Nell’ingegneria dei motori elettrici, per gli ingegneri coinvolti nella progettazione, produzione, collaudo o integrazione dei sistemi, la mancata comprensione di questi componenti può portare a errori di specifica, perdite di efficienza o diagnosi di guasti errate.
Anatomia di base di un motore elettrico
Prima di analizzare i singoli componenti, è importante comprendere il principio di funzionamento fondamentale dei motori elettrici. In sostanza, tutti i motori elettrici convertono l’energia elettrica in movimento meccanico utilizzando l’interazione elettromagnetica.
Componenti principali
Nonostante le enormi variazioni in termini di dimensioni, potenza nominale e applicazione, la maggior parte dei motori elettrici condivide i seguenti elementi fondamentali:
- Una struttura stazionaria che stabilisce o supporta un campo magnetico.
- Una struttura rotante che risponde alle forze elettromagnetiche.
- Un traferro che consente il movimento relativo mantenendo l’accoppiamento magnetico.
- Un albero meccanico che trasmette la coppia.
All’interno di questo quadro, statore, rotore e indotto svolgono ruoli distinti.
Interazione elettromagnetica e movimento
Il funzionamento del motore è regolato da due leggi elettromagnetiche principali:
- Forza di Lorentz:Un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico è soggetto a una forza.
- Legge di induzione di Faraday:Un campo magnetico variabile induce una forza elettromotrice.
A seconda del tipo di motore, la corrente può essere fornita direttamente agli avvolgimenti rotanti, indotta magneticamente o sostituita interamente da campi magnetici permanenti. Queste differenze definiscono in larga misura la classificazione di un componente come statore, rotore o indotto.
Posizionamento fisico dei componenti
Nella maggior parte dei moderni motori a flusso radiale:
- Lo statore costituisce l’anello stazionario esterno.
- Il rotore ruota insieme all’albero ed è alloggiato all’interno dello statore.
- A seconda del tipo di motore, l’indotto può essere posizionato su entrambi i lati.
Tabella di riferimento rapido
| Attributo | Statore | Rotore | Armatura |
| Movimento | Stazionario | Rotante | O |
| Ruolo elettrico | Generazione di campo | Reazione di coppia | Interazione EM |
| Posizione | Esterno (di solito) | Interno (di solito) | Dipende |
| Avvolgimenti | Spesso presente | A volte | Sempre |
Cos’è uno statore?
La parte fissa di un motore elettrico che crea o dirige il campo magnetico necessario per produrre coppia è chiamata statore. A differenza del rotore, lo statore non si muove meccanicamente, ma svolge un ruolo elettromagnetico attivo.
Lo statore della maggior parte dei motori AC e brushless è dotato di avvolgimenti elettrificati che creano un campo magnetico rotante che interagisce con il rotore per creare movimento.
Costruzione dello statore
Dal punto di vista produttivo, lo statore è un insieme altamente ingegnerizzato costituito da più sottosistemi.
Laminazioni del nucleo dello statore
IL nucleo dello statore è tipicamente costituito da sottili lamierini di acciaio elettrico, impilati assialmente per formare una struttura cilindrica. Lo spessore dei lamierini varia comunemente da:
- 0,5 mm per motori industriali standard.
- Da 0,35 a 0,2 mm per motori con buona efficienza.
- 0,1 mm o più sottile per applicazioni aerospaziali o ad alta velocità.
Fessure e denti
La circonferenza interna del nucleo dello statore presenta delle fessure separate da denti. Queste caratteristiche:
- Tenere e supportare gli avvolgimenti
- Modella la distribuzione del campo magnetico
- Influenza l’ondulazione di coppia e il rumore
Avvolgimenti dello statore
Le cave dello statore sono riempite con avvolgimenti in rame separati dal nucleo. A seconda dell’applicazione, gli avvolgimenti possono essere:
- Avvolgimenti di filo tondo
- Avvolgimenti di filo rettangolari o piatti
- Avvolgimenti a forcina o a perno
Tipi di statori
Gli statori vengono classificati in base alla disposizione degli avvolgimenti e alla geometria delle cave.
Statori scanalati e senza scanalatura
- Gli statori scanalati offrono un forte accoppiamento magnetico ma introducono una coppia di cogging.
- Gli statori senza fessura garantiscono una coppia più fluida e un rumore inferiore, a scapito però di una densità di coppia ridotta.
Avvolgimenti concentrati vs distribuiti
- Gli avvolgimenti concentrati semplificano la produzione e riducono la lunghezza delle spire finali.
- Gli avvolgimenti distribuiti migliorano la distribuzione e l’efficienza del campo sinusoidale.
La funzione dello statore nelle prestazioni del sistema
Lo statore influenza fortemente:
- Efficienza del motore
- Fattore di potenza
- limiti termici
- rumore acustico
- Producibilità e costo
Per molti progetti di motori, l’ottimizzazione dello statore produce maggiori guadagni in termini di efficienza rispetto alle modifiche del rotore.
Cos’è un rotore?
La parte di un motore elettrico che ruota è chiamata rotore. È accoppiato meccanicamente all’albero di uscita e converte le forze elettromagnetiche in coppia utilizzabile.
Mentre lo statore crea condizioni magnetiche, il rotore risponde ruotando all’interno di quel campo.
Costruzione del rotore
La progettazione del rotore varia notevolmente in base al tipo di motore, ma i principi costruttivi del nucleo rimangono costanti.
Laminazioni del nucleo del rotore
Come gli statori, la maggior parte dei rotori utilizza nuclei in acciaio elettrico laminato per ridurre le perdite. Le lamiere del rotore possono includere:
- Slot per conduttori
- Barriere di flusso (nei motori a riluttanza)
- Cavità magnetiche (nei motori a magneti permanenti)
La precisione nell’impilamento delle lamine è essenziale per l’equilibrio del rotore e la simmetria magnetica.
Integrazione dell’albero del rotore
Il nucleo del rotore è solitamente calettato a pressione o a caldo su un albero in acciaio. Questa interfaccia deve resistere a:
- Forze centrifughe
- sforzo torsionale
- dilatazione termica
Una scarsa integrazione dell’albero può causare vibrazioni, rumore o guasti catastrofici.
Tipi tipici di rotore
Rotore a gabbia di scoiattolo
Questo rotore, spesso utilizzato nei motori a induzione, è costituito da barre conduttive cortocircuitate da anelli terminali. La corrente viene indotta, non fornita direttamente.
Rotore avvolto
Contiene avvolgimenti collegati tramite anelli collettori, consentendo il controllo della resistenza esterna durante l’avviamento.
Rotore a magnete permanente
Utilizza magneti incorporati o montati in superficie per generare un campo magnetico costante, eliminando le perdite di rame del rotore.
Rotori salienti vs non salienti
- I rotori sporgenti hanno poli sporgenti e traferri variabili.
- I rotori non sporgenti garantiscono traferri uniformi e un funzionamento più fluido.
Raffreddamento del rotore e stress meccanico
I rotori sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche maggiori rispetto agli statori a causa della rotazione. I metodi di raffreddamento includono:
- Canali dell’aria interni
- Ventilatori montati su albero
- Raffreddamento a liquido (macchine ad alta potenza)
Cos’è un’armatura?
L’indotto è definito come il componente in cui viene indotta la forza elettromotrice (CEM) o attraverso il quale scorre la corrente per interagire con un campo magnetico.
Storicamente, il termine ha avuto origine nelle prime macchine a corrente continua, in cui la parte rotante che trasportava corrente era chiaramente distinguibile dal sistema di campo.
Indotto vs rotore: sono la stessa cosa?
È una delle fonti di confusione più frequenti.
- Il rotore è l’indotto dei motori a corrente continua.
- Nei motori a induzione CA, il rotore funge da indotto a causa delle correnti indotte.
- Nei motori BLDC, lo statore funge da indotto.
Pertanto, l’armatura descrive un ruolo funzionale, non una posizione fisica fissa.
Costruzione dell’armatura
Le armature possono essere costituite da:
- Nuclei laminati
- Avvolgimenti incorporati
- Collettori (nelle macchine con spazzole)
Gli avvolgimenti dell’indotto sono soggetti a elevata densità di corrente e stress termico, rendendo l’isolamento e il raffreddamento critici.
Differenze chiave tra statore, rotore e indotto
Confronto funzionale
| Componente | Funzione primaria | Movimento |
| Statore | Genera campo magnetico | Stazionario |
| Rotore | Produce coppia meccanica | Rotante |
| Armatura | Trasporta corrente / interazione EMF | Stazionario o rotante |
Confronto strutturale
- Lo statore privilegia la stabilità termica e l’isolamento.
- Il rotore privilegia la resistenza meccanica e l’equilibrio.
- L’indotto dà priorità all’efficienza dell’interazione elettrica.
Comportamento elettrico
L’esperienza di Armature:
- Elevate densità di corrente
- Induzione di tensione
- Commutazione o commutazione elettronica
Gli statori sono solitamente sottoposti a minori sollecitazioni elettriche ma a carichi termici maggiori.
Ruoli di statore, rotore e armatura nei diversi tipi di motore
Motori a induzione
- Statore: generatore di campo magnetico rotante
- Rotore: indotto a corrente indotta
- Ruolo dell’indotto: rotore
Motori a corrente continua
- Statore: sistema di campo
- Rotore: indotto con commutatore
- Ruolo dell’indotto: rotore
Motori CC senza spazzole (BLDC)
- Statore: avvolgimenti dell’indotto energizzati
- Rotore: magneti permanenti
- Ruolo dell’indotto: statore
Motori sincroni e generatori
Il posizionamento dell’indotto e del campo dipende dal metodo di eccitazione e dall’applicazione, in particolare nei generatori.
