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Introduzione
I motori a induzione – noti anche come motori asincroni – rappresentano il tipo di motore elettrico più diffuso attualmente in uso. Grazie al loro design semplice, costo contenuto, e elevata affidabilità, i motori a induzione trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni in tutti i settori dell'ingegneria.
Motore a Induzione
Tipi/Design
Esistono due principali tipologie di motore a induzione: monofase (1~) e trifase (3~).
I design dei motori a induzione monofase comprendono:
- Motori a induzione a fase divisa - utilizzati in apparecchiature dove la frequenza di avviamento è limitata e la potenza non supera 1 kW.
- Motori a induzione con avviamento a condensatore - impiegati in macchinari con carichi di inerzia più elevati e che richiedono avviamenti frequenti, come i trasportatori.
- Motori a induzione con avviamento e funzionamento a condensatore - simili ai motori con avviamento a condensatore; un condensatore aggiuntivo è installato per il funzionamento continuo del motore.
- Motori a induzione a polo ombreggiato – il design originale dei motori a induzione AC. Ancora utilizzati in piccoli dispositivi che richiedono una bassa coppia di avviamento, come giradischi, ventole di proiettori, ventole di fotocopiatrici, asciugacapelli, ecc.
I design dei motori a induzione trifase comprendono:
- Motori a induzione a gabbia di scoiattolo - scelti per la loro durata e bassa manutenzione. Questo design è il più comune tra i motori a induzione.
- Motori a induzione ad anello di scorrimento - offrono una coppia elevata e una bassa corrente di avviamento; utilizzati in applicazioni come ascensori, gru e paranchi.
Sebbene i motori a induzione esistano in molteplici varianti, questo articolo si concentra sul design del motore a induzione trifase a gabbia di scoiattolo poiché è di gran lunga il tipo più comune di motore a induzione.
Suggerimento - il termine ‘induzione’ si riferisce al fatto che la corrente elettrica è indotta nella gabbia del rotore durante il funzionamento del motore; questo differisce da altri motori dove la corrente del rotore è fornita da una fonte esterna.
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Componenti del Motore a Induzione
I due principali assemblaggi all'interno di un motore a induzione sono lo statore e il rotore; entrambi sono costituiti da componenti più piccoli.
Statore
Lo statore è la parte stazionaria del motore e consiste in un alloggiamento con slot e una serie di avvolgimenti.
Avvolgimenti dello Statore
Gli avvolgimenti ricevono potenza AC trifase, generando un campo magnetico attorno a ciascuno di essi, che si espande e si contrae con il flusso di corrente. Ogni avvolgimento è energizzato in coppie e in sequenza per produrre un campo magnetico rotante. Gli avvolgimenti dello statore sono solitamente realizzati in rame, sebbene siano disponibili altri materiali come l'alluminio.
Alloggiamento dello Statore
Lo statore è costruito impilando laminazioni di acciaio molto sottili e altamente permeabili all'interno di un telaio in acciaio o ghisa. Il telaio è fissato al pavimento e l'esterno del telaio è dipinto e visibile agli osservatori esterni. I materiali comuni per la costruzione del telaio del motore includono vari gradi di acciaio e ghisa.
Rotore
All'interno dello statore c'è un albero metallico solido, laminazioni, e una gabbia di scoiattolo; questo assemblaggio è noto come rotore ed è la parte rotante del motore.
L'albero del rotore ha solitamente una forma cilindrica lunga e sottile, ma ciò dipende dal design. Le laminazioni in acciaio, la gabbia di scoiattolo e i cuscinetti sono tutti montati sull'albero del rotore. Gli alberi del rotore sono solitamente realizzati in acciaio inossidabile, poiché è durevole, meccanicamente resistente e ha buone proprietà di resistenza alla corrosione e all'erosione.
Rotore del Motore a Induzione
La gabbia di scoiattolo è una struttura cilindrica che si adatta attorno all'albero con barre che si estendono tra le sue due estremità. A ciascuna estremità della gabbia di scoiattolo, sono attaccati anelli terminali per creare un circuito chiuso attraverso il quale scorrerà la corrente indotta. Le gabbie di scoiattolo sono tipicamente realizzate in rame o alluminio.
Gabbia di Scoiattolo del Motore a Induzione
Laminazioni di acciaio sottili sono inserite sulle barre della gabbia di scoiattolo e compresse tra gli anelli terminali; i materiali delle laminazioni del rotore sono simili a quelli utilizzati per le laminazioni dello statore. Le laminazioni non seguono un orientamento perfettamente dritto, ma sono leggermente inclinate per aumentare la coppia prodotta. Esiste un grado massimo di inclinazione che queste laminazioni possono adottare, e ciò dipende dal design del motore. L'inclinazione delle laminazioni riduce anche il rischio che il rotore del motore si 'blocchi' in una posizione tra i campi magnetici; questo scenario causa il blocco del rotore e non la rotazione anche quando la corrente è fornita agli avvolgimenti dello statore.
Scudi Terminali e Cuscinetti
Gli scudi terminali (campane terminali) sono montati alle estremità opposte del telaio di un motore; l'albero del rotore passa attraverso entrambi gli scudi terminali. Un'estremità dell'albero è l'estremità di trasmissione (collegata al carico) mentre l'altra è l'estremità non di trasmissione (solitamente collegata a una ventola di raffreddamento); entrambe le estremità dell'albero hanno chiavette per trasferire il moto meccanico dall'albero alle sue connessioni.
Cuscinetto Anti-Attrito
Scudi antipolvere possono essere installati tra l'albero e gli scudi terminali per prevenire l'ingresso di particelle estranee all'interno del motore. Le particelle estranee possono portare al deterioramento degli avvolgimenti del motore o di altre parti; l'ingresso di umidità è una delle forme più comuni di guasto del motore.
Alle estremità dell'albero del rotore, sono installati cuscinetti anti-attrito. Ogni cuscinetto è installato sull'albero del rotore e alloggiato in una rientranza all'interno di ciascuna campana terminale. Un cuscinetto è solitamente trattenuto utilizzando un c-clip (anello di ritenzione) mentre una rondella a molla è utilizzata per il cuscinetto opposto (dipendente dal design del motore). L'uso dei cuscinetti assicura che l'albero ruoti senza problemi e generi attrito minimo, il che è particolarmente importante poiché l'albero può ruotare a alte velocità.
Info – i motori più grandi non utilizzano cuscinetti anti-attrito, ma cuscinetti a strisciamento. Cambiare il tipo di cuscinetto utilizzato cambia anche notevolmente il design. Ad esempio, i cuscinetti a strisciamento richiedono più spazio, una forma di lubrificazione (solitamente olio), e non utilizzano rondelle a molla o anelli di ritenzione c-clip. I cuscinetti a strisciamento supportano anche carichi più elevati.
Ventola e Protezione Ventola
Attaccata all'estremità non di trasmissione dell'albero del rotore c'è una ventola assiale; quando il rotore ruota, anche la ventola ruota. La ventola forza l'aria attraverso l'esterno del telaio del motore per raffreddarlo durante il funzionamento. Le alette del telaio del motore fungono da scambiatori di calore e hanno una grande superficie di contatto, questo aumenta il tasso di trasferimento del calore dal motore all'aria e quindi aumenta la capacità di auto-raffreddamento del motore.
Una protezione della ventola protegge la ventola da corpi estranei di grandi dimensioni e protegge persone o oggetti vicini dalle pale della ventola in movimento.
Protezione Ventola Motore
Info - un motore surriscaldato può fondere l'isolamento attorno agli avvolgimenti e causare un corto circuito nel motore; questa modalità di guasto purtroppo non è rara ma può essere facilmente evitata fornendo sempre un adeguato raffreddamento.
Vantaggi e Svantaggi
Vantaggi del Motore a Induzione
- Ampio utilizzo - i motori a induzione sono utilizzati per una vasta gamma di applicazioni sia in ambienti domestici che industriali. Si stima che circa il 70% delle macchine utilizzate nell'industria oggi siano azionate da motori a induzione trifase.
- Economici e facili da installare - i motori a induzione a gabbia di scoiattolo non contengono spazzole, anelli di scorrimento, commutatori, magneti permanenti, sensori di posizione, o altri componenti che aumentano il loro costo complessivo. La loro costruzione semplice garantisce che siano generalmente facili da installare e mantenere. L'assenza di spazzole nei motori a induzione a gabbia di scoiattolo significa che non vengono creati scarichi elettrici (scintille) all'interno del motore (teoricamente). I motori a induzione possono quindi essere utilizzati in condizioni ambientali più pericolose a condizione che siano modificati per farlo (motori classificati Ex, ecc.).
- Bassa manutenzione - i motori a induzione richiedono livelli di manutenzione relativamente bassi, specialmente in confronto ai motori DC che contengono spazzole di carbonio che si deteriorano facilmente.
- Lunga durata - i motori a induzione sono considerati avere una lunga durata comparativa perché le loro parti sono meccanicamente resistenti, resistenti alla corrosione e all'erosione, e hanno bassi tassi di usura.
- Alta efficienza - i motori a induzione hanno alte efficienze.
- Auto-avvianti - i motori a induzione trifase sono intrinsecamente auto-avvianti, cioè, fornendo corrente elettrica agli avvolgimenti dello statore, il motore ruoterà, non è richiesta alcuna altra forza esterna.
Svantaggi del Motore a Induzione
- Poor coppia di avviamento - in base al loro design, i motori a induzione hanno tipicamente una bassa coppia di avviamento, un costo collaterale della loro alta efficienza. Per questo motivo, i motori a induzione non sono adatti per l'uso in applicazioni che richiedono alta coppia di avviamento. Tuttavia, collegare il motore indirettamente al carico, cioè tramite ingranaggi, pulegge, ecc., può aggirare questo problema.
- Basso fattore di potenza durante condizioni di carico leggero – durante l'avviamento e il basso carico, il motore richiede una grande corrente di magnetizzazione per superare la resistenza prodotta dal gap d'aria tra lo statore e il rotore. La somma vettoriale del carico e delle correnti di magnetizzazione causa il ritardo della tensione, conseguentemente producendo un basso fattore di potenza. A causa dell'alta corrente di magnetizzazione, il motore sperimenterà anche un aumento delle perdite di rame, che riduce la sua efficienza complessiva.
- Difficoltà nel controllo della velocità - poiché un motore a induzione trifase è un motore a velocità costante, subisce naturalmente molto poco in termini di variazione della velocità, rendendo difficile la manipolazione della sua velocità. Tuttavia, questo problema è stato mitigato significativamente negli ultimi anni grazie all'avanzamento e all'applicazione della tecnologia di controllo della frequenza a velocità variabile.
Annotazioni del Modello
Copertura della Ventola
Una copertura previene danni accidentali alla ventola e al personale.
Ventola Assiale
Una ventola è utilizzata per forzare il raffreddamento del motore. L'aria è aspirata attraverso le griglie della copertura della ventola a causa della pressione negativa creata dalla ventola, l'aria è quindi diretta attraverso l'alloggiamento del motore. L'aria che scorre raffredda il motore e riduce il rischio di surriscaldamento.
Dado
Dadi e bulloni sono utilizzati per fissare insieme le parti del motore. I dadi scelti dovrebbero avere caratteristiche di resistenza alla trazione e alla corrosione adeguate.
I dadi sono la parte 'femmina' di un assemblaggio dado e bullone.
Rondella di Bloccaggio
Le rondelle di bloccaggio sono utilizzate per applicare una forza di trazione continua (forza di allungamento) all'assemblaggio dado e bullone. La forza di trazione riduce la possibilità che il dado si allenti a causa delle vibrazioni.
Rondella Piana
La rondella piana distribuisce la forza di compressione esercitata dall'assemblaggio dado e bullone quando serrato. La rondella previene anche che il dado e il bullone 'scavino' nelle superfici metalliche quando vengono serrati.
Copertura Terminale del Motore
La copertura terminale ospita il cuscinetto, il c-clip e talvolta una guarnizione antipolvere. Le due coperture terminali supportano il peso dell'albero.
Alloggiamento del Cuscinetto
Il cuscinetto è alloggiato in questo spazio.
Alloggiamento del C-clip
Il c-clip è installato con pinze per c-clip. Dopo aver aperto le pinze, il c-clip si espande a causa delle forze di trazione residue. La forza residua mantiene il c-clip saldamente all'interno della scanalatura e previene il movimento assiale del cuscinetto.
Cuscinetto a Sfere Sigillato
Un cuscinetto a sfere sigillato consente al rotore di ruotare senza trasferire il moto rotatorio ad altre parti stazionarie, cioè l'alloggiamento del motore.
C-Clip / Anello di Ritenzione
Un anello di ritenzione è utilizzato per trattenere il cuscinetto all'interno dell'alloggiamento della copertura terminale del motore. L'anello previene il movimento assiale del cuscinetto.
Bullone
Dadi e bulloni sono utilizzati per fissare insieme le parti del motore. I bulloni scelti dovrebbero avere caratteristiche di resistenza alla trazione e alla corrosione adeguate.
I bulloni sono la parte 'maschio' di un assemblaggio dado e bullone.
Involucro del Motore
L'involucro del motore ospita l'assemblaggio dello statore e del rotore. L'involucro deve essere abbastanza forte da resistere alle sollecitazioni elettriche e meccaniche generate dal motore, nonché alle esigenze fisiche del suo ambiente di lavoro, ad esempio condizioni meteorologiche avverse.
Statore
Lo statore contiene gli avvolgimenti isolati per le tre fasi del motore.
La corrente elettrica che scorre attraverso questi avvolgimenti è ciò che causa la rotazione del rotore.
Il nucleo dello statore è solitamente costruito in ferro per ridurre le perdite di carico.
Scambiatore di Calore
Le alette del radiatore aumentano la superficie dell'involucro del motore. Una superficie più ampia consente di rimuovere il calore più rapidamente grazie al flusso d'aria forzato dalla ventola.
Terminale di Connessione
L'alimentazione trifase e il cavo di terra sono collegati alla scheda terminale. Ciascuna delle tre fasi del motore deve essere cablata correttamente all'alimentazione in ingresso. I motori sono collegati in configurazione di cablaggio a stella o a triangolo.
Alloggiamento del Terminale
L'alloggiamento del terminale protegge la scheda di connessione e le connessioni elettriche da danni da oggetti estranei come l'acqua.
Occhio di Sollevamento
L'occhio di sollevamento consente di spostare il motore utilizzando una fune, una corda, una gru, un paranco a catena o un cavo, ecc. È un requisito se il motore è troppo grande per essere spostato utilizzando solo la forza manuale. Possono essere utilizzati più occhi di sollevamento per motori di grandi dimensioni.
Guarnizione
Solitamente costruita in gomma o cartone. La guarnizione è 'compressa' tra le due superfici metalliche per creare uno spazio sigillato. La guarnizione previene il passaggio di acqua o contaminazione tra le superfici metalliche e nell'alloggiamento del terminale.
Piedi / Base
Il peso completo del motore è trasferito alla struttura o al suolo attraverso i piedi. La base ha fori o canali forati per consentire l'allineamento e il fissaggio del motore.
Albero del Rotore
L'albero del rotore collega il rotore ai cuscinetti, alla ventola e al carico. Durante l'installazione, il rotore viene talvolta raffreddato e i cuscinetti riscaldati per consentire un facile assemblaggio (solo per motori piccoli).
Rotore
Il nucleo del rotore è costruito con laminazioni in acciaio. Il campo magnetico creato dagli avvolgimenti dello statore agisce sul rotore e lo fa ruotare. Il tipo di rotore utilizzato in questo esempio è un rotore a gabbia (motore a gabbia di scoiattolo).
Chiave dell'Albero
La chiave dell'albero è l'unica connessione tra l'albero del rotore e il carico azionato, è quindi imperativo che la chiave possa resistere alle caratteristiche di carico complete del motore senza guastarsi.
Anello Terminale
L'anello terminale è utilizzato per comprimere insieme le laminazioni in acciaio.
Scanalatura della Chiave dell'Albero
La chiave dell'albero si trova all'interno di questa scanalatura.
Guarnizione Antipolvere
A seconda del design, una guarnizione antipolvere in gomma può essere posizionata in questo spazio. La guarnizione riduce il rischio di contaminazione che entra nell'alloggiamento del motore. La guarnizione è pressata tra l'albero del rotore e la copertura terminale del motore.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor
https://www.electrical4u.com/induction-motor-types-of-induction-motor
https://www.elprocus.com/induction-motor-types-advantages