Introduzione
II
Capitolo 4: Determinazione del circuito equivalente e del diagramma circolare in modo
da poter trattare in maniera meno astratti gli avviamenti e le regolazioni di velocità.
Capitolo 5: Parte principale dell’elaborato; descrizione dei vari tipi di avviamento,
pregi, difetti e utilizzi; viene trattato anche il motore monofase inquanto non essendo
auto-avviante sono stati trattati alcuni metodi per l’avviamento.
Capitolo 6: Trattazione della regolazione di velocità anche per gli aspetti che riguardano
inversione del moto e frenatura.
Struttura della macchina asincrona trifase
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1. “Struttura della macchina asincrona trifase”
Le macchine asincrone trifasi sono macchine rotanti a corrente alternata, costituite da
due parti: quella esterna fissa e quella interna mobile. La parte esterna è chiamata
statore ed è a forma di cilindro cavo, essa è composta dalla carcassa, che funge da
sostegno e centraggio, oltre che dal pacco statorico con relativo avvolgimento. La parte
interna prende il nome di rotore, il quale è un cilindro calettato sull’albero motore; le
due armature sono separate da una piccola intercapedine d’aria a spessore uniforme
chiamata traferro.
Figura 1.1. Descrizione macchina asincrona.
Il motore asincrono può essere suddiviso come segue:
Parte elettrica:
• Avvolgimento di statore;
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• Avvolgimento di rotore;
• Morsettiera;
Parte magnetica:
• Statore;
• Rotore;
Parte meccanica:
• Carcassa;
• Scudo;
• Cuscinetti;
• Albero;
• Golfare;
• Supporti di appoggio;
Figura 1.2. Sezione schematica della struttura della macchina con rotore di tipo avvolto.
Struttura della macchina asincrona trifase
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Lo statore e il rotore, come vedremo meglio in seguito, sono costruite con materiale
ferromagnetico e, come è ben visibile nella fig. 1.2, in entrambe le armature sono state
ricavate delle cave in prossimità del traferro.
Nelle cave sono alloggiati gli avvolgimenti trifase rotorico e statorico, i quali hanno un
numero di poli identico fra loro; detti avvolgimenti possono essere collegati sia a stella
sia a triangolo.
Iniziamo ora a trattare nel dettaglio i vari componenti della macchina.
1.1 Statore
Lo statore dei motori asincroni è costituito essenzialmente da una robusta carcassa atta a
contenere il pacco lamiere statorico ed il relativo avvolgimento.
Su un lato della carcassa è installata la cassetta contenente la morsettiera, che realizza il
collegamento tra l’avvolgimento e l’alimentazione; alle due estremità la carcassa è
chiusa da due scudi che fanno da supporto al rotore.
La forma dello statore e relativi elementi variano notevolmente in relazione alla potenza
del motore.
Figura 1.3. Sezione della parte fissa.
Struttura della macchina asincrona trifase
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La carcassa è costituita in lega leggera con un procedimento di pressofusione, per i
motori di potenza limitata (fino a 4 – 5 kW ); in ghisa o in acciaio saldato per motori di
grandi dimensioni. Essa deve essere dimensionata in modo da sopportare, senza subire
deformazioni, sollecitazioni od urti. La perfetta indeformabilità è richiesta in relazione
al traferro molto ridotto (0,2 – 0,25 mm) esistente tra il pacco statorico ed il rotore.
Nella parte alta della carcassa è installato un golfare dimensionato in modo tale da
consentire il sollevamento del motore completo fig. 1.3.
Nei motori a bassa potenza la carcassa è anche sede di nervature distribuite
uniformemente sulla superficie esterna, che opportunamente dimensionate sono atte a
smaltire il calore, prodotto negli avvolgimenti e nel pacco lamellare, trasmessole per
conduzione. La corrente d’aria fredda messa in moto da una ventola esterna, lambisce le
nervature asportando il calore accumulato.
Passando a macchine con potenze maggiori, considerando le elevate perdite di calore,
questo tipo di raffreddamento non è più adeguato. Il problema è stato risolto costruendo
la carcassa in forma di scambiatore di calore; in pratica la carcassa ha un’intercapedine
nella quale sono disposti in più strati i tubi che costituiscono lo scambiatore. Una
ventola calettata sull’albero dalla parte opposta dell’accoppiamento fa circolare una
corrente d’aria all’interno dei tubi.
Figura 1.4. Lamierino statorico a disco intero.
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Per quanto riguarda il pacco statorico, allo scopo di limitare le perdite nel materiale
ferromagnetico (causate dalle correnti parassite o correnti di Foucault), le armature
magnetiche sono realizzate in lamierini di spessore (0.5 - 0.65) mm, costruiti con ferro e
silicio, isolati tra loro; i piani di laminazione risultano perpendicolari all'asse della
macchina. L’isolamento è ottenuto attraverso verniciatura del lamierino con vernici
isolanti, o in alcuni casi, per macchine di piccola potenza, attraverso ricottura per
ossidazione. Per le macchine di piccola taglia con carcassa presso-fusa in lega leggera i
lamierini sono a disco intero (fig. 1.4) e portano degli intagli a coda di rondine sulla
superficie esterna, come si vede in fig. 1.5.
Figura 1.5. Statore con intagli a coda di rondine.
Una volta formato il pacco sovrapponendo perfettamente gli intagli, si vengono ad avere
delle scanalature longitudinali parallele all’asse, nelle quali sono infilati dei profilati di
ferro delle stesse dimensioni; questi profilati vengono saldati con il pacco lamiere
mantenuto in pressione sotto una pressa.
Il pacco così formato è poi introdotto in una forma nella quale s’inietta il metallo fuso in
pressione. Si realizza così uno stretto contatto fra pacco e carcassa con ottima
conducibilità termica.
Per macchine di maggiori dimensioni i lamierini non sono a disco interno, ma
assemblati a settori, questi devono portare un numero intero di cave e le giunzioni
devono essere realizzate in corrispondenza della mezzeria di un dente (fig. 1.6).
Figura 1.6. Saldatura del lamierino (rotorico).
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Inoltre i lamierini sono pressati e tenuti da una serie di tiranti esterni saldati agli anelli
pressa-pacco. Il fissaggio del pacco è eseguito tramite tiranti esterni.
Prima del serraggio finale il pacco lamiere viene riscaldato ad una temperatura di 120°
circa, tutto ciò per eliminare le eventuali tracce d’umidità tra i lamierini.
Le cave statoriche possono essere di tipo aperto o semichiuso (figura 1.7), quelle
normalmente usate sono le cave semichiuse, mentre si ricorre a quelle aperte solo per i
motori di elevata potenza ed alta tensione.
Figura 1.7. Cava statoriche semichiusa. Cava statorica aperta.
1.2 Rotore
Tipicamente, la frequenza rotorica è molto più piccola rispetto a quella statorica: a
fronte per esempio di una frequenza statorica di 50 Hz si ha una frequenza rotorica di 3
Hz; ciò comporta che le perdite per correnti parassite, proporzionali al quadrato della
frequenza, siano trascurabili, di conseguenza i lamierini che costituiscono il pacco
rotorico possano non essere isolati.
Poiché le perdite per isteresi sono trascurabili, risulta conveniente l'adozione di lamiere
normali, che meglio di quelle al silicio resistono alle vibrazioni elettromeccaniche
presenti durante il funzionamento della macchina. Finché la loro dimensione esterna lo
consente, i singoli lamierini vengono ricavati in un sol pezzo a forma di corona circolare
(fig. 1.8), mentre per diametri maggiori di 1 m essi vengono tranciati a settori e quindi
accostati in fase di montaggio.
Le cave, uniformemente distribuite sulla periferia del pacco rotorico, sono del tipo
chiuso (fig. 1.9) o semichiuso (fig. 1.10).
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Figura 1.8. Lamierino rotorico a disco intero.
Figura 1.9. Cave rotoriche chiuse. Figura 1.10. Cave rotoriche semichiuse
Il numero delle cave rotoriche deve differire da quello delle cave statoriche almeno del
10%, infatti, se il numero di cave fossero uguali potrebbero verificarsi degli
inconvenienti:
• Vibrazioni del rotore, in virtù del fatto che le attrazioni tra denti statorici e
rotorici si produrrebbero simultaneamente in tutti i denti;
• Pulsazioni periodiche del flusso, con conseguenti vibrazioni e rumore durante la
marcia del motore;
• Fenomeno dell’impuntamento, perciò, in fase di spunto, il rotore tende a
rimanere bloccato nella posizione di minima riluttanza, opponendo, quindi, una
certa resistenza al moto. Questo vale per rotori ad una gabbia di scoiattolo nei
quali la coppia di spunto è relativamente piccola.
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Per tutto questo, si tengono tra loro primi i due numeri di cave per polo e per fase
relativi al rotore ed allo statore. D’uso corrente sono per esempio 3 (o 4) cave per polo e
per fase nello statore e 4 (o 5) cave per polo e per fase nel rotore.
Al fine di agevolare l'avvitamento del motore e renderlo più silenzioso durante la
marcia, il pacco rotorico ha talvolta le cave inclinate rispetto all'asse (fig. 1.11).
Figura 1.11. Rotore a gabbia semplice con barre inclinate rispetto all’asse.
Nei rotori dei motori di piccola potenza, i lamierini vengono tranciati ed impilati
direttamente sull'albero e compressi tra due flangie di ghisa o acciaio, trattenute da due
collarini di ritegno.
Il collettore ad anelli è un dispositivo calettato sull'albero della macchina che realizza,
attraverso il contatto strisciante delle spazzole sugli anelli, il collegamento elettrico tra
l'avvolgimento rotorico ed il reostato d'avviamento nei motori con rotore avvolto. È
costituito da tre anelli, costruiti normalmente in bronzo, calettati a caldo su una bussola
d’acciaio previa interposizione di un opportuno strato d’isolante.
I motori asincroni si dividono, dal punto di vista della tipologia del rotore, in motori con
rotore in corto circuito e motori con rotore avvolto (o ad anelli):
• Rotore a gabbia semplice (fig. 1.11): In questo caso, il pacco rotorico porta sulla
periferia cave di tipo chiuso, ricavate per stampaggio; in queste vengono infilate
delle barre di rame, generalmente senza isolamento verso massa in quanto le
tensioni in gioco sono modeste (dell'ordine di qualche volt); le barre sono
riunite, mediante ribattitura o saldatura, a due anelli frontali in rame in modo da
formare una sorta di gabbia, detta "gabbia di scoiattolo". Così collegate, le barre
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vanno a formare tra loro tanti circuiti chiusi percorsi da correnti indotte dal
campo rotante statorico. Il rotore a gabbia semplice si usa per motori che
mettono in gioco potenze modeste.
• Rotore a barre alte (fig. 1.12): il rotore di questo tipo è provvisto di barre di
forma allungata sistemate in cave alte e strette. In esse si determina,
all'avviamento, uno "spostamento di corrente" entro le barre, per cui le barre
stesse presentano, ma solamente durante l'avviamento, una resistenza maggiore
alle correnti rotoriche della loro resistenza effettiva. Il rotore a barre alte si usa
per motori di media potenza.
Figura 1.12. Rotore a barre alte.
• Rotore a doppia gabbia (fig. 1.13): dato che i motori a gabbia non possono
essere equipaggiati con il reostato d’avviamento, in quanto l’avvolgimento di
rotore, essendo costituito da barre di materiale conduttore (rame o alluminio),
poste in corto circuito da due anelli frontali, non è dotato di morsetti da poter
essere collegati a circuiti esterni, per ridurre la corrente di spunto, se non vi sono
difficoltà d’avviamento, si può ricorrere all’avviamento detto “stella-triangolo”.
Questo tipo d’avviamento si può utilizzare solo nei motori previsti per
funzionare, in condizioni nominali, con le fasi di statore collegate a triangolo.
Con il suddetto sistema avremo la corrente all’avviamento (collegamento a
stella) ridotta ad 1/3 rispetto a quella che si ottiene a regime (collegamento a
triangolo), così come la coppia di spunto, che subisce la stessa riduzione; tutto
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questo può creare problemi d’avviamento in alcune applicazioni. Un sensibile
aumento della coppia di spunto si ottiene utilizzando i motori a doppia gabbia.
Una macchina a doppia gabbia ha lo statore identico a quello di un motore con
una gabbia semplice, mentre il rotore è provvisto di due gabbie coassiali, una
esterna e una interna, le cui sbarre hanno sezioni diverse: la gabbia esterna ha
sezione sensibilmente minore di quella interna.
Figura 1.13. Rotore a doppia gabbia.
La gabbia esterna è la gabbia d’avviamento, infatti, ha barre a sezione piccola e
quindi con resistenza alta, al contrario la gabbia interna (gabbia di lavoro),
avendo barre di grande sezione ha una resistenza più piccola.
Le cave delle due gabbie sono tra loro congiunte da feritoie che servono a
limitare i flussi dispersi dalle correnti che, durante il funzionamento normale del
rotore, circolano nella gabbia interna; infatti, se questa feritoia mancasse
aumenterebbe in modo eccessivo il flusso disperso (che si sviluppa attorno alle
sbarre della gabbia interna); in tutti i casi, queste fughe assorbono potenza
reattiva, ciò comporta una diminuzione del fattore di potenza del motore a
doppia gabbia. La presenza della fenditura ha inoltre lo scopo di obbligare il
flusso principale a percorrere due volte il traferro. Il rotore a doppia gabbia si
usa per le più alte potenze che vengono raggiunte dai motori asincroni a gabbia,
che arrivano normalmente fino a 100 kW.
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