La battaglia dei motori elettrici: asincrono trifase vs. sincrono

Nella prima parte della serie di articoli, abbiamo iniziato a discutere la storia dei motori elettrici, elencandone le principali tipologie e presentando i componenti più importanti. Nella seconda parte, ci siamo concentrati esclusivamente sul motore asincrono trifase.

Come abbiamo già accennato, i produttori non sono d’accordo su quale tipo di motore elettrico sia il più adatto. In questo articolo, presentiamo il più grande concorrente della versione asincrona trifase: il motore sincrono.

Descrizione generale

Un motore sincrono è un tipo fondamentale di macchina elettrica che converte l’energia elettrica in energia meccanica e, allo stesso tempo, può convertire l’energia meccanica in energia elettrica (in modalità generatore). Il suo rotore è eccitato da avvolgimenti alimentati da corrente continua o magneti permanenti, e lo statore ha un avvolgimento di corrente alternata multifase. Questo tipo di motore è stato originariamente utilizzato nel settore energetico come generatore, ma recentemente è diventato popolare anche come elemento di servoazionamenti e nell’industria automobilistica.

Di solito è chiamato motore sincrono o generatore sincrono a seconda dell’applicazione specifica

Il campo magnetico dei rotori è generato da elettromagneti o magneti permanenti. Su questa base si può parlare di un motore sincrono eccitato da corrente continua oppure con magneti permanenti. Nel primo caso, sul rotore sono presenti delle bobine attraverso le quali scorre la corrente continua. La corrente di eccitazione viene fornita al rotore della macchina tramite un anello collettore con spazzole. Le spazzole sono parti consumabili che necessitano di essere sostituite periodicamente, quindi la macchina necessita di una manutenzione periodica.

Nel caso di una soluzione a magneti permanenti, questi magneti sono solitamente costituiti da una lega di alluminio, nichel e cobalto (AlNiCo) o neodimio (NdFeB). Nel caso del magnete permanente non è necessario fornire corrente al rotore, né è necessaria un’eccitatrice. Lo svantaggio è però che l’eccitazione del rotore non può essere modificata. Generalmente questa tipologia viene utilizzata laddove non è necessaria la manutenzione del motore. Grazie alle sue dimensioni ridotte, questa unità può essere installata in moltissimi posti.

La forma del campo magnetico

A seconda della forma della funzione di distribuzione lungo il circuito di induzione magnetica, il motore sincrono può avere un campo magnetico quadrato o sinusoidale.

La distribuzione dell’induzione delle macchine a campo quadrato varia a seconda della funzione quadratica, dove il suo semiperiodo positivo rappresenta il polo nord e il semiperiodo negativo rappresenta il polo sud. Poiché esiste una correlazione tra la distribuzione dell’induzione e la funzione temporale della tensione indotta, le macchine sincrone a campo quadrato non sono destinate a generare elettricità.

Se la distribuzione dell’induzione è sinusoidale, la funzione temporale della tensione indotta negli avvolgimenti dello statore della macchina sarà anch’essa sinusoidale. Pertanto, la tensione prodotta sarà allo stesso modo sinusoidale, adattandosi perfettamente al profilo di uscita dei generatori della centrale. I motori sincroni di questo tipo devono essere alimentati da corrente alternata sinusoidale per fornire una coppia senza pulsazioni.

Principio di funzionamento

La differenza più evidente tra i motori sincroni e asincroni sono le loro condizioni operative.

Mentre la condizione fondamentale per la trasmissione della coppia nelle macchine asincrone è che il campo dello statore e il rotore non possano ruotare alla stessa velocità, per la versione sincrona si può considerare solo la rotazione del giunto alla stessa velocità. Nelle macchine sincrone, energizzando lo statore viene creato un campo statorico multifase, simmetrico e in costante rotazione: la sua velocità è chiamata velocità sincrona. Questa velocità è uguale alla velocità del rotore di una macchina sincrona rispetto allo statore a riposo.

La concorrenza stessa si verifica solo quando il rotore della macchina ruota a velocità sincrona. In generale, quindi, si può dire che una macchina sincrona può funzionare solo ad una certa velocità, cioè la velocità sincrona.

Tuttavia, la rotazione simultanea non è tutto. Esiste un angolo di fase tra il campo magnetico generato dallo statore e dal rotore, il che significa che il rotore ruota con un certo ritardo di fase rispetto al campo. L’entità dell’angolo di fase è proporzionale alla coppia erogata alla macchina. Se l’angolo di fase è zero, cioè non c’è differenza tra il campo magnetico rotante e il rotore, anche la coppia prodotta dalla macchina è zero. Un angolo di fase con segno negativo indica il funzionamento del generatore, ovvero in questo caso la macchina assorbe coppia sul proprio asse e fornisce corrente.

Motore sincrono nei veicoli

La popolarità dei motori sincroni a magneti permanenti nell’industria automobilistica è stata resa possibile principalmente dalla richiesta di maggiore efficienza e dalla diffusione di magneti estremamente potenti realizzati con metalli delle terre rare.

Lo straordinario vantaggio di tali motori è che aumentando il numero di poli non si peggiora né il fattore di potenza né l’efficienza del motore (che, tra l’altro, è superiore al 94%), e lo stesso non si può dire dei motori asincroni. Il peso del motore è inferiore. Fornisce una coppia elevata anche a bassi regimi e la sua efficienza rimane eccellente. Aumentando il numero di poli è possibile utilizzare magneti più piccoli e leggeri e, se non si desidera una coppia elevata, il corpo in ferro può anche essere più sottile.

In pratica, aumentando il numero di poli si ottiene una velocità inferiore e una coppia più elevata, consentendo in molte applicazioni industriali di rinunciare alle trasmissioni meccaniche. Questo però rappresenta anche uno svantaggio dal punto di vista dei veicoli: il motore deve poter funzionare senza marce o con una marcia fissa, in un intervallo di velocità molto ampio.

Per rimediare a ciò, il motore sincrono è dotato di ingranaggi meccanici commutabili o dei cosiddetti indebolimento del campo. Quest’ultimo prevede il bilanciamento dell’eccitazione dei magneti con la componente di corrente opposta.

Attualmente, il motore sincrono può essere trovato in veicoli come Volkswagen e-up!, BMW i3, Porsche Taycan e Nissan Leaf.

Tuttavia, l’uso di metalli delle terre rare non prevede un successo a lungo termine per questo tipo di macchine, e i produttori stanno lavorando per trovare una soluzione il prima possibile a causa della dipendenza dalle risorse minerarie.