Come funziona un motore a corrente alternata: applicazioni, criteri di selezione e guida pratica

Come funziona un motore CA e perché lo slittamento decide quasi tutto

Il rotore non cattura mai il campo magnetico che lo muove. Questa carenza spiega la velocità nominale, la coppia, il calore, i guasti ai condensatori e la maggior parte dei numeri stampati su una targhetta.

Un tachimetro su un motore della ventola da 50 Hz stampato a 1.300 giri al minuto legge vicino a quella cifra se la pala è pulita o ricoperta di polvere, e si alza solo leggermente quando il flusso d'aria è bloccato. Monta lo stesso motore dietro una girante più pesante e la velocità si muove a malapena mentre la corrente sale. Entrambi i comportamenti provengono da un meccanismo.

Un motore CA funziona producendo un campo magnetico che viaggia attorno allo statore a una velocità impostata dalla frequenza di alimentazione e dal numero di poli, quindi trascinando il rotore dietro di esso per una piccola percentuale. La coppia esiste solo mentre il rotore è in ritardo. Lascia che il rotore corrisponda esattamente al campo e non vi sarà alcun movimento relativo, nessuna corrente indotta e nessuna coppia.

Aggrappandosi a questa idea, diversi argomenti quotidiani si accorciano: perché le velocità indicate sulla targhetta sono numeri dispari, perché un motore monofase ronza invece di avviarsi quando un condensatore si secca e perché lo stesso telaio diventa più caldo in un riscaldatore che in un ventilatore.

Il campo rotante, passo dopo passo

In un motore trifase, tre avvolgimenti si trovano a 120 gradi elettrici l'uno dall'altro e trasportano correnti sfalsate dello stesso angolo. I loro campi si sommano in un unico campo di forza costante che ruota una volta per ciclo elettrico. Cioè la velocità sincrona: Ns = 120f ÷ P, con f in hertz e P il numero di poli.

1. La corrente dello statore crea un campo che attraversa le barre del rotore.
2. Poiché le barre si muovono rispetto a quel campo, in esse viene indotta tensione, quindi il rotore si comporta come un secondario cortocircuitato.
3. Le correnti indotte creano il proprio campo, contro il quale spinge il campo dello statore e il rotore accelera nella stessa direzione.
4. Sotto carico il rotore si avvicina alla velocità sincrona ma non la raggiunge mai. Il divario è scorrimento: s = (Ns − Nr) ÷ Ns.
5. La coppia aumenta con lo slittamento fino alla coppia di rottura, quindi diminuisce, motivo per cui un motore sovraccarico va in stallo anziché semplicemente rallentare.

Lo scorrimento a pieno carico è solitamente del 2–6% nei piccoli motori per uso generale. I motori dei ventilatori funzionano deliberatamente a una velocità maggiore, spesso dell'8-15%, perché una curva di coppia più piatta mantiene costante il flusso d'aria mentre i filtri si intasano e le pale si caricano.

Dove si trovano le parti e da dove viene il calore

Lo statore è una pila di sottili lamierini di silicio-acciaio, isolati l'uno dall'altro per limitare le correnti parassite, con avvolgimenti in rame smaltato inseriti nelle fessure. Il rotore è una gabbia di barre di alluminio pressofuso o rame accorciate da anelli terminali. I traferri nei piccoli motori sono di circa 0,25–0,5 mm, e tale traferro è il luogo in cui avviene il trasferimento di energia: qualsiasi eccentricità si manifesta come vibrazione e rumore.

Un motore monofase alimentato da condensatore aggiunge un secondo avvolgimento e un condensatore a film; un motore trifase non ha alcun condensatore. I cuscinetti, solitamente cuscinetti a sfere sigillati in caso di utilizzo delle ventole, rappresentano gran parte della durata di servizio.

Lo scivolamento non è un difetto da eliminare mediante progettazione. È la distanza di lavoro tra il campo e l'albero: chiudilo completamente e il motore non produce nulla.

Le perdite lasciano sotto forma di calore: resistenza in entrambi gli avvolgimenti, perdita del nucleo nei lamierini, attrito e avvolgimento sui cuscinetti. I piccoli motori monofase spesso raggiungono un'efficienza del 30-60%, motivo per cui un'uscita dell'albero da 45 W può assorbire quasi 90 W dalla parete e perché il materiale dell'alloggiamento e il flusso d'aria sono importanti tanto quanto l'avvolgimento stesso.

Perché un motore monofase non può avviarsi da solo

Un avvolgimento alimentato con corrente monofase produce un campo pulsante e non rotante. Si risolve in due campi che ruotano in direzioni opposte alla stessa velocità. Da fermi si annullano esattamente, quindi la coppia netta è pari a zero e il rotore ronza solo.

• Palo ombreggiato: un anello di rame su parte di ciascun polo ritarda il flusso e produce una piccola coppia di avviamento: economica, silenziosa, inefficiente, comune sui piccoli ventilatori.
• Fase divisa della resistenza: un avvolgimento ausiliario ad alta resistenza sposta la fase; un interruttore centrifugo o PTC lo rimuove dopo l'avviamento.
• Avvio del condensatore: un grande condensatore elettrolitico fornisce un'elevata coppia di avviamento per pompe e compressori.
• Condensatore funzionante o condensatore diviso permanente: un piccolo condensatore a film rimane nel circuito, aumentando il fattore di potenza e riducendo il rumore, al costo di una modesta coppia di spunto.

Le ventole utilizzano design a condensatore perché il carico all'avvio è leggero. Un tipico condensatore di marcia è costituito da pochi microfarad di pellicola metallizzata. Man mano che perde capacità (la causa più frequente è il calore), la coppia di avviamento diminuisce, il motore assorbe più corrente per la stessa potenza e l'avvolgimento diventa più caldo. Se un motore ronza e il protettore termico continua a intervenire, misurare prima il condensatore; l'effetto del condensatore di marcia sulla coppia di avviamento e sull'efficienza di funzionamento di solito è tutta la storia.

Velocità di lettura e slittamento da una targa

Il numero di giri indicato sulla targa è la velocità a pieno carico alla tensione nominale, non la velocità di marcia libera. Impostalo rispetto alla velocità sincrona e puoi leggere l'intento del progettista.

Quindi 1.300 giri al minuto a 50 Hz significano un motore a quattro poli che funziona con uno slittamento di circa il 13% - alto volutamente, in modo che una pala polverosa non oscilli il flusso d'aria. Un motore del riscaldatore da 2.800 giri/min è bipolare con uno scorrimento di circa il 7%; 920 giri al minuto puntano a sei poli.

Informazioni Due motori possono condividere un telaio, un diametro dell'albero e un valore del condensatore ed essere comunque a 200 giri al minuto l'uno dall'altro. Confermare la corrente misurata al carico nominale anziché fidarsi solo del timbro.

Abbinamento del motore all'apparecchio

I cicli di lavoro degli elettrodomestici determinano la classe del motore in modo più affidabile rispetto alla potenza nominale.

Per i ventilatori ad aria fredda, la scelta dell'alloggiamento è una decisione reale piuttosto che estetica: un guscio in alluminio disperde il calore più velocemente e resiste meglio alla corrosione degli ambienti umidi rispetto all'acciaio verniciato a costi simili. La diffusione di motori AC monofase ad aria fredda tra le unità da tavolo e da pavimento mostra quanta parte delle specifiche riguardi realmente il montaggio e la geometria dell'albero.

I termoventilatori passano a motori bipolari per far girare velocemente un ventilatore più piccolo e il vincolo vincolante diventa la temperatura anziché la velocità. La classe di isolamento, la posizione del fusibile termico e il percorso di raffreddamento del motore determinano se sopravviverà a una griglia bloccata in una fredda mattina.

Le cappe da cucina si trovano tra i motori CA azionati da condensatori in alloggiamenti di plastica e le alternative CC. Grasso, vapore e prodotti chimici per la pulizia gravano sui telai aperti, quindi l'incapsulamento guadagna i suoi costi in anni di servizio anziché in decibel.

Guasti, controlli e cosa chiedere a un fornitore

• Cuscinetti sono i soliti articoli a fine vita; il rumore arriva molto prima del sequestro.
• Esegui i condensatori deriva nella capacità anziché guastarsi in modo netto, quindi il motore continua a girare anche se è caldo.
• Isolamento degli avvolgimenti si guasta dopo una prolungata sovratemperatura; ogni 10 °C sopra la soglia nominale dimezza all'incirca la sua durata.
• Umidità e grasso minore resistenza di isolamento; i motori in plastica incapsulata tollerano il lavaggio molto meglio dei telai aperti.

Pericolo Non sostituire mai un condensatore di avviamento con un condensatore di marcia. La tensione nominale e il servizio differiscono e l'avvolgimento può surriscaldarsi in pochi minuti su una ventola che in precedenza funzionava per anni.

Avvertimento Sui riscaldatori, una griglia ristretta aumenta la temperatura dell'aria e taglia il flusso di massa che raffredda il motore. Il protettore termico può scattare ripetutamente senza alcun guasto nell'avvolgimento.

Successo Approvare un campione sulla base delle prove, non su un catalogo. Richiedi velocità e corrente misurate con la lama reale, aumento di temperatura a 1,1 volte la tensione nominale, corrente a rotore bloccato, valore del condensatore con tolleranza, rumore alla presa di velocità più bassa e numeri di certificato che corrispondono al mercato di destinazione.

Ogni decisione pratica relativa a un motore CA riporta alla stessa immagine: un campo che ruota a velocità sincrona, un rotore che trascina di qualche punto percentuale e la coppia che vive in quell'intervallo. La velocità nominale ti dice il numero di poli, lo scorrimento ti dice il servizio e il condensatore ti dice come si avvia il motore.

Specificare insieme velocità, scorrimento, aumento di temperatura e metodo di avviamento. Giudicato uno alla volta, ogni numero sembra innocuo; valutati insieme, prevedono se l'apparecchio sarà ancora silenzioso dopo due estati di utilizzo quotidiano.