IL CAMPO MAGNETICO ROTANTE TRIFASE
Consideriamo adesso un rotore che ha 3 paia di avvolgimenti montati in spazi uguali. Due serie di bobine della stessa coppia sono diametralmente opposti e sono collegate in serie. Questo crea tre serie di avvolgimenti montati meccanicamente a 120° tra loro. Se alimentiamo con una tensione trifase i tre avvolgimenti, le correnti nei tre avvolgimenti avranno lo stesso valore ma spostate nel tempo di un angolo di 120° tra loro.
Durante il mezzo ciclo positivo della fase R, la corrente fluirà in questa direzione lungo questi due avvolgimenti. In accordo con la regola della mano destra, il flusso magnetico è in questa direzione, creando le polarità Nord e Sud.
Nel mezzo ciclo negativo invece, la corrente fluirà in direzione opposta, perciò anche le linee di flusso magnetico cambieranno direzione.
Per la fase Y durante i mezzicicli positivo e negativo, le linee di flusso saranno in questa direzione.
Per la fase B durante i mezzicicli positivo e negativo, le linee di flusso saranno in questa direzione.
La grandezza del flusso è direttamente proporzionale alla corrente, così come la corrente varia nel tempo, il flusso magnetico creato dalle tre fasi varierà di conseguenza come mostrato.
Come le linee di flusso non possono incrociarsi, i tre flussi combinano nel produrre un campo magnetico avente una grossa polarità Nord e un’altra polarità Sud.
Questo vuol dire che questo statore produce un campo a 2 poli. Il campo magnetico ruota con il tempo e fa un giro completo in un ciclo del flusso corrente. La velocità di rotazione dipende dalla durata di un ciclo o dalla frequenza di alimentazione e dal numero dei poli. Affinchè la velocità di rotazione del campo è necessariamente sincronizzata con la frequenza di alimentazione, essa è chiamata velocità di sincronismo.
Se la frequenza è 50 Hz, il campo risultante fa un giro in 1/50, che sono 3000 giri al minuto. La velocità di sincronismo può essere ridotta aumentando il numero delle coppie polari.
Lo scorrimento della corrente trifase attraverso questi avvolgimenti causa la formazione di quello che Galileo Ferraris aveva già scoperto nel lontano 1885, ovvero un campo magnetico rotante. E appunto questo campo magnetico rotante, acronimo inglese RMF, Rotating Magnetic Field, che causa la rotazione del rotore.
Per capire come viene generato il campo magnetico rotante e le sue proprietà, prendiamo come esempio una versione semplificata di un avvolgimento statorico. Questo avvolgimento è costituito da tre bobine disposte a 120 gradi l'una dall'altra. Un cavo lungo il quale score della corrente elettrica genera un campo magnetico attorno adesso.
Seguendo le variazioni della corrente alternata, il campo magnetico assumerà diversi orientamenti e modulo. Se confrontiamo queste tre istanze, possiamo notare che è come rappresentassero la sequenza di rotazione di un campo magnetico.
Come avevamo potuto osservare nel nostro esperimento sulla dimostrazione della forza di Lorentz, il filo di stagno percorso dalla corrente elettrica e immerso in un campo magnetico, subiva una forza perpendicolare al movimento delle cariche che lo faceva ruotare.
Anche in questo caso una forza elettromagnetica sarà prodotta sull'anello e il rotore ad esso collegato inizierà dunque a ruotare. Lo stesso fenomeno si verifica anche all'interno di un motore induzione, l'elettricità indotta sul rotore grazie all'induzione elettromagnetica e non dalla connessione elettrica diretta.
Qui invece di una semplice spira, viene utilizzato un rotore a gabbia di scoiattolo. Anche qui la corrente alternata trifase che passa attraverso lo statore produce un campo magnetico rotante. Come nel caso precedente la corrente verrà indotta nelle barre della gabbia scoiattolo che, essendo in corto circuito dagli anelli di estremità, permettono la rotazione del rotore. Ecco perché questo motore è chiamato motore a induzione.
Per favorire tale induzione elettromagnetica, degli strati di lamine in ferro sono racchiuse all'interno del rotore. Queste lamine sottili di materiale ferromagnetico favoriscono l'induzione magnetica limitando al minimo le correnti parassite. Possiamo intuire che il motore a induzione è un grande vantaggio, è per natura autoavviante, ovvero sviluppa spontaneamente ed automaticamente variando la propria velocità, una coppia motrice atta a controbilanciare la coppia resistente, applicata all'albero motore, determinando un funzionamento stabile.
In questa animazione vediamo che sia il campo magnetico che il rotore stanno ruotando. Ma quale velocità ruoterà il rotore ? Per ottenere la risposta a questa domanda dobbiamo prendere in considerazione diversi casi. Consideriamo il caso in cui la velocità del rotore sia uguale a quella del campo magnetico. Dato che il campo magnetico e le spire ruotano alla stessa velocità, il campo magnetico non viene mai sezionato dalle spire e quindi la forza di Lorentz è nulla. Questo si traduce in una coppia nulla sulla barra del rotore e il rotore rallenterà gradualmente. Mentre rallenta il campo magnetico verrà sezionato dalle spire e quindi la corrente e le forze indotte aumenteranno di nuovo, il rotore dunque aumenterà la velocità. In breve il rotore non sarà mai in grado di raggiungere la velocità del campo magnetico, ruota ad una velocità specifica leggermente inferiore alla velocità sincrona.
La differenza tra la velocità sincrona e quella del rotore è nota come velocità di slittamento. Ora capiamo perché i motori a induzione sono così diffusi sia in ambito industriale che in ambito domestico. È possibile anche notare che i motori a induzione non hanno un magnete permanente, non hanno nemmeno spazzole, anelli di commutazione o sensori di posizione come le altre tipologie di macchine elettriche. I motori a induzione sono assolutamente autonomi.
Il loro maggior vantaggio è che la loro velocità può essere regolata facilmente controllando la frequenza della potenza di alimentazione. Per spiegarlo meglio consideriamo ancora una volta la versione semplificata di un avvolgimento di statore. Abbiamo già appreso che il campo magnetico rotante è generato a causa della tensione trifase in ingresso. È dunque chiaro che la velocità del campo magnetico rotante è proporzionale alla frequenza dell’alimentazione elettrica. Poichè il rotore cerca sempre di allinearsi al campo magnetico, anche la velocità del rotore è proporzionale alla frequenza dell’alimentazione alternata.
MOTORI A CORRENTE ALTERNATA
Vediamo nel seguito nei dettagli come è fatto un motore elettrico. Principalmente è costituito da due parti : uno statore che è parte fissa con l’involucro e il rotore che è la parte che trasmette l’energia meccanica attraverso l’asse su cui è costruito. Lo statore contiene diverse scanalature ognuna delle quali contiene una serpentina di rame. Più potente è il motore più grande è lo statore e più larghe sono le scanalature. Il primo passo consiste nel riempire le scanalature con materiale isolante che manterrà il voltaggio lungo le serpentine.
Tanti fili di rame uniti tra loro da macchine programmate, più grande è il motore più fili costituiscono le serpentine. In questo motore ogni serpentina consiste in 13 fasci di fili di rame
Successivamente vengono legate le serpentine, queste serve ad impedire che i fili si sciolgono durante l’inserimento delle serpentine nelle scanalature dello statore. Ogni serpentina una volta inserita nella scanalatura viene coperta da un foglio di lana di vetro, poi si isola la parte delle serpentine che resta fuori dalle scanalature con fogli di lana di vetro. Successivamente vengono inseriti fermi di lana di vetro per fissare le serpentine all’interno delle scanalature.
Quando tutte le serpentine sono state applicate ed isolate, si prepara per la connessione, ogni estremità di serpentina viene isolata con una guaina, 13 serpentine 26 estremità. Poi si raggruppano questi cavi isolati in larghi cavi. I numeri di fili per cavo varia a seconda della velocità e della potenza del motore. I fili dopo essere stati raggruppati sono saldati, alcuni vengono inseriti nello statore ed altri liberi a portata di mano in modo da poter essere collegati ad una fonte di energia una volta che il motore è stato installato. Usando una corda di poliestere resistente al calore e ai reagenti chimici si procede a legare saldamente le serpentine per assicurare che non si potranno muovere quando il rotore girerà. Questa unità di serpentine è denominata avvolgimento dello statore.
Successivamente si sommerge lo statore in una vasca contenente vernice a base di poliestere che viene fatta così penetrare al suo interno. Questo processo rende l’avvolgimento dello statore resistente all’umidità dopo di che viene posto in un forno a 135° C per 6 ore. La vernice si indurisce e rende isolante lo statore.
Poi si passa al bilanciamento del rotore che se è fuori fase il motore vibra diminuendo le sue prestazioni. Lo si bilancia così come il meccanico bilancia i pneumatici ma con una precisione 100 volte maggiore. A questo punto il rotore viene montato nello statore, il rotore girerà su sostegno di acciaio ovvero i cuscinetti che vengono dapprima riscaldati per posizionarli senza sforzo e poi soffiati per contrarli alla giusta dimensione. La stessa operazione vale per la chiusura posteriore e la chiusura anteriore del motore. Poi viene installata la ventola sulla copertura posteriore il cui compito è quello di raffreddare il motore e non farlo surriscaldare durante il funzionamento. La ventola viene bloccata con un sistema di sicurezza (in genere un anello elastico per esterni) e alla fine viene installata anche una copertura per suddetta ventola. Il motore ultimato viene sottoposto a vari test per essere accettato dai vari registri da cui sarà classificato.
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