Tipi di motori elettrici e loro caratteristiche

I motori elettrici convertono l’energia elettrica in energia meccanica. Si basano sul principio dell’induzione elettromagnetica. Possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, ad esempio come soluzione di azionamento nelle macchine industriali.

Tipi di motori elettrici

Esistono diversi tipi di motori elettrici, ciascuno dei quali ha funzioni e proprietà diverse. I tipi di motori elettrici utilizzati oggi sono suddivisi categoricamente in motori a corrente continua e motori a corrente alternata. Per i motori CA, viene fatta una distinzione tra motori sincroni e asincroni.

La costruzione dei motori elettrici è solitamente la seguente:

• Statore: Lo statore è un magnete elettrico o permanente che è collegato in modo permanente, per esempio rigidamente, all’alloggiamento del motore.
• Rotore: Il rotore è un elettromagnete che si trova tra i poli dello statore sull’asse del motore. A seconda del design, viene fatta una distinzione tra motori rotativi (asse del motore rotante) e motori lineari (asse scorrevole).
• Commutatore (inverter a polo): Il commutatore è costituito da due o più segmenti di un anello di scorrimento, isolati l’uno dall’altro, attraverso i quali viene fornita corrente al rotore. Due contatti scorrevoli, collegati a una fonte di alimentazione, premono contro di essa dall’esterno.

• 1 - Rotore
• 2 - Spazzola
• 3 - Bobina
• 4 - Traferro
• 5 - Magnete permanente

Per controllare i motori elettrici vengono utilizzati vari metodi di controllo ad anello aperto e/o ad anello chiuso. I metodi comuni includono la modulazione della larghezza di impulso (PWM), il controllo diretto della tensione o la regolazione orientata sul campo.

Motori a corrente continua (motori CC)

I motori CC funzionano con una direzione di corrente costante e generano coppia. Sono utili in applicazioni che richiedono un controllo preciso della velocità e della coppia, come le macchine CNC. I seguenti motori sono esempi di motori CC:

• Motore CC con spazzole: Il commutatore funziona con contatti a contatto con la pressione della molla. Questi sono chiamati spazzole e sono realizzati, ad esempio, in carbonio. Grazie alle spazzole, la potenza può essere facilmente regolata dalla tensione di funzionamento applicata.
• Motore CC con spazzole: Invece del commutatore meccanico, un sensore elettrico misura l’angolo del rotore senza spazzole sui motori CC.
• Motoriduttore: Una scatola del cambio viene utilizzata per abbassare, o in rari casi anche per aumentare, la velocità di rotazione originale a un valore definito.
• Motore a passo: I motori a passo sono disponibili come motori rotativi e come motori lineari. I motori possono essere regolati su piccoli passi di posizionamento per mezzo di un elevato numero di coppie di poli (denti). Di solito sono controllati con encoder di posizione rotativi o lineari. Questi motori sono adatti a lavori di posizionamento impegnativi, come la stampa 3D. Occorre notare che il sovraccarico/il sottodimensionamento può portare a errori di passo.

Vantaggi e svantaggi dei motori a corrente continua

I vantaggi dei motori CC includono:

• Coppia di avviamento elevata, che lo rende adatto per applicazioni pesanti.
• Possono essere controllati con precisione, il che si ottiene principalmente con la velocità di rotazione. Ciò li rende adatti per applicazioni che richiedono un posizionamento accurato e un funzionamento regolare.
• Controllo della coppia molto affidabile e semplice, possibile anche a bassa velocità di rotazione.
• Reversibilità: La direzione di rotazione può essere facilmente modificata invertendo la direzione corrente.
• È disponibile un’ampia gamma di velocità.
• I motori CC brushless sono durevoli, a bassa manutenzione e più silenziosi

Gli svantaggi sono:

• L’uso delle spazzole comporta frequenti intervalli di ispezione, di solito ogni tre mesi, che comportano costi di manutenzione più elevati.
• Suscettibilità a condizioni ambientali difficili: Il design relativamente aperto facilita la penetrazione di polvere e sporco.
• L’acquisto è spesso costoso, specialmente con i motori CC brushless, poiché richiedono un controllo più complesso rispetto a un semplice controllo a spazzola.

Motori a corrente alternata

Nei motori a corrente alternata, la tensione cambia regolarmente a causa di variazioni costanti nella direzione della corrente. La velocità di rotazione del motore è determinata dalla frequenza di rete e dal numero di poli. Sono presenti motori CA monofase e trifase. I motori CA monofase sono utilizzati principalmente in macchine più piccole ed elettrodomestici, mentre i motori CA trifase sono utilizzati principalmente in applicazioni industriali grazie alla loro maggiore potenza nominale ed efficienza. I seguenti motori sono esempi di motori CA:

• Motore asincrono: La velocità di rotazione del motore non è esattamente sincronizzata con la frequenza della corrente alternata collegata. Questa differenza consente al rotore di ruotare. Spesso funzionano con la corrente alternata trifase, ampiamente utilizzata nel settore, motivo per cui il motore asincrono è uno dei motori più comunemente utilizzati. I motori asincroni possono essere suddivisi in monofase e trifase.
• Motore sincrono: La velocità del rotore è sincrona con il campo magnetico rotante dello statore. Ciò si traduce in un’elevata precisione e una velocità di rotazione costante, che è importante per le macchine utensili, ad esempio. I motori sincroni possono essere suddivisi in monofase e trifase.

Servomotori:

Un servomotore può essere un motore a corrente continua, sincrono o asincrono. Questi motori sono dotati di un servoazionamento e di solito di elettronica di controllo propria. Un servoazionamento è un sistema di controllo elettronico che posiziona un motore in modo preciso e controllato e consente anche di cambiare velocità per eseguire movimenti precisi in varie applicazioni come robotica, macchine CNC e sistemi di automazione.

Vantaggi e svantaggi dei motori a corrente alternata

I vantaggi dei motori CA includono:

• Sono più durevoli e richiedono meno manutenzione se le spazzole non vengono utilizzate
• Il design chiuso riduce l’ingresso di sporco
• Maggiore efficienza
• È possibile utilizzarli ad alte velocità
• Sono generalmente più convenienti

Gli svantaggi sono, ad esempio, il maggiore rumore dovuto a vibrazioni più forti. A causa del design, la velocità di rotazione può essere controllata solo modificando la frequenza e/o può essere controllata in incrementi commutando le coppie di poli. Potrebbero essere necessari componenti aggiuntivi per un controllo preciso. Inoltre, i motori CA non sono adatti per applicazioni mobili perché le batterie alimentano la tensione CC (o ciò è possibile solo con componenti aggiuntivi, come gli inverter).

A seconda delle condizioni locali e dell’applicazione desiderata, è possibile utilizzare un’ampia varietà di motori elettrici, motivo per cui MISUMI fornisce un’ampia gamma di motori .

Principi di funzionamento di un motore elettrico utilizzando l’esempio di un motore CC

Quando una corrente elettrica scorre attraverso la bobina del rotore in un motore CC, il rotore inizia a ruotare. Ogni mezzo giro fa sì che il commutatore inverta la polarità per garantire un movimento continuo del motore. In caso contrario, il motore ruota solo fino a quando il polo nord del rotore non è rivolto verso il polo sud dello statore e si arresta in questa posizione. Un motore con un rotore a due poli non si avvia automaticamente in ogni posizione, motivo per cui i rotori con tre o più poli vengono spesso utilizzati nei motori elettrici. Il principio è leggermente diverso per i motori lineari: Invece di un rotore, questa applicazione utilizza un rotore (carrello) a guida lineare dotato di diverse bobine che si spostano lungo una linea retta. I magneti permanenti vengono installati a intervalli regolari. Controllando intenzionalmente le bobine, i rotori vengono spostati da campi magnetici secondo lo stesso principio di funzionamento del motore rotante. Le bobine controllate possono essere posizionate sul rotore e anche sul percorso lineare dello statore in un design inverso.

Fattori che caratterizzano i motori elettrici

Le caratteristiche dei motori sono fondamentali per le loro prestazioni e applicazioni in varie aree tecniche e industriali.

Coppia e velocità

La coppia di un motore indica quanta forza può esercitare su un albero. La velocità di rotazione si riferisce alla velocità alla quale si muove l’albero o l’elemento del rotore di un motore lineare. I motori sono progettati per coppie e velocità di rotazione/velocità diverse a seconda dell’applicazione. La velocità delle caratteristiche di coppia di rotazione è importante per il dimensionamento del motore. Rappresentano il rapporto tra velocità di rotazione e coppia e possono differire significativamente in alcuni casi per diversi tipi di motori (elettrici) e punti operativi.

Densità di potenza

La densità di potenza dei motori elettrici si riferisce al rapporto tra la potenza generata del motore e le sue dimensioni o massa. I moderni motori elettrici possono avere un’elevata densità di potenza e quindi fornire molta potenza in un design compatto. La densità di potenza viene solitamente misurata in watt per chilogrammo (W/kg) o in watt per centimetro cubo (W/cm3), a seconda che venga preso in considerazione il peso o il volume del motore.

Controllabilità

La controllabilità dei motori elettrici si riferisce alla capacità di controllare o regolare la velocità, la coppia e altri parametri operativi del motore in un certo modo. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni che richiedono un controllo preciso.

• Velocità di rotazione: Regolando la velocità di rotazione, il motore può essere adattato a vari requisiti di velocità.
• Coppia: Il controllo della coppia è utile per carichi variabili, ad esempio. I motori elettrici possono essere controllati per fornire la coppia necessaria per spostare o superare i carichi.
• Direzione: Modificando la direzione della corrente o utilizzando circuiti speciali, è possibile personalizzare un motore per applicazioni dipendenti dalla direzione. Questi includono, per esempio, motori di azionamento in nastri trasportatori o ascensori.
• Posizionamento e precisione: Il posizionamento e il controllo precisi sono decisivi per le macchine CNC, ad esempio. Qui vengono spesso utilizzati motori passo-passo o servomotori.

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Durata e manutenzione

La durata di un motore elettrico dipende da vari fattori. Il tipo di motore, le condizioni operative, la qualità della manutenzione e della produzione possono avere un impatto, ad esempio. Ecco alcuni dei fattori chiave che influenzano la vita utile di un motore elettrico:

• Tipo di motore: Alcuni tipi di motori sono più robusti e durevoli di altri. Ad esempio, a causa del loro design brushless, i motori a corrente continua brushless (BLDC) hanno generalmente una durata più lunga rispetto ai motori a corrente continua con spazzole.
• Condizioni operative: Fattori come temperatura, umidità, carichi d’urto e vibrazioni possono influenzare significativamente la durata. Anche i dispositivi di protezione motore, come la protezione da surriscaldamento e da sovratensione, servono a questo scopo.
• Ciclo di lavoro: La lunghezza e la frequenza di funzionamento influiscono sulla durata utile. I motori a funzionamento continuo spesso hanno una vita utile più breve.
• Manutenzione In generale, i motori elettrici richiedono poca manutenzione; i motori elettrici con spazzole/contatti abrasivi sono l’eccezione. Tuttavia, ispezioni e manutenzione regolari, ad esempio di cuscinetti e parti usurate, possono prolungare significativamente il ciclo di vita di un motore.

Raffreddamento motore elettrico

Il raffreddamento dei motori elettrici è fondamentale per garantire che funzionino in modo efficiente e rimangano entro temperature operative sicure. Il surriscaldamento può ridurre significativamente la durata di un motore elettrico e causare malfunzionamenti. Ecco alcuni metodi comuni per raffreddare i motori elettrici:

• Raffreddamento ad aria
• Alette di raffreddamento e dissipatori
• Refrigerante
• Raffreddamento olio
• Raffreddamento a liquido
• Sensori e controlli di temperatura