Il campo magnetico rotante: come le correnti trifase fanno girare un motore

Un solo avvolgimento crea un campo pulsante

Si parta da una singola bobina sullo statore percorsa da una corrente alternata i = I_m × sin(ωt). La bobina produce un campo magnetico lungo un asse fisso, e l'intensità del campo segue la corrente: cresce, scende a zero, si inverte e cresce di nuovo, 100 volte al secondo con alimentazione a 50 Hz.

È un campo pulsante. Non ruota: si limita a "respirare" avanti e indietro lungo una linea. Matematicamente si può scomporre in due campi uguali che ruotano in versi opposti, uno diretto e uno inverso. Le loro rotazioni si annullano a vicenda, quindi un rotore fermo non riceve alcuna spinta in nessun verso. È per questo che un motore puramente monofase non ha coppia di spunto.

Tre avvolgimenti a 120°

Si dispongano ora tre avvolgimenti identici, A, B e C, attorno allo statore in modo che i loro assi siano a 120° nello spazio. Si alimentino con tre correnti di uguale ampiezza sfasate di 120° nel tempo:

i_A = I_m × sin(ωt) i_B = I_m × sin(ωt − 120°) i_C = I_m × sin(ωt − 240°)

Ogni avvolgimento crea un proprio campo pulsante lungo il proprio asse. Il campo risultante in ogni istante è la somma vettoriale dei tre. Un bel risultato della trigonometria è che la somma ha un'ampiezza costante pari a 1,5 volte il valore di picco del campo di una fase, e la sua direzione ruota attorno allo statore alla pulsazione dell'alimentazione.

Si può verificare in alcuni istanti. A ωt = 0, la fase A è nulla, B vale −0,866 I_m e C vale +0,866 I_m, quindi il campo è ortogonale all'asse A. A ωt = 90°, A è al picco, B e C valgono ciascuna −0,5 I_m, e il campo punta lungo l'asse A. Il campo si è spostato di 90 gradi elettrici, mentre la sua lunghezza è rimasta la stessa.

Velocità di sincronismo: 120 × f / p

In un ciclo elettrico il campo percorre una coppia di poli. Una macchina con p poli ha p / 2 coppie di poli, quindi il campo compie 2 / p di giro per ciclo. Con f cicli al secondo e 60 secondi al minuto, la velocità in giri al minuto è

N_s = 60 × f / (p / 2) = 120 × f / p

Questa è la velocità di sincronismo.

• 2 poli a 50 Hz: 3000 giri/min
• 4 poli a 50 Hz: 1500 giri/min
• 6 poli a 50 Hz: 1000 giri/min
• 8 poli a 50 Hz: 750 giri/min
• 4 poli a 60 Hz: 1800 giri/min

La velocità del campo dipende quindi solo dalla frequenza e dal numero di poli, mai dal carico o dalla tensione. Per cambiare velocità si cambia la frequenza, ed è esattamente ciò che fa un variatore di frequenza, oppure si cambia il numero di poli dell'avvolgimento.

Invertire il verso di rotazione

Il campo ruota nell'ordine in cui le correnti di fase raggiungono i loro picchi, detto sequenza delle fasi. Per la sequenza A–B–C il campo gira in un verso; per A–C–B gira nel verso opposto.

Per invertire un motore trifase basta quindi scambiare due qualsiasi dei tre conduttori di alimentazione. Nel motore non cambia nulla. Il rotore, sia esso una gabbia di scoiattolo che insegue il campo o un magnete agganciato ad esso, segue il campo e gira nell'altro verso.

Lo stesso vale per un generatore trifase: collegarlo alla rete con la sequenza delle fasi sbagliata è un classico errore di messa in servizio, ed è per questo che esistono i sequenzimetri.

Come il rotore segue il campo

Un campo rotante è solo metà della storia: il rotore deve rispondere. Il modo in cui lo fa distingue le principali famiglie di motori.

• Motore asincrono: il campo spazza le barre del rotore, vi induce correnti, e l'interazione di quelle correnti con il campo produce coppia. Perché questo avvenga il rotore deve girare un po' più lentamente del campo; la differenza si chiama scorrimento.
• Motore sincrono e PMSM: il rotore ha propri poli magnetici (magneti permanenti o un avvolgimento alimentato in c.c.). Si agganciano al campo rotante e girano esattamente a N_s, con un angolo di carico che cresce all'aumentare del carico.
• Motore CC senza spazzole: l'inverter sposta il campo statorico per passi discreti anziché con continuità, mantenendolo sempre in anticipo sul rotore a magneti.
• Motore passo-passo: il campo statorico salta da un polo al successivo e il rotore avanza di un passo ogni volta.
• Motori a riluttanza: il rotore non ha magneti né avvolgimenti, ma cerca di allineare il proprio percorso a bassa riluttanza con il campo.

La guida allo scorrimento tratta nel dettaglio il caso del motore asincrono.

Motori monofase: simulare un campo rotante

Le reti domestiche sono spesso monofase, quindi i motori asincroni monofase hanno bisogno di un espediente per ottenere un campo rotante all'avviamento. Un secondo avvolgimento ausiliario viene posto a 90° dall'avvolgimento principale e alimentato attraverso un condensatore, oppure con una resistenza diversa, in modo che la sua corrente sia sfasata nel tempo. Due avvolgimenti a 90° con correnti sfasate di circa 90° danno un campo approssimativamente rotante, sufficiente per avviare il rotore.

Quando il motore ha raggiunto la velocità, l'avvolgimento di avviamento può essere scollegato da un interruttore centrifugo, e il moto stesso del rotore fa sì che il campo pulsante dell'avvolgimento principale si comporti come un campo rotante. Un motore a poli schermati fa una versione più grossolana della stessa cosa con un anello di rame attorno a una parte di ciascun polo. Poiché il campo non è mai perfettamente circolare, i motori monofase hanno una pulsazione di coppia al doppio della frequenza di rete e un rendimento inferiore a quello dei motori trifase della stessa taglia.

Provalo nei simulatori di Curvo Studio

Apri il simulatore del motore asincrono trifase. Cambia il cursore Frequenza di fornitura e osserva la lettura Velocità sincrona seguire 120 × f / p. Cambia il Conteggio dei poli nella targa (da 2 a 12 poli) e vedi come la stessa frequenza dia una velocità diversa. Passa la Sequenza di fasi da ABC ad ACB e nota che il verso del rotore si inverte. La legenda della scena indica le fasi U, V e W, e nella vista Spaccato puoi attivare il livello Campo magnetico per vedere la distribuzione del campo.

Poi apri il simulatore del motore asincrono monofase e guarda le letture Avvolgimento di avviamento e Pulsazione della coppia per vedere come una macchina monofase si differenzia. Infine, il simulatore del motore sincrono a magneti permanenti mostra un rotore agganciato al campo; confronta le sue letture Velocità sincrona e Angolo di carico con lo Scontrino del motore asincrono.

Provalo nel simulatore