Tipi di motori elettrici: AC e DC, asincroni e sincroni e quale scegliere per ogni lavoro

Guardando all'interno di un centro di lavoro CNC si possono trovare tre diverse famiglie di motori in un'unica macchina: un semplice motore asincrono trifase che aziona il trasportatore trucioli, i servomotori che posizionano gli assi con precisione inferiore al millimetro e un piccolo motore che fa girare la pompa del liquido refrigerante. Tutti convertono l'energia elettrica in moto rotatorio, ma non sono intercambiabili. Conoscere le differenze tra i tipi di motore elettrico permette di trasformare la domanda "qual è il motore migliore?" nella domanda "quale famiglia per questo lavoro?".

Prima distinzione: corrente alternata o corrente continua?

I motori si distinguono innanzitutto in base alla corrente di alimentazione.

• I motori DC funzionano in corrente continua. Poiché la loro velocità si regola facilmente con la tensione, per molti anni sono stati usati negli azionamenti a velocità variabile, nelle gru e nei laminatoi. Nei tipi a spazzole collettore e spazzole si usurano e richiedono manutenzione regolare. Oggi nell'industria hanno in gran parte ceduto il posto ai motori AC con inverter; restano invece diffusi nei veicoli a batteria, nei carrelli elevatori e nei piccoli apparecchi.
• I motori AC possono funzionare direttamente con la corrente alternata della rete. Grazie a una costruzione che non richiede spazzole né collettore, la grande maggioranza dei motori industriali appartiene a questo gruppo.

All'interno dei motori AC: asincroni e sincroni

La domanda di fondo che distingue i motori in corrente alternata è se il rotore giri o meno alla stessa velocità del campo magnetico rotante.

Motore asincrono (a induzione)

Il campo rotante generato dallo statore induce correnti nel rotore e lo trascina con sé. Il rotore gira leggermente in ritardo rispetto al campo; questa differenza si chiama scorrimento. In base alla costruzione del rotore esistono due tipi:

• Con rotore in cortocircuito: il rotore contiene barre di alluminio o rame cortocircuitate. Non ha collegamenti verso l'esterno, né spazzole o anelli. È semplice, robusto e dal costo contenuto; la grande maggioranza delle applicazioni, come pompe, ventilatori, compressori, trasportatori e frantoi, funziona con questo motore.
• Con rotore avvolto (ad anelli): gli avvolgimenti del rotore sono portati all'esterno tramite anelli e spazzole e all'avviamento si possono inserire resistenze nel circuito rotorico. Si usava nei grandi azionamenti con avviamento molto gravoso; con la diffusione di inverter e soft starter è diventato raro nei nuovi progetti.

Motore sincrono

Il rotore gira esattamente alla stessa velocità del campo rotante. I tipi con magneti permanenti sul rotore (sincroni PM) offrono un rendimento elevato e funzionano di solito con un azionamento. I motori sincroni a riluttanza, invece, girano in sincronismo senza magneti, grazie alla forma magnetica del rotore. Entrambi i tipi, nella maggior parte dei casi, non possono essere collegati direttamente alla rete senza inverter; per questo motore e azionamento si scelgono insieme.

La velocità del motore asincrono dipende dal numero di poli e, su rete a 50 Hz, per 2, 4, 6 e 8 poli è rispettivamente di circa 3000, 1500, 1000 e 750 giri/min. I dettagli sono nel nostro articolo sulla tabella poli-velocità.

In base all'alimentazione: monofase e trifase

I motori asincroni si dividono in due gruppi anche in base al collegamento alla rete. I motori monofase funzionano con una linea monofase a 220 V; poiché da soli non generano coppia di spunto, utilizzano un avvolgimento ausiliario e un condensatore. Sono preferiti dove è disponibile la rete domestica, per piccole pompe, compressori e macchine da officina; la serie monofase HEM Motor va da 0,18 a 5,5 kW. I motori trifase sono invece alimentati dalla rete industriale trifase, raggiungono potenze più elevate, producono una coppia più regolare e, a parità di potenza, sono più compatti. Il confronto per la scelta è nell'articolo monofase o trifase.

Motori speciali per posizionamento e movimenti di precisione

Alcuni motori non sono progettati per girare in continuo, ma per raggiungere un determinato angolo e fermarsi lì:

• Servomotore: funziona con un dispositivo di retroazione che legge la posizione dell'albero (encoder o resolver) e con un proprio azionamento. Si usa per i movimenti rapidi e precisi degli assi CNC, dei robot e delle macchine per l'imballaggio.
• Motore passo-passo (stepper): a ogni impulso ruota di un angolo definito. Poiché può funzionare senza retroazione, è diffuso nei posizionamenti semplici, nelle stampanti 3D e nei dosatori. Ad alta velocità e con carico elevato può perdere passi.
• DC brushless (BLDC): motori a commutazione elettronica, compatti ed efficienti. Si trovano spesso in ventilatori, piccole pompe e apparecchiature portatili.

Questi motori sono venduti come sistema insieme al proprio azionamento e non sostituiscono un motore asincrono industriale; vale anche il contrario.

Le varianti del motore asincrono industriale

Una volta scelto il motore trifase a rotore in cortocircuito, la varietà non finisce, ma si sposta su altri parametri. A catalogo le diverse versioni dello stesso motore di base si distinguono per queste caratteristiche:

• Classe di rendimento: IE3, IE4 e IE5. A parità di potenza, le perdite dei motori sono diverse; ad esempio per un motore da 7,5 kW a 4 poli i rendimenti limite sono rispettivamente 90,4%, 92,6% e 94,0%. Come si ripaga la differenza d'investimento lo abbiamo calcolato nell'articolo IE3 o IE4.
• Materiale della carcassa: la carcassa in ghisa è preferita per l'industria pesante e gli ambienti difficili, la carcassa in alluminio per la leggerezza in alcune piccole potenze.
• Forma costruttiva: con piedi (B3), flangiata (B5, B14) o entrambe (B35, B34); per il funzionamento verticale posizioni come V1 e V5.
• Grado di protezione: IP55 di serie; in base all'ambiente IP44, IP56 o IP65 su richiesta.
• Versioni specifiche per applicazione: motori per servizio gravoso per carichi che richiedono un'elevata coppia di spunto, come frantoi e mulini; motovibratori che generano vibrazioni in vagli e alimentatori; motoriduttori dove serve una bassa velocità d'uscita.

Anche il comportamento in avviamento è un criterio di distinzione. Due motori a rotore in cortocircuito della stessa potenza possono offrire coppie di spunto diverse a seconda del disegno delle barre rotoriche. L'argomento è trattato nell'articolo sulle classi di coppia.

Quale famiglia di motori per quale lavoro?

L'abbinamento seguente non è una regola assoluta, ma un primo orientamento:

• Carico a rotazione continua e velocità costante (pompa, ventilatore, compressore, trasportatore): motore asincrono trifase a rotore in cortocircuito.
• Carico con velocità spesso variabile (pompa a portata regolata, trasportatore a velocità controllata): motore asincrono trifase azionato da inverter; per obiettivi di alto rendimento, motore PM o a riluttanza con il relativo azionamento.
• Avviamento gravoso e con urti (frantoio, mulino): motore asincrono per servizio gravoso con elevata coppia di spunto.
• Movimento lento e ad alta coppia (miscelatore, tamburo): motoriduttore oppure motore e riduttore separati.
• Posizionamento preciso e arresti-avviamenti rapidi (robot, asse CNC): sistema servo.
• Solo rete monofase (piccola officina, agricoltura): motore monofase.

Conclusione

I tipi di motore elettrico possono sembrare numerosi a prima vista, ma la maggior parte dei lavori nell'industria ricade sul motore asincrono trifase a rotore in cortocircuito; la vera scelta si fa tra le opzioni di potenza, velocità, rendimento, carcassa e forma costruttiva di questo motore. I motori speciali per il posizionamento, legati all'azionamento, vanno invece valutati come sistema a sé. Può individuare la versione adatta alla Sua applicazione nella nostra pagina motori elettrici trifase.

Domande frequenti

Quale motore elettrico è più usato nell'industria?

Il tipo più diffuso è il motore asincrono trifase a rotore in cortocircuito. Non avendo parti soggette a usura come spazzole e anelli, richiede poca manutenzione ed è impiegato nella grande maggioranza delle applicazioni, come pompe, ventilatori, compressori e trasportatori.

Qual è la differenza tra motore asincrono e sincrono?

Nel motore asincrono il rotore gira leggermente in ritardo rispetto al campo magnetico rotante e grazie a questo scorrimento genera coppia. Nel motore sincrono il rotore gira invece esattamente alla stessa velocità del campo; questi motori funzionano per lo più insieme a un inverter.

Si può usare un motore asincrono al posto di un servomotore?

Nei lavori a rotazione continua che non richiedono precisione di posizione il motore asincrono è sufficiente. Negli assi che devono raggiungere rapidamente un angolo preciso e fermarsi servono invece la retroazione e l'azionamento del sistema servo; il motore asincrono non può svolgere questo compito con la stessa precisione.

I motori DC non si usano più?

Negli azionamenti industriali a velocità variabile i motori DC sono stati in gran parte sostituiti dai motori AC con inverter. Restano però molto diffusi nelle applicazioni in cui è disponibile una sorgente in corrente continua, come veicoli a batteria, carrelli elevatori e piccoli apparecchi.

Per i motori asincroni trifase HEM Motor può consultare i modelli con carcassa in alluminio (0,25–11 kW) e con carcassa in ghisa (0,55–355 kW).