I motori elettrici sono una fonte di energia indispensabile nella nostra vita quotidiana e nelle attività industriali. Vengono utilizzati in un’ampia gamma di settori, dagli elettrodomestici ai macchinari industriali, dalle apparecchiature mediche agli strumenti di precisione. Tuttavia, forse sono in pochi ad avere una comprensione sistematica di come funzionano i motori elettrici e di quali tipi esistano.
In questo articolo spiegheremo in modo chiaro agli ingegneri il funzionamento di base dei motori elettrici, i loro principi di funzionamento, la loro evoluzione storica e le principali tipologie. Per chi sta valutando la scelta di un motore nell’ambito dello sviluppo di un prodotto, questi contenuti rappresentano un primo passo per fare ordine tra le nozioni di base e scegliere il prodotto più adatto.
| A cura di: Gruppo Commerciale Componenti Elettronici, C.I. TAKIRON Corporation Questo articolo è stato curato sulla base delle competenze tecniche avanzate e delle conoscenze acquisite nel corso degli anni, sin dalla fondazione dell’azienda nel 1919, come leader nel settore della lavorazione delle materie plastiche.Il nostro reparto analizza costantemente le tendenze di mercato e le ultime tecnologie relative ai micromotori ultracompatti e ad alta precisione, concentrandosi sulla fornitura di informazioni di alto valore aggiunto a progettisti e sviluppatori. In qualità di team di esperti che conosce a fondo le caratteristiche dei prodotti, ti aiutiamo a risolvere le tue sfide e a promuovere l’innovazione tecnologica attraverso contenuti accurati e pratici. |
Funzionamento di base e principio di funzionamento dei motori elettrici
Un motore elettrico è un dispositivo che trasforma l’energia elettrica in movimento rotatorio meccanico, e il suo principio di funzionamento è strettamente legato alle leggi della fisica. Quando si sceglie un motore per uso industriale, è fondamentale comprenderne correttamente il principio di funzionamento.
Capire come un motore elettrico trasforma l’energia elettrica in forza, nonché la sua struttura di base e il suo meccanismo di funzionamento, ti permette di scegliere il motore più adatto durante lo sviluppo di un prodotto.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Cos’è un motore elettrico?
- Struttura di base di un motore elettrico
- Il principio di funzionamento dei motori elettrici
Comprendendo queste nozioni di base, avrai gli elementi necessari per scegliere il motore più adatto durante lo sviluppo del prodotto.
Cos’è un motore elettrico?
Il termine “motore elettrico” è un termine generico che indica un dispositivo che converte l’energia elettrica in energia meccanica. In giapponese si chiama ” motore elettrico” e genera un movimento rotatorio sfruttando l’interazione tra campo magnetico e corrente elettrica.
Secondo varie ricerche, i sistemi di azionamento a motore rappresentano circa il 50% del consumo energetico mondiale. Come componenti fondamentali che sostengono la società moderna, vengono utilizzati in ogni settore, dagli elettrodomestici ai macchinari industriali, dalle apparecchiature mediche alle apparecchiature di precisione.Le dimensioni variano ampiamente, dai micromotori di pochi mm ai grandi motori industriali di diversi metri, e la potenza va da pochi mW a diversi MW. Nello sviluppo dei prodotti, la scelta del motore più adatto all’applicazione determina le prestazioni complessive dell’apparecchiatura.
Struttura di base di un motore elettrico
I motori elettrici sono composti principalmente da due componenti principali. (In alcuni motori, le funzioni dei componenti riportati di seguito possono variare.)
| Nome del componente | Funzione e caratteristiche |
| St atore | La parte fissa che non gira. Ha il compito di generare il campo magnetico ed è costituito da magneti permanenti o da bobine (elettromagneti). |
| Rot ore | La parte che gira all’interno del campo magnetico. È avvolta da bobine e, quando viene attraversata dalla corrente, genera un campo magnetico. |
Tra lo statore e il rotore c’è un piccolo spazio chiamato “traferro”, attraverso il quale si trasmette il campo magnetico. Anche se la struttura dello statore e del rotore varia a seconda del tipo di motore, il principio di base, ovvero ottenere la forza di rotazione grazie all’interazione dei campi magnetici, è lo stesso.
Il principio di funzionamento dei motori elettrici
Il motore elettrico gira sfruttando la forza di Lorentz, che si genera quando si fa passare una corrente in un conduttore (bobina) posto all’interno di un campo magnetico. Quando il campo magnetico e la corrente sono ortogonali, si genera una forza in una direzione perpendicolare a entrambi. La direzione di questa forza si calcola con la regola della mano sinistra di Fleming.Sfruttando questa forza, si genera una coppia sul rotore, consentendo così una rotazione continua.
Nel caso dei motori a spazzole, il rotore continua a girare in una direzione costante grazie al fatto che il commutatore e le spazzole invertono la direzione della corrente al momento giusto. La velocità di rotazione del rotore si può regolare modificando la tensione o la corrente in ingresso.
Inoltre, l’entità della coppia (forza di rotazione) generata varia a seconda del numero di spire della bobina montata sul rotore e dell’intensità del magnete. Ottimizzando questi elementi, è possibile progettare motori con prestazioni adatte alle diverse applicazioni.
Storia e sviluppo dei motori elettrici
La storia del motore elettrico risale all’inizio del XIX secolo e, dall’epoca della rivoluzione industriale fino ai giorni nostri, si è evoluta grazie a continue innovazioni tecnologiche. La tecnologia dei motori, oggetto di ricerca come nuova fonte di energia in sostituzione del motore a vapore, è stata resa praticabile grazie all’impegno di numerosi inventori e ricercatori.
Da allora sono stati apportati continui miglioramenti, che hanno portato all’evoluzione dei motori ad alte prestazioni che conosciamo oggi. Capire il percorso storico ti aiuta a capire chiaramente quali problemi la tecnologia moderna dei motori ha risolto.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Gli albori dei motori elettrici (dagli anni ’20 del XIX secolo agli anni ’80 del XIX secolo)
- Il percorso verso l’applicazione pratica (dagli anni ’80 del XIX secolo all’inizio del XX secolo)
- L’evoluzione verso la tecnologia moderna dei motori
La tecnologia dei motori, oggetto di ricerca come nuova fonte di energia in sostituzione della macchina a vapore, è stata resa operativa grazie agli sforzi di numerosi inventori e ricercatori e si è evoluta fino a diventare i motori ad alte prestazioni che conosciamo oggi.
Gli albori del motore elettrico (dagli anni ’20 del XIX secolo agli anni ’80 del XIX secolo)
Nel 1821, lo scienziato inglese Michael Faraday scoprì i principi fondamentali del motore e del generatore. Faraday osservò il fenomeno per cui un conduttore in cui scorre una corrente si muove all’interno di un campo magnetico, dimostrando così il principio della rotazione elettromagnetica.Nel 1831 scoprì la legge dell’induzione elettromagnetica, che costituì la base per lo sviluppo successivo dei motori. Questa legge spiega il fenomeno per cui una variazione del campo magnetico genera una corrente ed è il principio fondamentale applicato sia ai generatori che ai motori.
Nel 1834, l’americano Thomas Davenport costruì un motore a corrente continua alimentato a batteria, compiendo così il primo passo verso la realizzazione di un motore utilizzabile nella pratica. Davenport riuscì a far funzionare una macchina da stampa usando un piccolo motore elettrico, dimostrando al mondo le potenzialità dell’energia elettrica.
Questo periodo rappresenta un’epoca fondamentale in cui è stata chiarita scientificamente la relazione tra elettricità e magnetismo e sono state gettate le basi della tecnologia dei motori.
Il percorso verso l’applicazione pratica (dagli anni ’80 del XIX secolo ai primi anni del XX secolo)
Nel 1888, Nikola Tesla inventò il motore a induzione a corrente alternata bifase, segnando l’inizio dell’era dei motori pratici. Dopo la disputa tra Tesla e Thomas Edison, nota come la “guerra della corrente”, il sistema di trasmissione a corrente alternata divenne lo standard.
Edison sosteneva il sistema a corrente continua, ma quello a corrente alternata, grazie all’uso dei trasformatori che permettevano di variare liberamente la tensione, presentava vantaggi schiaccianti per il trasporto di energia su lunghe distanze. Il sistema a corrente alternata era perfetto per il trasporto di energia su lunghe distanze e ha dato il via a una rapida espansione dell’uso industriale dei motori.
All’Esposizione Universale di Chicago del 1893 fu adottato il sistema di trasmissione di corrente alternata, e i suoi vantaggi furono ampiamente riconosciuti. I motori a corrente alternata furono utilizzati come fonte di alimentazione per l’illuminazione e le attrezzature espositive all’interno del sito, lasciando ai visitatori un’impressione indelebile del futuro della tecnologia elettrica.
A partire da questo periodo, l’utilizzo dei motori nel settore industriale, come nelle fabbriche e nei mezzi di trasporto, entrerà nel vivo, accelerando la transizione verso una società sempre più elettrificata.
L’evoluzione verso la tecnologia dei motori moderni
Con l’inizio del XX secolo, la tecnologia dei motori ha continuato a diversificarsi e a migliorare in termini di prestazioni. I progressi nella scienza dei materiali e nell’ingegneria elettronica hanno dato un forte impulso al miglioramento delle prestazioni dei motori. Ecco le principali direzioni dell’innovazione tecnologica:
[I punti chiave dell’evoluzione della tecnologia dei motori moderni]
- L’avvento dei potenti magneti permanenti (come i magneti al neodimio)
- Realizzazione di dispositivi compatti e ad alta efficienza
- Sviluppo di motori specifici per determinate applicazioni
- La fusione con la tecnologia di controllo elettronico
Soprattutto grazie all’arrivo dei magneti permanenti potenti, come quelli al neodimio, è diventato possibile sviluppare motori compatti ma ad alta potenza. I magneti al neodimio, inventati e messi in uso negli anni ’80, hanno una forza magnetica (prodotto energetico) circa 10 volte superiore rispetto ai tradizionali magneti in ferrite, e hanno rivoluzionato la miniaturizzazione dei motori.
Negli ultimi anni, motori specializzati per diverse applicazioni, come i motori senza nucleo e quelli senza spazzole, sono stati introdotti uno dopo l’altro sul mercato, ampliando il loro campo di applicazione nel settore delle apparecchiature mediche e degli strumenti di precisione. Grazie ai progressi nella tecnologia dei semiconduttori, è ora possibile ottenere un controllo dei motori ancora più preciso ed efficiente.
Principali tipi e caratteristiche dei motori elettrici
I motori elettrici si classificano in molti tipi diversi a seconda del sistema di azionamento e della struttura. In linea di massima si dividono in motori a corrente continua (DC) e motori a corrente alternata (AC), ma esistono anche sottocategorie che si distinguono in base a varie caratteristiche strutturali, come quelli con spazzole e quelli senza spazzole, quelli con nucleo ferroso e quelli senza nucleo (core-less).
Cosa tratteremo in questa sezione
- La differenza tra i motori a corrente continua e quelli a corrente alternata
- Motori con spazzole e motori senza spazzole
- Caratteristiche dei motori senza nucleo e loro applicazioni industriali
Ogni motore ha le sue caratteristiche specifiche, e scegliere il tipo più adatto in base all’applicazione e alle prestazioni richieste è fondamentale per il successo dello sviluppo del prodotto.
La differenza tra motori a corrente continua e motori a corrente alternata
I motori elettrici si dividono, in base al tipo di alimentazione, in motori a corrente continua (DC) e motori a corrente alternata (AC). Comprendendo le caratteristiche di entrambi, è possibile scegliere il motore più adatto allo sviluppo del prodotto.
I motori a corrente continua offrono un’ottima controllabilità e sono adatti ad applicazioni che richiedono una regolazione precisa della velocità e del posizionamento. Poiché è possibile regolare la velocità di rotazione semplicemente variando la tensione, anche la progettazione dei circuiti di controllo risulta relativamente semplice.
D’altra parte, i motori a corrente alternata hanno una struttura semplice e sono molto resistenti, per cui sono ampiamente utilizzati nei macchinari industriali. Un altro vantaggio è che, potendo utilizzare direttamente la rete elettrica commerciale, permettono di contenere i costi di esercizio degli impianti di grandi dimensioni.
| Voce | Motori a corrente continua | Motori a corrente alternata |
| Alimentazione | Alimentazione in corrente continua (batteria, alimentatore CC) | Alimentazione in corrente alternata (rete elettrica) |
| Manovrabilità | Facile regolazione precisa della velocità | Per il controllo è necessario un inverter |
| Struttura | Relativamente complessa (commutatore, spazzole) | Semplice e robusta |
| Principali applicazioni | Apparecchiature di precisione, dispositivi medici, dispositivi mobili | Macchinari industriali, elettrodomestici, pompe |
| Manutenzione | È necessario sostituire le spazzole (se presenti) | Non richiede manutenzione |
Scegli il motore più adatto tenendo conto dell’applicazione e delle condizioni di alimentazione.
Motori con spazzole e motori senza spazzole
I motori a corrente continua si dividono in due tipi in base al sistema di commutazione della corrente: con spazzole e senza spazzole.
| Voce | Motori con spazzole | Motore senza spazzole |
| Sistema di commutazione della corrente | Commutazione meccanica tramite spazzole e commutatore | Commutazione elettrica tramite circuiti elettronici |
| Modalità di controllo | Semplice (solo controllo della tensione) | È necessaria la regolazione elettronica |
| Durata | È breve a causa dell’usura delle spazzole | Nessuna parte soggetta a usura, quindi lunga durata |
| Manutenzione | È necessario sostituire periodicamente le spazzole | Non richiede manutenzione |
| Efficienza | Un po’ bassa (perdite per attrito) | Alta efficienza |
| Rumore | Si verifica del rumore elettrico | Il rumore elettrico è ridotto |
| Costo | Costo contenuto | Costo leggermente più alto |
I motori con spazzole sono semplici da controllare e hanno un costo contenuto, ma la loro durata è limitata dall’usura delle spazzole. I motori senza spazzole hanno una lunga durata e un’elevata efficienza, ma richiedono un circuito di controllo elettronico. A seconda dell’applicazione, va scelto il motore giusto tenendo conto della facilità di manutenzione, della durata e delle caratteristiche di rumorosità.
Caratteristiche dei motori senza nucleo e loro applicazioni industriali
I motori senza nucleo (motori core-less) hanno caratteristiche eccellenti, diverse da quelle dei motori tradizionali, grazie alla loro struttura in cui il rotore è privo di nucleo in ferro.
[ Caratteristiche principali dei motori senza nucleo]
- Non presenta coppia di cogging e gira in modo fluido
- Design compatto e leggero
- Alta efficienza e risparmio energetico
- Risposta rapida grazie al basso momento di inerzia
- È possibile l’avvio a bassa tensione
Grazie a queste caratteristiche, trovano ampio impiego in alcuni settori che richiedono un controllo di alta precisione, come i dispositivi medici (telecamere endoscopiche, trapani chirurgici, pompe), gli strumenti di precisione (azionamento degli obiettivi delle fotocamere, meccanismi di messa a fuoco automatica), i robot industriali e i dispositivi di sicurezza (serrature elettroniche, smart lock).
In particolare, la caratteristica “cogging-free” rappresenta un grande vantaggio per le apparecchiature ottiche e mediche, che non tollerano le vibrazioni. L’assenza del nucleo in ferro rende meno probabile la saturazione magnetica e permette di ottenere una caratteristica di uscita lineare rispetto alla corrente di ingresso, garantendo così un controllo preciso.
Inoltre, grazie al basso momento d’inerzia del rotore, la risposta in fase di avvio e arresto è rapida, rendendolo ideale anche per applicazioni che richiedono frequenti accelerazioni e decelerazioni. Il suo impiego è in continua crescita come motore in grado di soddisfare le esigenze industriali odierne, che richiedono prodotti sempre più compatti e a basso consumo energetico.
Riepilogo
Il motore elettrico è un dispositivo che converte l’energia elettrica in energia meccanica, generando un movimento rotatorio grazie all’interazione tra campo magnetico e corrente elettrica. Fin dalle invenzioni di Faraday e Tesla nel XIX secolo, ha continuato a evolversi come tecnologia fondamentale alla base della rivoluzione industriale; oggi si utilizzano diversi tipi di motori a seconda dell’applicazione.
I motori a corrente continua e quelli a corrente alternata, con spazzole e senza spazzole, senza nucleo e con nucleo, presentano ciascuno caratteristiche specifiche; scegliere quello giusto in base alle prestazioni richieste e all’ambiente di utilizzo è fondamentale per il successo dello sviluppo del prodotto. In particolare, i motori senza nucleo non presentano effetto cogging e offrono un’eccellente reattività, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono un controllo di precisione nei settori medico, industriale, ottico e della sicurezza.
Informazioni sui prodotti e richieste di informazioni
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- Sito del prodotto: https://cik-ele.com/
- Motori senza nucleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Motori brushless: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Motoriduttore: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
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- Contatti: https://cik-ele.com/contact/
