il campo rotante in cui può muoversi. Un semplice motore in corrente continua è composto da una serie fissa di magneti ubicati nello statore, da un rotore avvolto (si tratta di un avvolgimento trifase realizzato in filo di rame) ubicato all’interno dello statore ed in asse con esso e da un collettore a lamelle (commutatore) installato sull’asse del rotore. Il rotore è l’elemento che viene alimentato esternamente e tramite corrente continua.

Gli avvolgimenti di filo di rame sono collegati al commutatore (un interruttore elettrico rotante), che trasmette loro energia elettrica. Il commutatore consente a ciascuna bobina di armatura di essere eccitata a turno, creando una forza di rotazione costante (nota anche come coppia).

Quando le bobine vengono accese e spente in sequenza, viene creato un campo magnetico rotante che interagisce con i diversi campi dei magneti fissi nello statore per creare coppia, che provoca la rotazione per effetto delle forze di attrazione e repulsione dei poli dei poli magnetici.

Questi principi operativi, chiave dei motori in corrente continua, consentono di convertire l’energia elettrica dalla corrente continua in energia meccanica attraverso il movimento rotatorio, che può essere quindi impiegato nella propulsione degli oggetti.

Questo straordinario strumento elettromeccanico ha rivoluzionato la nostra vita in molti modi, ma chi ha inventato il motore in corrente continua?

Come per tutte le principali innovazioni, molti hanno avuto un ruolo decisivo nello sviluppo del motore CC.&nbsp

Negli Stati Uniti, Thomas Davenport è ampiamente celebrato come l’inventore del primo motore elettrico, e senza dubbio fu il primo a brevettarne uno elettrico, utilizzato già nel 1837. Davenport, tuttavia, non fu il primo a costruire un motore elettrico: molti altri inventori in tutta Europa avevano già sviluppato versioni più potenti quando Davenport depositò il suo brevetto.&nbsp

Nel 1834 Mortiz Jacobi aveva presentato un motore tre volte più potente di quello che Davenport avrebbe successivamente brevettato, mentre **Sibrandus Stratingh e Cristopher Becker **furono i primi a dimostrare che quel tipo di motore poteva avere un’applicazione pratica, facendo funzionare una piccola auto nel 1835.&nbsp

Il primo motore in corrente continua, di pratico utilizzo, fu però inventato alcuni anni dopo, nel 1886, da Frank Julian Sprague, la cui invenzione portò al primo sistema di carrelli motorizzati nel 1887, e al primo ascensore elettrico nel 1892.&nbsp

Il modello di Sprague fu rivoluzionario perché portò allo sviluppo di attrezzature e macchine che trasformarono radicalmente il mondo industriale.

Dopo aver spiegato come funzionano i modelli in corrente continua e la storia della loro nascita, offriamo ora una panoramica dei modelli disponibili sul mercato, in particolare esaminiamo i quattro tipi principali: motore senza spazzole, motore a spazzole, shunt, in serie.

Motore senza spazzole

Cos’è?

Anche noti come motori commutati elettronicamente, o motori sincroni.

Rispetto ai motori con spazzole la principale differenza è che non hanno un commutatore, che viene invece sostituito da un servomeccanismo elettronico in grado di rilevare e regolare l’angolo del rotore.

Il motore senza spazzole presenta numerosi vantaggi, primo fra tutti quello che, non avendo appunto le spazzole, che si consumano nel tempo, ha una durata superiore e costi inferiori. Inoltre non presentando parti soggette a logorio il motore senza spazzole è più sicuro e affidabile nel tempo.

Come funziona?

Tutti i motori elettrici sviluppano la coppia alternando la polarità dei magneti rotanti e i magneti fissi sullo statore circostante. Almeno uno di questi set di magneti è un elettromagnete, costituito da una bobina di filo attorno ad un nucleo di ferro.

In un motore CC, la corrente continua crea un campo magnetico. Ogni volta che l’armatura ruota di 180° la posizione dei poli viene invertita. Se il campo dei poli restasse immutato, il rotore non girerebbe. Per causare il movimento, la direzione della corrente elettrica deve essere invertita ad ogni giro di 180° dell’armatura.

In un CC spazzolato tutto questo sarebbe causato dal commutatore, ma in un motore senza spazzole un sensore elettronico rileva invece l’angolo del rotore, con interruttore e semiconduttore che invertono la direzione della corrente o la disattivano al momento opportuno.

Motore con spazzole

Cos’è?

Il motore CC spazzolato risale direttamente al modello originale di Sprangue. Come già detto, questo tipo di motore presenta un commutatore che ha il compito di invertire la corrente dopo ogni giro.

Mentre per molti utilizzi negli ultimi anni sono stati sostituiti dai motori senza spazzole, restano il modello principale nella costruzione di gru, macchinari per la carta, laminatoi in acciaio e propulsione elettrica

Come funziona?

Le spazzole sono collegamenti morbidi che permettono al motore di ruotare in ogni direzione. La velocità di rotazione dipende dal voltaggio e dal campo magnetico.

Esistono diversi tipi di motori CC a spazzole che differiscono per molti aspetti, dalla connessione all’armatura. Più avanti li esamineremo nel dettaglio.

Motore CC shunt

Cos’è?

È un tipo di motore a spazzole che ha gli avvolgimenti in parallelo con l’armatura. Questo tipo di motore viene utilizzato in macchinari che richiedono una coppia costante, in cui il carico non viene alterato in modo significativo dalla velocità, come nastri trasportatori, miscelatori e montacarichi.

Gli avvolgimenti offrono caratteristiche uniche. Ad esempio il modello Parvalux Shunt mostrato in foto offre velocità costante, con oscillazioni minime se a pieno carico o a vuoto.

Motore CC in serie

Cos’è?

La differenza sostanziale tra questa varietà e quelle discusse in precedenza è che gli avvolgimenti di campo in questa sono in serie. Ciò significa che la corrente dall’armatura passa interamente al campo, permettendo di raggiungere velocità più elevate.

Poiché la tensione di alimentazione non può essere controllata, i motori in serie non possono regolare la velocità in maniera efficace. Questo ne limita l’impiego a piccoli utensili elettrici e macchine per cucire.

Il motore Aulhaber per esempio offre i migliori vantaggi, come la coppia di avviamento, per gli elettrodomestici.

Abbiamo detto che ogni tipo di motore CC ha i suoi vantaggi e le sue diverse applicazioni. Abbiamo motori del genere – in formato ridotto – anche nelle nostre case: in alcuni giocattoli, strumenti ed elettrodomestici.

Nella vendita al dettaglio ci sono motori CC nei giradischi, nei nastri trasportatori, mentre in grandi utilizzi comprendono operazioni di frenata e retromarcia nelle automobili. Ecco alcuni usi più specifici:

Giocattoli

I motori in corrente continua sono molto popolari tra i produttori di giocattoli per bambini. Dei piccoli motori CC vengono impiegati in automobili telecomandate e modellini di treni. La loro popolarità è dovuta alla facilità di utilizzo e alla loro robustezza.

La disponibilità di varietà diverse di voltaggio permette di impiegare i motori CC in giocattoli che richiedono le più disparate velocità per compiere movimenti differenti.

Alcuni di essi sono collegati anche ad un controller.

Auto elettriche

Tra i diversi tipi di motori che vengono montati nelle automobili elettriche, quelli CC vengono considerati tra i più efficienti e durevoli.

Oltre alle grandi case di produzione, anche meccanici e appassionati di fai-da-te preferiscono i motori in corrente continua, in particolare il tipo a serie.

Robot

“Robot” è un termine generico per indicare dispositivi elettromeccanici progettati per svolgere un compito specifico. I motori CC nei robot azionano qualcosa come binari, bracci o telecamere.

I motori CC sono particolarmente convenienti per la loro efficienza e per la torsione elevata, ideali per la robotica.

Biciclette elettriche

Le biciclette elettriche devono il loro successo al fatto che non necessitano di una particolare licenza di guida. La velocità massima è infatti inferiore ai 25 km/h.

Il motore generalmente è senza spazzole, e si trova in forma compatta incorporato nel mozzo della ruota posteriore o anteriore, oppure montato al centro della bici e collegato al pignone del pedale.

Inoltre, troviamo i motoriduttori anche nei seguenti prodotti: