Come funzionano i motori elettrici: dalla forza magnetica alla coppia all'albero

La forza di Lorentz su un conduttore

Ogni motore elettrico si basa su un unico effetto fisico. Quando una corrente I attraversa un conduttore di lunghezza L immerso in un campo magnetico di densità di flusso B, e il conduttore è perpendicolare al campo, su di esso agisce una forza laterale

F = B × I × L

con F in newton, B in tesla, I in ampere e L in metri. La direzione segue la regola della mano sinistra per i motori: il dito indice punta lungo il campo (da nord a sud), il medio lungo la corrente e il pollice indica la direzione della forza. Invertendo la corrente o il campo, la forza si inverte; invertendoli entrambi, resta uguale.

Un piccolo esempio: un conduttore di 0,1 m percorso da 10 A in un campo di 0,8 T subisce una forza F = 0,8 × 10 × 0,1 = 0,8 N. È meno di 1 N, ed è per questo che i motori reali usano molte spire di filo e campi intensi.

Dalla forza alla coppia

Un singolo conduttore rettilineo può solo spingere. Per ottenere una rotazione, i conduttori sono disposti su un cilindro (il rotore o l'armatura) libero di ruotare attorno a un albero. Una forza F applicata a un raggio r produce una coppia

T = F × r

Se l'avvolgimento ha N conduttori sotto i poli, ciascuno percorso dalla corrente I in un campo B, la coppia totale vale approssimativamente

T = N × B × I × L × r

Questo mostra le tre leve a disposizione di ogni progettista di motori: più campo magnetico, più corrente, oppure più lunghezza e raggio dei conduttori. Spiega anche perché la coppia di un motore è quasi proporzionale alla corrente, e perché i motori con magneti permanenti potenti o con carcasse grandi danno più coppia. La potenza meccanica segue poi da coppia e velocità angolare:

P = T × ω

dove ω = 2π × N / 60 è la velocità in radianti al secondo e N è in giri/min. Un motore che produce 2 N·m a 3000 giri/min eroga P = 2 × 314,2 ≈ 628 W.

Statore, rotore e traferro

Quasi tutti i motori rotanti hanno le stesse due parti principali.

• Lo statore è la parte fissa. Porta avvolgimenti o magneti permanenti e crea uno dei due campi magnetici che interagiscono.
• Il rotore è la parte montata sull'albero. Porta l'altro campo, prodotto da magneti permanenti, da un avvolgimento percorso da corrente propria o da correnti indotte dallo statore.
• Il traferro è il sottile spazio tra i due, in genere da una frazione di millimetro ad alcuni millimetri. Il campo magnetico lo attraversa e qui nasce la coppia.

In definitiva, la coppia è la tendenza di due campi magnetici ad allinearsi. Il campo dello statore e quello del rotore cercano di allinearsi come due barre magnetiche, e finché il campo dello statore resta in anticipo su quello del rotore, il rotore continua a inseguirlo. I diversi tipi di motore sono semplicemente modi diversi di mantenere il campo statorico un passo avanti.

Commutazione: mantenere la coppia sempre nello stesso verso

Se la corrente in una spira rotante non cambiasse mai verso, la coppia invertirebbe il segno a ogni mezzo giro e il rotore si limiterebbe a oscillare. La commutazione è la manovra di inversione della corrente che lo impedisce.

In un motore CC con spazzole la commutazione è meccanica. Spazzole di carbone premono su un collettore di rame segmentato, fissato al rotore. Mentre il rotore gira, le lamelle si spostano sotto le spazzole e invertono la corrente in ciascuna bobina esattamente quando passa per la posizione neutra, così la coppia mantiene lo stesso segno. È semplice ed economico, ma le spazzole si consumano, scintillano e limitano la velocità.

In un motore senza spazzole la commutazione è elettronica. I magneti sono sul rotore e gli avvolgimenti sullo statore. Sensori di Hall, o una stima della posizione, indicano a un inverter dove si trova il rotore, e l'inverter alimenta le fasi dello statore nella sequenza corretta. Non ci sono spazzole da consumare, quindi rendimento e durata migliorano, al prezzo dell'elettronica di pilotaggio.

I motori asincroni e sincroni in c.a. non hanno alcun bisogno di collettore: un'alimentazione trifase crea direttamente un campo rotante, argomento trattato nella guida al campo magnetico rotante.

Un motore è anche un generatore

La stessa macchina può funzionare al contrario. Se l'albero viene fatto girare da un motore termico, da una turbina o dal carico stesso, i conduttori tagliano il campo magnetico e in essi si induce una tensione, E = B × L × v. È la legge dell'induzione di Faraday, ed è la tensione prodotta da un generatore.

Succede anche in ogni motore in funzione. Mentre il rotore gira, gli avvolgimenti generano una tensione che si oppone all'alimentazione, detta forza controelettromotrice. È il motivo per cui la corrente di un motore diminuisce all'aumentare della velocità, e il motivo per cui un motore può rigenerare energia quando viene trascinato a una velocità superiore a quella a vuoto, per esempio un veicolo elettrico che frena in discesa. Funzionamento da motore e da generatore sono lo stesso processo di conversione di energia, con la potenza che fluisce in verso opposto.

In un motore, la potenza elettrica assorbita dalla rete si converte in potenza meccanica più perdite. In un generatore l'ordine è invertito: potenza meccanica in ingresso, potenza elettrica in uscita.

Le famiglie di motori elettrici

I motori differiscono per il modo in cui creano e mantengono il campo statorico in anticipo sul rotore.

• Motori CC: CC con spazzole e, con commutazione elettronica, CC senza spazzole. La velocità segue la tensione e la coppia segue la corrente.
• Motori a induzione (asincroni): il rotore non è alimentato; la sua corrente è indotta dal campo statorico. Robusti, economici e cavallo di battaglia dell'industria. Girano un po' più lentamente del campo.
• Motori sincroni: il rotore si aggancia al campo rotante e gira esattamente alla velocità di sincronismo. Appartengono a questa famiglia i motori a campo avvolto, i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) e i motori a riluttanza.
• Motori passo-passo e servomotori: pensati per il controllo preciso della posizione, con passi discreti oppure con retroazione ad anello chiuso.
• Motori universali: motori a collettore con avvolgimento serie che funzionano in c.a. e in c.c., comuni in trapani e aspirapolvere.
• Motori lineari: gli stessi principi "srotolati" in piano per produrre una forza rettilinea invece di una coppia.

La guida alla scelta del tipo di motore li confronta nel dettaglio.

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Apri il simulatore del motore CC con spazzole e osserva spazzole e collettore ruotare nella scena 3D. Aumenta la Tensione di alimentazione e il Carico meccanico, e leggi i valori di Coppia, Corrente di armatura e Indietro EMF. Usa il controllo Polarità per passare da Positivo a Invertito e vedere cambiare il verso di rotazione.

Apri il simulatore del motore CC senza spazzole per vedere la commutazione elettronica. Cambia il Ciclo di lavoro PWM e la Sequenza di commutazione, e osserva le fasi U, V e W alimentate a turno mentre il rotore le segue.

Infine apri il simulatore del generatore CC e confronta le sue letture F.e.m. generata e Tensione ai morsetti con l'Indietro EMF del motore: la stessa macchina, con l'energia che fluisce nell'altro verso.

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