Tutti i motori elettrici rotativi, ac e dc, funzionano grazie all’interazione di due campi magnetici. Uno è stazionario ed è (di solito) associato all’involucro esterno del motore. L’altro ruota ed è associato all’indotto del motore che gira (chiamato anche rotore). La rotazione è causata dall’interazione tra i due campi.

In un semplice motore a corrente continua, c’è un campo magnetico rotante la cui polarità è invertita ogni mezzo giro per mezzo di una combinazione spazzola-commutatore. Le spazzole – fondamentalmente aste di carbonio conduttivo che spazzolano i conduttori sul rotore mentre girano – hanno anche lo scopo di portare la corrente elettrica nell’indotto che gira. La situazione è un po’ diversa nel motore senza spazzole a corrente continua. Il campo rotante è ancora invertito ma da una commutazione che avviene elettronicamente.

Un motore a induzione ha la qualità unica che non c’è connessione elettrica tra gli avvolgimenti stazionari e rotanti. La corrente alternata viene applicata ai terminali del motore e alimenta gli avvolgimenti stazionari.

Tutti i motori a induzione sono motori asincroni. L’appellativo asincrono deriva dallo slittamento tra la velocità di rotazione del campo statorico e la velocità leggermente inferiore del rotore.

La maggior parte dei motori a induzione moderni hanno un rotore a forma di gabbia di scoiattolo. La gabbia cilindrica di scoiattolo consiste in pesanti barre di rame, alluminio o ottone inserite in scanalature e collegate alle due estremità da anelli conduttivi che mettono in corto circuito le barre. Il nucleo solido del rotore è costruito da pile di lamine di acciaio elettrico.

È anche possibile trovare motori a induzione che contengono rotori costituiti da avvolgimenti piuttosto che da una gabbia di scoiattolo. Questi sono chiamati motori a induzione a rotore avvolto. Lo scopo della costruzione è di fornire un mezzo per ridurre la corrente del rotore quando il motore inizia a girare. Questo è generalmente realizzato collegando ogni avvolgimento del rotore a una resistenza in serie. Gli avvolgimenti ricevono la corrente attraverso un qualche tipo di disposizione ad anello scorrevole. Una volta che il rotore raggiunge la velocità finale, i poli del rotore vengono commutati in un corto circuito, diventando così elettricamente lo stesso di un rotore a gabbia di scoiattolo.

La parte stazionaria degli avvolgimenti del motore a induzione (statore) si collega all’alimentazione CA. L’applicazione di una tensione allo statore provoca il flusso di una corrente alternata negli avvolgimenti dello statore. Il flusso di corrente induce un campo magnetico che colpisce il rotore, instaurando un flusso di tensione e corrente negli elementi del rotore.

Un polo nord nello statore induce un polo sud nel rotore. Ma la posizione del polo dello statore ruota al variare della tensione alternata in ampiezza e polarità. Il polo indotto nel rotore cerca di seguire il polo rotante dello statore. Tuttavia, la legge di Faraday dice che una forza elettromotrice è generata quando un anello di filo si muove da una regione di bassa intensità di campo magnetico a una di alta intensità di campo magnetico, e viceversa. Se il rotore seguisse esattamente il polo in movimento dello statore, non ci sarebbe alcun cambiamento nell’intensità del campo magnetico. Così, il rotore è sempre in ritardo rispetto alla rotazione del campo dello statore perché il campo del rotore è sempre in ritardo rispetto al campo dello statore di una certa quantità. Questo ritardo fa sì che il rotore ruoti ad una velocità che è un po’ più lenta di quella del campo statorico. La differenza tra i due è chiamata slittamento.

La quantità di slittamento può variare. Dipende principalmente dal carico che il motore aziona, ma è anche influenzato dalla resistenza del circuito rotorico e dalla forza del campo che il flusso statorico induce. Lo scorrimento in un motore Design B varia dallo 0,5% al 5%.

Quando il motore è fermo, gli avvolgimenti del rotore e dello statore sono in effetti avvolgimenti primari e secondari di un trasformatore. Quando la corrente alternata viene inizialmente applicata allo statore, il rotore non è in movimento. Quindi la tensione indotta nel rotore ha la stessa frequenza di quella dello statore. Quando il rotore inizia a girare, la frequenza della tensione indotta in esso, fr, scende. Se f è la frequenza della tensione dello statore, allora lo scorrimento, s, mette in relazione i due tramite fr = sf. Qui s è espresso come decimale.

Perché un motore a induzione non ha spazzole, commutatore o parti mobili simili, è meno costoso da produrre e mantenere di altri tipi di motori.

Al contrario, consideriamo un motore sincrono. Qui, il rotore gira alla stessa velocità – cioè in sincronia – del campo magnetico dello statore. Come il motore a induzione, anche il motore sincrono contiene uno statore e un rotore. Anche gli avvolgimenti dello statore si collegano alla corrente alternata come in un motore a induzione. Il campo magnetico dello statore ruota in sincronia con la frequenza della linea.

L’avvolgimento del rotore in un motore sincrono può ricevere corrente in vari modi, ma di solito non per induzione (tranne in alcuni progetti, solo per fornire la coppia di avvio). Il fatto che il rotore giri in sincronia con la frequenza della linea AC rende il motore sincrono utile per pilotare orologi ad alta precisione.

Dobbiamo sottolineare che il rotore di un motore AC sincrono gira in sincronia con un numero integrale di cicli AC. Questo non è lo stesso che dire che gira ad un RPM uguale alla frequenza della linea. Il numero di giri del rotore del motore, cioè la velocità sincrona N, è:

N = 120f/P = 60 f/P

dove f è la frequenza della rete in Hz, P è il numero di poli (per fase), e p è la coppia di poli per fase.

Di conseguenza, più poli ci sono, più il motore sincrono gira lentamente. È più costoso costruire un motore più lento, a parità di potenza. A 60 Hz:

• Un motore sincrono a due poli/fase gira a 3.600 RPM.
• Un motore sincrono a quattro poli/fase gira a 1.800 RPM.
• Un motore AC sincrono a sei poli/fase gira a 1200 RPM.
• Un motore AC sincrono a otto poli/fase gira a 900 RPM
• Un motore AC sincrono a dieci poli/fase gira a 720 RPM.
• Un motore sincrono a corrente alternata a dodici poli/fasi gira a 600 RPM.

I motori sincroni a corrente alternata a bassa potenza frazionaria sono utili quando si desidera una sincronizzazione precisa. I motori AC sincroni ad alta potenza, anche se più costosi dei motori a induzione trifase, hanno due qualità aggiuntive. Nonostante il maggior costo iniziale, possono essere utili nel lungo periodo perché sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ad altri tipi di motori. In secondo luogo, a volte contemporaneamente, possono funzionare a fattore di potenza principale o unitario, per cui uno o più motori AC sincroni possono fornire la correzione del fattore di potenza mentre svolgono anche un lavoro utile.

Ci sono diversi tipi distinti di motori sincroni AC. Essi sono generalmente classificati secondo il loro modo di generare un campo magnetico. I motori ad eccitazione separata hanno poli magnetici eccitati da una fonte esterna. Al contrario, i poli magnetici sono eccitati dal motore stesso in una macchina autoeccitata (a volte chiamata anche non eccitata e direttamente eccitata). I tipi non eccitati includono motori a riluttanza, motori a isteresi e motori a magneti permanenti. Inoltre, ci sono motori eccitati a corrente continua.

I motori sincroni non eccitati hanno rotori in acciaio. Durante il funzionamento, il rotore è magnetizzato con i poli magnetici necessari in modo analogo a quello di un motore a induzione. Ma il rotore gira alla stessa velocità e in sincronia con il campo magnetico rotante dello statore. La ragione è che ci sono delle fessure nel rotore. I motori partono come motori a induzione. Quando si avvicinano alla velocità sincrona, le fessure permettono al campo magnetico sincrono di bloccarsi sul rotore. Il motore gira quindi a velocità sincrona finché la coppia richiesta è bassa.

Nel motore a riluttanza, il rotore ha poli sporgenti che assomigliano a denti singoli. I poli del rotore sono meno numerosi di quelli dello statore, il che impedisce l’allineamento dei poli dello statore e del rotore, nel qual caso non ci sarebbe rotazione. I motori a riluttanza non sono auto-avvianti. Per questa ragione, avvolgimenti speciali (chiamati avvolgimenti a gabbia di scoiattolo) sono spesso incorporati nel rotore, così il motore a riluttanza si avvia come un motore a induzione.

Il motore a isteresi sfrutta l’ampio anello di isteresi nel rotore in acciaio al cobalto ad alta coercitività. A causa dell’isteresi, la fase di magnetizzazione nel rotore è in ritardo rispetto alla fase del campo magnetico rotante dello statore. Questo ritardo crea una coppia. A velocità sincrona, i campi del rotore e dello statore si bloccano per produrre una rotazione continua. Un vantaggio nel motore a isteresi è che è auto-avviante.

Un motore sincrono ac a magneti permanenti ha magneti permanenti incorporati nel rotore. Gli ascensori più recenti sono alimentati da questi motori, e un cambio non è necessario.

Il motore sincrono eccitato direttamente può essere chiamato con vari nomi, tra cui ECPM (electronically commutated permanent magnet), BLDC (brushless dc), o semplicemente un motore brushless a magneti permanenti. Il rotore contiene magneti permanenti. I magneti possono essere montati sulla superficie del rotore o essere inseriti all’interno del gruppo rotore (nel qual caso il motore è chiamato motore a magneti permanenti interni).

Un computer controlla la commutazione sequenziale di potenza sugli avvolgimenti dello statore al momento giusto usando interruttori a stato solido. La potenza viene applicata alle bobine avvolte sui denti dello statore, e se un polo saliente del rotore è allineato perfettamente con il dente dello statore, non viene prodotta alcuna coppia. Se il dente del rotore è ad un certo angolo rispetto al dente dello statore, almeno una parte del flusso magnetico attraversa il gap con un angolo che non è perpendicolare alle superfici dei denti. Il risultato è una coppia sul rotore. Così, la commutazione di potenza agli avvolgimenti dello statore al momento giusto causa un modello di flusso che risulta in un movimento in senso orario o antiorario.

Un altro tipo di motore sincrono è il motore a riluttanza commutata (SR).
Il suo rotore consiste in laminazioni di acciaio impilate con una serie di denti. I denti sono magneticamente permeabili e le aree che li circondano sono debolmente permeabili in virtù delle fessure tagliate in essi.

A differenza dei motori a induzione, non ci sono barre del rotore e di conseguenza nessun flusso di corrente che produce coppia nel rotore. L’assenza di qualsiasi forma di conduttore sul rotore SR significa che le perdite complessive del rotore sono notevolmente inferiori a quelle di altri motori che incorporano rotori con conduttori.

La coppia prodotta dal motore SR è controllata regolando la grandezza della corrente negli elettromagneti dello statore. La velocità è quindi controllata modulando la coppia (attraverso la corrente dell’avvolgimento). La tecnica è analoga al modo in cui la velocità è controllata tramite la corrente di armatura in un motore tradizionale a spazzole-cc.

Un motore SR produce una coppia proporzionale alla quantità di corrente messa nei suoi avvolgimenti. La produzione di coppia non è influenzata dalla velocità del motore. Questo è diverso dai motori a induzione ac dove, ad alte velocità di rotazione nella regione di indebolimento del campo, la corrente del rotore è sempre più in ritardo rispetto al campo rotante man mano che aumenta il numero di giri del motore.

Infine, c’è il motore sincrono ac eccitato da corrente continua. Richiede un’alimentazione raddrizzata per generare un campo magnetico. Questi motori sono generalmente costruiti in dimensioni maggiori di un cavallo di potenza.