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Come si fa a mettere e mantenere in movimento gli oggetti senza ricorrere alla forza muscolare? Mentre in una macchina a vapore l’energia meccanica viene generata con l’ausilio di vapore acqueo caldo, o meglio della pressione del vapore, un motore elettrico utilizza l’energia elettrica come sorgente. Per questo motivo viene anche definito trasformatore elettromeccanico.
La controparte del motore elettrico è il generatore, di struttura simile. Esso trasforma l’energia meccanica del movimento in potenza elettrica. Il principio fisico di base per entrambi è l’ induzione elettromagnetica. Nel generatore viene indotta corrente e si genera energia elettrica quando un conduttore si trova in un campo magnetico mobile. Nel motore elettrico, invece, è un conduttore con flusso di corrente a indurre campi magnetici. Le forze reciproche di attrazione e repulsione tra questi campi costituiscono la base per la generazione del movimento.
In linea di massima, la struttura interna di un motore elettrico è costituita dallo statore e dal rotore. Il termine "statore" deriva dal verbo latino "stare" = "rimanere fermo". Si tratta del componente fisso di un motore elettrico. È saldamente collegato alla carcassa, anch’essa fissa. Al contrario, il rotore è montato sull’albero motore ed è mobile (ruotabile).
In un motore trifase, lo statore contiene l'anima in lamiera,avvolta da fili di rame. Questo avvolgimento funge da bobina e, quando viene attraversato dalla corrente, genera un campo magnetico rotante. Grazie a questo campo magnetico generato dallo statore, nel rotore viene indotta una corrente che, a sua volta, genera un campo elettromagnetico attorno al rotore. Ciò fa sì che il rotore, insieme all’albero motore, ruoti seguendo il campo rotante dello statore.
Il compito del motore elettrico è quello di azionare, tramite il movimento rotatorio generato, un riduttore (convertitore di coppia e di velocità) oppure, nel caso di un motore di rete, un’applicazione direttamente.
All’origine di tutte le invenzioni c’era il motore a corrente continua. Oggi, tuttavia, i I motori trifase di diverse forme costruttive sono i motori elettrici più diffusi nell'industria. Tutti hanno in comune il movimento rotatorio risultante dell'asse del motore. Il modo di funzionamento dei motori trifase si basa sul principio elettromagnetico del motore a corrente continua.
Come la maggior parte dei motori elettrici, il motore a corrente continua è composto da una parte fissa, lo statore, e da una parte ruotabile, il rotore. Lo statore è costituito da un elettromagnete, con cui viene indotto un campo magnetico, oppure da magneti permanenti che generano un campo magnetico in modo continuo. All’interno di questo statore si trova un rotore, detto anche armatura, avvolto da una bobina. Quando la bobina viene collegata a una fonte di corrente continua (una batteria, un accumulatore o un alimentatore in tensione continua), genera un campo magnetico e il nucleo di ferro del rotore si trasforma in un elettromagnete. Il rotore è montato su cuscinetti ruotabili che ne consentono la rotazione e si allinea in modo tale che i poli attrattivi, cioè opposti, del campo magnetico si trovino uno di fronte all’altro – il polo nord dell’armatura di fronte al polo sud dello statore e viceversa.
Per imprimere al rotore un movimento rotatorio continuo, l’orientamento magnetico deve essere invertito ripetutamente. Ciò avviene modificando la direzione della corrente nella bobina. A tal fine, il motore dispone di un cosiddetto commutatore. A questo sono collegati i due contatti di alimentazione ed è lui a svolgere la funzione di inversione di polarità. Le forze alternate di attrazione e repulsione fanno sì che l’armatura / il rotore continui a ruotare.
I motori a corrente continua vengono impiegati prevalentemente in applicazioni con potenze ridotte. Tra queste figurano utensili di piccole dimensioni, dispositivi di sollevamento, ascensori o veicoli elettrici.
Anziché di corrente continua, un motore trifase necessita di corrente trifase, ovvero corrente alternata trifase. Nel motore asincrono, il rotore è un cosiddetto rotore a gabbia di scoiattolo. La rotazione deriva dall’induzione elettromagnetica di questo rotore. Nello statore sono disposti avvolgimenti (bobine) sfalsati di 120° per ciascuna fase della corrente trifase (disposti a triangolo). Quando vengono collegate alla corrente trifase, queste bobine generano ciascuna un campo magnetico che ruota al ritmo della frequenza di rete sfasata nel tempo. Il rotore elettromagnetico viene trascinato da questi campi magnetici e ruota. In questo modo non è necessario un commutatore come nel motore a corrente continua.
I motori asincroni sono anche chiamatimotori a induzione, poiché funzionano esclusivamente grazie alla tensione indotta elettromagneticamente. Funzionano in modo asincrono perché la velocità periferica del rotore indotto elettromagneticamente non raggiunge mai la velocità di rotazione del campo magnetico (campo rotante). A causa di questo scorrimento, il rendimento dei motori asincroni trifase è inferiore rispetto a quello di un motore a corrente continua.
Nei motori sincroni, il rotore è dotato di magneti permanenti anziché di avvolgimenti o barre conduttrici. In questo modo si elimina l’induzione elettromagnetica del rotore e il rotore gira in modo sincrono, senza scorrimento, alla stessa velocità periferica del campo magnetico dello statore. Il rendimento, la densità di potenza e le velocità possibili sono quindi nettamente superiori nel motore sincrono rispetto al motore asincrono. Tuttavia, la struttura dei motori sincroni è anche notevolmente più complessa e dispendiosa.
Oltre alle macchine rotanti prevalentemente diffuse nell’industria, sono necessari anche azionamenti per movimenti su traiettorie rettilinee o curve. Tali profili di movimento si riscontrano soprattutto nelle macchine utensili e nei sistemi per il posizionamento e la movimentazione.
I motori elettrici rotanti possono sì convertire il loro movimento rotatorio in un movimento rettilineo tramite un riduttore, ottenendolo quindi in modo indiretto. Spesso, tuttavia, non dispongono della dinamica necessaria per realizzare movimenti o posizionamenti «traslatori» particolarmente impegnativi e rapidi.
È qui che entrano in gioco i motori lineari, che generano direttamenteilmovimento traslatorio (azionamenti diretti). Il loro modo di funzionamento deriva da quello dei motori elettrici rotanti. A tal fine, si immagini un motore rotante “aperto”: lo statore, precedentemente rotondo, diventa un percorso di avanzamento piano (pista o binario) che viene percorso. Il campo magnetico si forma quindi lungo questo percorso. L’induttore, che nel motore trifase corrisponde al rotore e lì ruota in cerchio, nel motore lineare viene trascinato dal campo magnetico dello statore, che si muove longitudinalmente, lungo il percorso di avanzamento in linea retta o in curva sotto forma di cosiddetta slitta o traslatore.
L’invenzione del motore elettrico non può essere attribuita a una singola persona. Alla sua scoperta hanno contribuito le ricerche di numerosi inventori. Nel XIX secolo l’interesse per l’elettrotecnica crebbe sempre di più, stimolando i ricercatori di tutto il mondo. Le nuove invenzioni si susseguirono a ritmo serrato.
Poiché i primi motori elettrici dipendevano dall’alimentazione di corrente fornita dalle batterie allo zinco, la strada da percorrere prima che potessero competere seriamente con le macchine a vapore allora dominanti era ancora lunga. La situazione cambiò con lo sviluppo dei primi generatori di corrente.
Ma anche in questo caso c’erano dei limiti. La corrente continua prodotta dai generatori non poteva essere trasportata su lunghe distanze. Solo con l’introduzione della corrente alternata e trifase, che potevano essere fornite anche su lunghe distanze senza grandi perdite, nonché con l’invenzione del motore trifase, si è verificata la svolta.
Ecco una breve panoramica, non esaustiva, dei dati e dei fatti storici:
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