Motore in corrente continua

Il motore in corrente continua (brevemente motore DC, dall'inglese direct current) è ancora molto usato per piccole potenze e dove le necessità di affidabilità non sono critiche (prodotti definiti consumer). Per grosse potenze, nei trasporti e nell'industria, si adottano soluzioni tecnicamente più avanzate.

Indice

1 Cenni storici 2 Motore DC a magneti permanenti 3 Motore DC con statore a filo avvolto 4 Motore universale 5 Voci correlate

Cenni storici

Uno dei primi motori elettromagnetici rotanti, se non il primo, è stato inventato da Michael Faraday nel 1821, e consisteva in un filo conduttore tenuto fermo verticalmente alla sua estremità superiore in modo che l'estremità inferiore fosse immersa in un piatto contenente mercurio. Un magnete permanente circolare era sistemato al centro del piatto. Quando una corrente elettrica veniva fatta scorrere nel filo, questo ruotava attorno al magnete mostrando che la corrente generava un campo magnetico attorno al filo. Questo è un esperimento didattico utilizzabile in una lezione di fisica, anche se al posto del mercurio (tossico) conviene usare un altro liquido conduttore come acqua molto salata.

Motore DC a magneti permanenti

Il classico motore in corrente continua ha una parte che gira detta appunto rotore o anche armatura (in grigio con gli avvolgimenti colorati nelle figure) e una parte che genera un campo magnetico fisso (nell'esempio i due magneti colorati) detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o collettore a spazzole (o anello di Pacinotti) (nelle figure l'anello color rame, fissato all'albero rotante del motore, con i due contatti striscianti + e - collegati alla parte ferma) inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica che percorre i due avvolgimenti generando un campo magnetico che entra ed esce dalle parti arrotondate dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i magneti permanenti fissi (indicati con N ed S nelle figure).
La velocità di rotazione dipende da:

• Tensione applicata.
• Corrente assorbita dal rotore.
• Carico applicato (chiamato coppia di carico).

La coppia generata è proporzionale alla corrente. Il controllo più semplice agisce sulla tensione di alimentazione. Nei sistemi più complessi si usa un controllo in retroazione che legge le variabili (corrente, velocità di rotazione) per generare, con un alimentatore switching, la tensione da applicare al motore.

Dato che questo tipo di motore può sviluppare una forte coppia a basse velocità di rotazione è stato usato nella trazione elettrica, come, ad esempio, sulle locomotive. Il motore DC a magneti permanenti ha un comportamento reversibile: diventa un generatore di corrente continua (una dinamo) se si collega un altro motore all'albero. Si può allora prelevare l'energia elettrica prodotta collegandosi alle spazzole. (Da questo si può intuire la sua capacità di agire anche da freno: applicando tra le spazzole un resistore l'energia meccanica trasmessa all'albero si dissipa su questo resistore). Riassumendo si può affermare che il motore DC ha tutte le funzioni necessarie per un mezzo mobile: oltre alla funzione di motore può recuperare l'energia funzionando da dinamo e, quando necessario, può servire da freno.

Il suo limite principale è nella necessità del commutatore a spazzole:

• Le spazzole sono in grafite. Questo consente un buon contatto elettrico minimizzando gli attriti. La loro usura richiede periodici interventi di manutenzione (d'altra parte è preferibile dover sostituire le spazzole che non l'intero collettore, operazione ovviamente molto più complessa).
• Le spazzole pongono un limite alla massima velocità di rotazione: maggiore è la velocità e più forte è la pressione che bisogna esercitare su di esse per mantenere un buon contatto.
• Tra spazzole e collettore, nei momenti di commutazione, si hanno transitori di apertura degli avvolgimenti induttivi e quindi scintillio (attenuabile con opportuni sistemi ma non eliminabile).
• Queste scintille comportano disturbi elettrici sia irradiati nell'ambiente circostante che trasmessi al generatore di tensione (che alimenta il motore).

La presenza di avvolgimenti elettrici sul rotore ha anche due aspetti negativi:

• Se il motore è di grossa potenza si hanno dei problemi di smaltimento del calore (gli avvolgimenti si riscaldano per effetto Joule e il campo magnetico alternato nel nucleo del rotore genera altre perdite e quindi altro calore).
• Gli avvolgimenti appesantiscono il rotore (aumenta il momento d'inerzia): se il motore deve rispondere con rapidità e precisione (come avviene nelle automazioni industriali e nella robotica) il controllo diventa più complesso.

I problemi illustrati sarebbero evitati se si potesse scambiare il rotore con lo statore (cioè se gli avvolgimenti venissero messi sulla parte fissa e i magneti fossero montati sul rotore). Scomparirebbe il collettore a spazzole e gli avvolgimenti elettrici potrebbero smaltire più facilmente il calore generato. È quello che si fa nei motori brushless (in inglese letteralmente: senza spazzole). In essi si possono ridurre ulteriormente le dimensioni del rotore (e quindi le sue inerzie) usando materiali magnetici più efficienti come leghe di samario-cobalto. In questi motori ovviamente il circuito di alimentazione deve essere più sofisticato, dovendo sostituire le funzioni del collettore meccanico con un controllo elettronico di potenza.

Motore DC con statore a filo avvolto

Nei motori DC lo statore può essere realizzato non con magneti permanenti ma, similmente al rotore, con avvolgimenti su materiale ad alta permeabilità in cui viene fatta scorrere della corrente: questo circuito è detto di eccitazione. In questo modo si possono avere potenze maggiori (ma si dovrà spendere energia anche per alimentare questo nuovo circuito). Si possono avere vari casi nell'alimentazione del circuito di statore:

• motore ad eccitazione indipendente: l'avvolgimento di statore è alimentato in maniera indipendente da quello di rotore. Si ha allora più flessibilità nel controllo dei parametri (coppia e velocità) del motore.
• motore ad eccitazione in parallelo: statore e rotore sono collegati in parallelo (coppia maggiore, minore velocità)
• motore ad eccitazione in serie: statore e rotore sono collegati in serie (coppia inferiore, maggiore velocità).

Si possono avere anche situazioni intermedie utilizzate in passato soprattutto nella trazione elettrica (dove è richiesta molta coppia allo spunto e maggiore velocità a regime).

Motore universale

Il motore con eccitazione a filo avvolto può essere alimentato sia in corrente continua che in alternata. Si parla allora di motore universale e nella maggior parte delle applicazioni è alimentato in AC (ingl.: alternate current). La possibilità di usare la corrente alternata nasce dal fatto che la corrente nello statore e nel rotore si invertono contemporaneamente e quindi anche i campi magnetici si comportano allo stesso modo generando quindi una forza dello stesso tipo (attrattiva o repulsiva). In pratica il motore deve però essere progettato tenendo presente che l'alimentazione è alternata (impedenza e riluttanza devono essere tenute presenti) e il risultato è comunque un motore meno efficiente di un puro motore DC. Il suo principale vantaggio è che in AC si ha un motore con le tipiche caratteristiche di un motore DC, particolarmente coppia notevole allo spunto, alta velocità di rotazione e dimensioni compatte. L'aspetto negativo è la presenza del collettore a spazzole che richiede manutenzione o limita l'affidabilità: nelle applicazioni industriali sono poco usati mentre trovano largo impiego nei piccoli elettrodomestici o utensili usati in modo intermittente. Inoltre l'introduzione di dispositivi elettronici di controllo economici come i triac rende semplice il controllo della loro velocità.

A differenza di altri motori usati in AC (motori ad induzione e sincroni), i motori universali possono facilmente superare velocità di rotazione di un giro per periodo della rete elettrica (cioè oltre i 3000 giri al minuto a 50 Hz e 3600 giri al minuto dove è presente la rete a 60 Hz). Questo li rende particolarmente utili nelle applicazioni in cui è richiesta un'alta velocità di rotazione (mixer, frullatori, aspirapolvere, asciugacapelli, ecc.).

Con l'attuale disponibilità a costi contenuti di dispositivi elettronici (come circuiti integrati, ponti raddrizzatori, dispositivi di potenza a semiconduttore, ecc.), alcune applicazioni che in passato sarebbero state realizzate con motori universali ora vengono sviluppate con puri motori DC con magneti permanenti. In particolare quando si vuol realizzare un controllo della velocità più preciso.