Motori elettrici

Nella prima parte della nostra serie di articoli abbiamo esplorato la storia dei motori elettrici, delineando le principali tipologie e presentando i componenti più importanti. In questo articolo, approfondiremo il motore asincrono trifase.

Nonostante molte persone associno il termine ‘motore elettrico’ unicamente all’unità motrice delle moderne auto elettriche, in realtà non esiste un consenso unanime tra i produttori riguardo al tipo di motore più adatto. Nel mercato, la versione asincrona trifase ha guadagnato una grande popolarità sul mercato, un fenomeno che cercheremo di spiegare nell’articolo di oggi.

Descrizione generale

Un motore asincrono trifase, chiamato anche motore a induzione, è una delle macchine elettriche più popolari e semplici. Esiste anche una variante monofase, che viene solitamente utilizzata per attività con requisiti di prestazioni inferiori.

Principio di funzionamento

Come già descritto nel primo articolo, il motore può essere suddiviso in due parti principali: la parte rotante e quella stazionaria. Quest’ultima include un avvolgimento multifase che genera un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico attraversa, l’avvolgimento del rotore, inducendo una tensione al suo interno.

L’avvolgimento forma un circuito chiuso o cortocircuito, permettendo così la circolazione di corrente all’interno del circuito elettrico grazie alla tensione indotta. Di conseguenza, il rotore inizia a ruotare per evitare l’intersezione delle linee di forza, conformemente alla legge di Lenz.

Se i parametri del rotore raggiungono il valore del campo magnetico dello statore, la linea di intersezione delle forze scompare. In pratica ciò non accade perché il rotore funziona sempre in ritardo. Questo ritardo è chiamato slittamento.

Questo valore può essere calcolato come segue:

s = (n0 -n)/n0

Dove:

• s è il valore di scorrimento
• n0 è la velocità sincrona
• n è la velocità attuale

In alcuni campi, lo slittamento è solitamente espresso in percentuale, nel qual caso la formula viene modificata con un moltiplicatore aggiuntivo:

s% = ((n0 -n)/n0 ) ∙ 100

La velocità esatta alla quale lo statore e il rotore verranno sincronizzati può essere determinata dalla seguente formula:

n0 = f/p

Dove:

• n0 è la velocità sincrona
• f è la frequenza della rete
• p è il numero di coppie polari

Dalla formula sopra, è evidente che lo scorrimento è 1 quando il rotore è stazionario e 0 quando si muove alla stessa velocità sincrona. Uno scorrimento di 1 significa che la macchina asincrona è ferma. Tuttavia, anche con uno scorrimento di zero, il motore non può trasmettere coppia perché non c’è tensione indotta.

Ne consegue direttamente che il motore non è in grado di funzionare a velocità sincrona sotto carico, poiché necessita sempre di uno scorrimento minimo per funzionare. Pertanto le due parti principali del motore non sono mai sincronizzate, da qui il nome “asincrono”.

Ciò a sua volta porta ad uno degli svantaggi più gravi: poiché il motore non può funzionare a velocità sincrona, richiede un controllo della velocità ad anello chiuso anche a carico costante. Inoltre è necessaria un’alimentazione trifase con convertitore di frequenza.

Tuttavia, è ancora il tipo di motore più durevole, semplice, compatto e praticamente esente da manutenzione, quindi nonostante i suoi difetti è un’ottima soluzione per l’alimentazione dei veicoli.

Costruzione

Generalmente sia il rotore che lo statore di un motore asincrono trifase sono ricoperti da uno strato isolante. Questo per evitare perdite sotto forma di correnti parassite. Lo statore è dotato di un avvolgimento bifase o trifase e il rotore ha la forma di una gabbia o è anche avvolto.

Esistono due tipi principali di design, di cui uno è la macchina asincrona ad anello collettore. In questo caso, i punti finali dell’avvolgimento del rotore sono collegati all’anello collettore. Il contatto in questo sistema viene stabilito direttamente o tramite un resistore, che consente di controllare la velocità e la coppia.

Nel caso di un rotore a gabbia di scoiattolo, non è necessario (nè possibile) rimuovere l’avvolgimento del rotore o utilizzare resistori: si tratta dei cosiddetti rotori a gabbia di scoiattolo. L’avvolgimento del rotore viene realizzato durante il processo di fusione. Si formano delle scanalature e quindi l’avvolgimento viene installato in esse. Le aste risultanti sono collegate direttamente tra loro nelle teste di avvolgimento.

Rispetto alla soluzione ad anelli collettori, ha un design più semplice e richiede anche meno manutenzione. Inoltre, consente di utilizzare l’intera sezione trasversale delle scanalature del rotore, mentre nel caso di un motore a commutazione di poli non è necessario avvolgere il rotore per ogni numero di poli.

Modalità di funzionamento

Uno dei maggiori vantaggi dei motori elettrici rispetto ai motori a combustione è che possono funzionare in diverse modalità operative. Non è diverso nel caso di un motore asincrono trifase.

Modalità operativa del motore

La modalità generale è quella utilizzata più spesso. L’azionamento elettrico converte l’energia elettrica fornita in movimento rotatorio.

Modalità operativa del generatore

Il motore elettrico converte l’energia meccanica fornita in energia elettrica. Una macchina asincrona non è in grado di funzionare come un generatore isolato con potenza propria, ma svolge il lavoro sulla rete elettrica.

Vale la pena notare che quando il generatore è in funzione, la velocità di uscita è sempre superiore alla velocità di ingresso, quindi lo scorrimento diventa negativo e il rotore “supera” il campo magnetico.

Le auto elettriche utilizzano questa modalità per il processo di recupero.

Modalità operativa di frenatura

Di solito si tratta di una condizione transitoria quando si cambia la direzione di rotazione. In questo caso l’albero ruota nella direzione opposta al campo magnetico creato nello statore. Il motore elettrico converte sia l’energia elettrica che quella meccanica in entrata in calore, che viene rilasciato nell’ambiente circostante.

Autovetture con motore asincrono trifase

Naturalmente, ogni produttore cerca di trovare ulteriore potenziale nei propri motori elettrici, quindi non si può affermare categoricamente che utilizzino tutti la stessa macchina asincrona, ma solo che utilizzano gli stessi principi fisici durante la creazione della struttura.

Questo motore può essere trovato nei veicoli basati sulla piattaforma MEB del gruppo VW-Audi, in tutte le Tesla attualmente disponibili (S, 3, X, Y) e, ad esempio, nella Mercedes EQC.