Il motore asincrono trifase rappresenta la categoria più diffusa di motori elettrici industriali. Il suo principio di funzionamento deriva da una diretta applicazione del campo magnetico rotante o campo di Galileo Ferraris.

Indice:

Struttura del Motore Asincrono

Il motore asincrono è costituito da due principali componenti, lo statore ed il rotore.

Statore

Possiamo immaginare lo statore come un cilindro cavo sul quale vengono disposti tre avvolgimenti a 120°, in maniera simile a quanto riassunto dalla seguente figura:

Se questi avvolgimenti vengono alimentati con una terna simmetrica di tensioni (ovvero trifase), le correnti che circolano in essi sono sfasate di 120 e costituiscono una terna equilibrata. La principale conseguenza di quanto detto è la generazione del campo magnetico rotante.

Rotore

Il rotore è invece un cilindro pieno sul quale vengono sistemati altri tre avvolgimenti ancora una volta disposti nello spazio in maniera tale da formare angoli da 120°. Il rotore nel motore asincrono è libero di ruotare all’interno della cavità statorica in posizione perfettamente centrata, grazie al fatto che sull’asse solidale ad esso vengono calettati due cuscinetti a loro volta sostenuti da due supporti solidali con lo statore. Gli avvolgimenti del rotore non vengono solitamente realizzati con il classico filo di rame isolato con vernice trasparente. Per esempio, nel rotore a gabbia di scoiattolo vengono ricavate delle cave longitudinali all’interno delle quali vengono introdotte delle sbarre conduttrici le cui testate sporgenti da una parte e dall’altra del circuito rotorico sono collegate fra loro per mezzo di due anelli. Esistono comunque anche motori a rotore avvolto adatti per potenze molto elevate.

Campo magnetico rotante di rotore

Gli avvolgimenti del rotore subiranno ovviamente l’influenza del campo magnetico rotante. Infatti il campo li taglierà, inducendo in essi una forza elettromotrice indotta (f.e.m.i.). Se gli avvolgimenti sono chiusi, oltre alla nascita della f.e.m.i., si assisterà alla circolazione di corrente. Poiché le correnti indotte sono sfasate di 120° nel tempo, è possibile concludere che anche il rotore genera un campo magnetico rotante che prende appunto il nome di campo magnetico rotante di rotore. Questo ruota ad una velocità angolare rispetto al rotore ed è pari alla pulsazione delle stesse grandezze rotoriche.

Fenomeno della rotazione

Come è noto, su un conduttore attraversato da corrente immerso in un campo magnetico, agisce una forza elettrodinamica. Risulta quindi evidente che sui conduttori degli avvolgimenti del rotore agiscono delle forze. Considerando una spira di tali avvolgimenti, è possibile osservare che, sebbene la forza risultante sia nulla, si configura una coppia di forze di braccio non nullo. Tale coppia esercita pertanto un momento meccanico che tende a far ruotare il rotore, come riassunto nella seguente figura:

Il principale effetto del campo magnetico rotante di statore è quindi quello di mettere in rotazione il rotore. La coppia che agisce sul rotore sarà nulla quando la velocità meccanica di questo Wm sarà pari alla velocità del campo magnetico rotante. Ovviamente tale condizione ha puro carattere teorico e nella realtà gli attriti tendono a rallentare il rotore, permettendo di nuovo il rafforzamento della coppia.

Il legame tra velocità del campo magnetico di statore Ws, velocità del campo magnetico di rotore Wr e velocità meccanica del rotore Wm, è espresso dalla relazione:

Wr = WsWm (1)

Ricordiamo che le velocità del campo di statore e di rotore sono anche le pulsazione delle grandezze statoriche e rotoriche. E’ possibile notare che i campi magnetici di rotore e di statore ruotano alla stessa velocità rispetto ad un osservatore fisso. Infatti, rispetto a tale osservatore, il campo di statore ruota alla velocità Ws, mentre quello di rotore alla velocità Wm + Wr. Tenendo a mente l’equazione (1), possiamo quindi concludere che dal punto di vista dell’osservatore fisso i due campi hanno la stessa velocità di rotazione.

Altre applicazioni del Motore Asincrono

Il motore asincrono è una macchina molto versatile che può funzionare anche in altre modalità. Di seguito alcuni esempi significativi:

Variatore di Frequenza
Dall’equazione (1) risulta evidente che, imponendo la velocità del rotore, è possibile regolare la pulsazione delle grandezze rotoriche e quindi la frequenza. Ovviamente, affinché il motore asincrono sia utilizzabile in questo modo, è necessario che sia possibile prelevare le grandezze rotoriche. Questo è possibile nei motori a rotore avvolto grazie all’utilizzo dei cosiddetti contatti striscianti (comunemente chiamati spazzole) su degli anelli solidali al rotore.

Trasformatore
Per questo tipo di funzionamento è necessario che le grandezze rotoriche abbiano la stessa frequenza delle grandezze statoriche, e quindi che il rotore sia bloccato. Infatti, in questo caso, essendo Wm = 0, ancora una volta per l’equazione si ha Wr = Ws. Anche in questo caso le grandezze rotoriche vengono prelevate tramite contatti striscianti.

Variatore di Fase
In questo caso è sufficiente bloccare il rotore in una particolare posizione ed ottenere sul rotore una f.e.m. con sfasamento legato alla posizione di bloccaggio.

Freno
Per capire come sia possibile questa applicazione, è possibile immaginare di avere una coppia esterna opposta a quella indotta dal campo di statore.

Alternatore
E’ una macchina sincrona nella quale il rotore è alimentato in corrente continua e in rotazione ad una velocità angolare coincidente con la pulsazione della f.e.m. da produrre. Il fenomeno dell’induzione avviene grazie alla rotazione (dovuta al movimento meccanico) del campo magnetico costante generato nel rotore.

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