Motori elettrici di diversa struttura e potenza
Tralasciando i motori omopolari, il cui interesse nel settore degli azionamenti risulta del tutto trascurabile, i motori elettrici possono venire suddivisi in quattro grandi famiglie:
I motori a collettore sono caratterizzati dalla presenza del sistema collettore-spazzole, che svolge le funzioni di un convertitore di frequenza (convertitore alternata-continua); la descrizione della loro struttura sarà effettuata in seguito.
Struttura di un motore in Corrente Continua
Rotore di un motore in Corrente Continua
Nei motori con avvolgimento di eccitazione il campo magnetico di eccitazione è prodotto da un avvolgimento (avvolgimento di eccitazione), posto sullo statore della macchina, che può venire alimentato (con collegamento in serie, in parallelo o composito) dallo stesso convertitore che alimenta l avvolgimento collegato al collettore (avvolgimento di armatura) oppure da un apposito convertitore (motore ad eccitazione indipendente); nei motori a magneti permanenti, invece, il campo magnetico è prodotto da magneti permanenti inseriti nella struttura dello statore.
I motori universali sono dei particolari motori a collettore, caratterizzati da un avvolgimento eccitazione posto in serie all avvolgimento di armatura, che possono venire alimentati sia in corrente continua che in corrente alternata; il loro impiego è praticamente limitato a piccoli elettrodomestici o utensili motorizzati.
I motori sincroni sono alimentati con una tensione alternata trifase e presentano la proprietà di ruotare ad una velocità rigidamente legata alla frequenza della tensione di alimentazione. Come nei motori in corrente continua, anche nei motori sincroni il flusso può essere prodotto da un avvolgimento di eccitazione o da magneti permanenti.
Motore sincrono a magneti permanenti
Negli azionamenti di piccola potenza (fino a qualche decina di kw) vengono essenzialmente impiegati motori a magneti permanenti, mentre quelli con avvolgimento di eccitazione trovano impiego solo in applicazioni di elevata potenza (dell ordine dei MW). Negli azionamenti di piccola potenza, infine, oltre ai motori caratterizzati dalla usuale distribuzione spaziale dell induzione di tipo sinusoidale (motori sincroni sinusoidali) vengono anche impiegati motori sincroni nei quali la distribuzione spaziale dell induzione è di tipo trapezoidale (motori sincroni trapezoidali).
I motori a riluttanza sono caratterizzati da un circuito magnetico fortemente anisotropo (motore sincrono a riluttanza e motore a isteresi) oppure da uno statore con un numero di denti diverso da quello dei denti rotorici (motore a passo e motore commutato a riluttanza).
Negli azionamenti di piccola potenza (minore di 100 W) per movimentazione (ad esempio driver per CD e per dischi fissi) trovano largo impiego in i motori a passo mentre i motori sincroni a riluttanza e i motori commutati a riluttanza, pur presentando peculiarità alquanto interessanti, non hanno fino ad oggi trovato un impiego consistente a causa delle difficoltà costruttive del motore, nel caso di motori sincroni a riluttanza, o di difficoltà di controllo del convertitore, nel caso di motori commutati a riluttanza.
I motori asincroni, detti anche motori ad induzione, sono alimentati con una tensione, o una corrente, alternata ma, a differenza dei motori sincroni, la loro velocità di rotazione dipende, oltre che dalla frequenza della tensione di alimentazione, anche dalla coppia resistente del carico.
Il circuito elettrico di statore è costituito da un avvolgimento, monofase o trifase, che, nel caso trifase, risulta identico a quello di un motore sincrono a distribuzione spaziale sinusoidale. Il circuito di rotore può essere realizzato mediante un avvolgimento trifase o un circuito (detto a gabbia di scoiattolo) costituito da barre conduttrici trasversali cortocircuitate tra loro mediante appositi anelli. I motori con statore monofase sono in genere di piccola potenza; le loro limitate possibilità di controllo li rendono difficilmente impiegabili in azionamenti a velocità variabile dove, invece, trovano largo impiego i motori asincroni con alimentazione trifase e, in particolare, quelli con rotore a gabbia.
Motore asincrono a rotore avvolto
Motore asincrono con rotore a gabbia
Rotore a gabbia di scoiattolo
I normali motori asincroni a gabbia presenti sul mercato sono realizzati per una alimentazione diretta dalla rete di distribuzione; pertanto, la loro progettazione viene effettuata in modo da limitare la corrente ed aumentare la coppia durante l avviamento da rete (motori a doppia e tripla gabbia o a gabbia profonda). Negli azionamenti a velocità variabile la condizione precedentemente menzionata non si verifica mai; è pertanto conveniente, specialmente quando si desiderano elevate prestazioni dinamiche e/o elevate velocità massime, ricorrere a motori appositamente progettati (motori asincroni per inverter).
Si può, infine, osservare che nei motori a magneti permanenti lo scopo dei magneti è quello di generare, all interno della macchina, un campo magnetico (campo magnetico impresso) che, interagendo con le correnti che circolano nell avvolgimento di armatura, nel motore in c.c., o nell avvolgimento di statore, nel motore sincrono, produce la coppia motrice; la stessa funzione viene svolta, nei motori in c.c. ad eccitazione indipendente o nei motori sincroni con avvolgimento di eccitazione, dall avvolgimento di eccitazione. Viceversa il motore asincrono presenta un unico avvolgimento alimentato (avvolgimento di statore) che serve a produrre sia il campo magnetico sia la coppia motrice.
Come già accennato nell introduzione, nel seguito verrà effettuata una trattazione dei diversi tipi di azionamenti, prendendo in considerazione solo quelli che presentano il maggior interesse industriale e, in particolare, quelli che impiegano un: motore in corrente continua ad eccitazione indipendente; motore in c.c. a magneti permanenti; motore sincrono sinusoidale a magneti permanenti; motore sincrono trapezoidale a magneti permanenti; motore asincrono trifase a gabbia.