Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
All'interno della maggior parte dei motori elettrici si trova un componente semplice ma molto intelligente. Si chiama rotore a gabbia di scoiattolo. Assomiglia un po' a una ruota di criceto, ma è il motivo per cui il motore gira. In questo articolo esamineremo la barra del rotore, il pezzo chiave di questo puzzle. Vi spiegherò in parole semplici come funziona questo rotore a gabbia di scoiattolo. Imparerete perché è così importante e come il suo design modifica le prestazioni del motore. Se volete capire cosa fa funzionare il vostro motore, questo articolo fa per voi.
All'interno, c'è una parte che sembra una gabbia per un piccolo animale. È da qui che deriva il nome. Questa parte è il rotore. Il rotore a gabbia di scoiattolo è un cilindro di lamine di acciaio. A laminazione è una sottile fetta di acciaio. Molte fette sono impilate insieme per formare il nucleo del rotore. Questo design contribuisce a ridurre le perdite di energia. All'interno di questo nucleo sono presenti numerose barre, chiamate barre del rotore. Le barre del rotore sono collegate a ciascuna estremità da un anello terminale. L'insieme delle barre e degli anelli assomiglia a una gabbia di scoiattolo. Questa semplice gabbia fa girare l'intero motore.
L'intero gruppo delle barre del rotore e degli anelli terminali è molto robusto. Si tratta di un progetto molto robusto. Le barre non sono isolate dal nucleo di ferro. Questo perché la corrente seguirà naturalmente il percorso delle barre. Le barre hanno una migliore conduttività. Questa parte, il rotore a gabbia di scoiattolo, è un elemento chiave di molti motori elettrici. Il rotore non è collegato elettricamente dall'esterno. È questo che rende il motore a gabbia di scoiattolo così affidabile. Il design di base di questo rotore è puramente geniale.
Come fa questo motore a girare? È tutto merito di un bel trucco con i magneti. La parte esterna del motore è chiamata statore. Quando si alimenta lo statore, una corrente alternata scorre attraverso il suo avvolgimento. Questa corrente nell'avvolgimento dello statore crea un campo magnetico rotante. Pensate a un magnete che gira molto velocemente. Questo campo magnetico è la chiave. Per certi versi, il motore funziona come un trasformatore.
Il campo magnetico rotante dello statore taglia le barre del rotore a gabbia di scoiattolo. Ricordate che il rotore non è ancora in movimento. Quando un campo magnetico passa davanti a una barra metallica, fa scorrere l'elettricità nella barra. Diciamo che induce una corrente. Quindi, in ogni barra del rotore si creano una tensione e una corrente. Poiché le barre del rotore sono collegate dall'anello terminale a ciascuna estremità, la corrente può scorrere in un percorso chiuso, o circuito del rotore. Questo è un passo molto importante per il motore a induzione. La magia avviene quando la corrente viene applicata allo statore.
La barra del rotore è il vero protagonista di un motore a gabbia di scoiattolo. Ogni barra del rotore agisce come un conduttore. Quando il campo magnetico dello statore passa davanti al rotore, crea, o induce, una corrente nella barra del rotore. Ora abbiamo una barra attraversata da corrente, che si trova all'interno di un altro campo magnetico. È qui che nasce la forza. L'interazione tra il campo magnetico e la corrente nella barra del rotore crea una forza che spinge la barra.
Questa spinta su ogni singola barra del rotore si somma. Questa spinta combinata crea una forza di torsione, che chiamiamo coppia. È questa coppia che fa sì che il rotore inizi a girare. Senza la barra del rotore, non scorrerebbe alcuna corrente nel rotore e non si produrrebbe alcuna coppia. Il motore rimarrebbe lì a ronzare. Quindi, l'umile barra del rotore è la parte che trasforma l'energia elettrica in movimento per il motore. Il design della barra del rotore contribuisce a determinare la coppia di avviamento del motore. Un buon design a gabbia di scoiattolo è fondamentale per un buon motore.
Le barre del rotore sono realizzate in diversi materiali. I più comuni sono l'alluminio o il rame. La scelta del materiale è molto importante per le prestazioni del motore. L'alluminio o il rame sono utilizzati perché sono buoni conduttori di elettricità. Questa proprietà è chiamata conduttività. Il rame ha una conduttività migliore dell'alluminio. Ciò significa che un motore con barre di rame è spesso più efficiente. Spreca meno energia sotto forma di calore.
Tuttavia, l'alluminio è più economico e più leggero. Molti motori utilizzano l'alluminio pressofuso. In questo processo, l'alluminio fuso viene forzato nelle fessure del telaio. pila di laminazione del rotore per formare le barre del rotore e gli anelli terminali tutti insieme. Questo rende la gabbia di scoiattolo robusta e poco costosa. I motori ad alta efficienza, definiti da standard come NEMA e IEC, utilizzano spesso il rame per la costruzione delle barre del rotore. Un motore con rotore a gabbia di scoiattolo in rame può avere perdite di energia inferiori. La scelta del materiale per la barra del rotore è quindi un equilibrio tra costo ed efficienza del motore. Alcuni motori speciali possono anche utilizzare una lega di ottone.
Parliamo ancora di coppia. La coppia prodotta dal motore è ciò che fa il lavoro. Nelle barre del rotore viene indotta una corrente. Si tratta della cosiddetta corrente indotta. Questa corrente crea dei piccoli campi magnetici attorno a ciascuna barra del rotore. Questi piccoli campi magnetici spingono contro il grande campo magnetico rotante dello statore. Questo spingere e tirare è ciò che crea la coppia per far girare l'albero. È un po' come se due magneti si spingessero l'un l'altro.
La quantità di coppia dipende da alcuni fattori. Dipende dalla forza del campo statorico. Dipende anche dalla quantità di corrente nel rotore. L'obiettivo di un buon progetto di motore è avere una coppia elevata. Il profilo delle barre del rotore può essere modellato per modificare le caratteristiche di velocità-coppia. Ad esempio, alcuni progetti utilizzano una barra del rotore stretta e profonda. Ciò contribuisce ad aumentare la coppia di avviamento del motore. Questo è utile per i motori che devono partire con un carico pesante. La coppia è ciò che fa passare il motore da zero alla velocità massima.
Sembra strano, ma è molto importante per un motore a induzione a gabbia di scoiattolo. Ricordate il campo magnetico rotante nello statore? Gira a una velocità fissa. La chiamiamo velocità sincrona. Affinché il rotore sia indotto da una corrente, deve ruotare più lento del campo magnetico. Se il rotore girasse alla stessa velocità, le barre del rotore sarebbero ferme rispetto al campo. Non verrebbe indotta alcuna corrente e non ci sarebbe alcuna coppia.
Questa differenza di velocità tra il campo statorico e il rotore è chiamata scorrimento. Lo scorrimento è ciò che consente al motore di funzionare. Quando il motore è a vuoto, lo scorrimento è molto ridotto. Il rotore gira a una velocità molto vicina a quella sincrona. Quando il motore è a pieno carico, il rotore rallenta leggermente. Questo aumenta lo scorrimento. Uno scorrimento maggiore significa che il campo magnetico taglia più velocemente le barre del rotore. Ciò induce una corrente maggiore, che crea una coppia maggiore per gestire il carico. Lo scorrimento è quindi necessario. La frequenza di scorrimento è correlata alla quantità di coppia prodotta.
Avete mai osservato da vicino un rotore a gabbia di scoiattolo? Potreste notare che le fessure della barra del rotore non sono parallele all'albero del rotore. Sono leggermente angolate. Questo fenomeno si chiama obliquità. Ci sono buone ragioni per questo. In primo luogo, l'obliquità aiuta il motore a funzionare in modo più fluido e silenzioso. Contribuisce a ridurre il rumore prodotto dal motore. Inoltre, impedisce il cosiddetto blocco magnetico, in cui i denti del rotore e dello statore possono allinearsi e impedire l'avvio del motore.
Un'altra importante ragione per l'inclinazione è il miglioramento delle prestazioni del motore. L'inclinazione della barra del rotore aiuta a produrre una coppia più uniforme durante la rotazione del rotore. Ciò rende il funzionamento del motore più fluido. L'obliquità aiuta anche a ridurre alcuni effetti elettrici indesiderati. La lunghezza della barra del rotore viene leggermente aumentata dall'obliquità, che ne modifica la resistenza. La quantità di obliquità è una scelta progettuale accurata. Si basa sul numero di slot dello statore e sul numero di barre del rotore per ottenere le migliori prestazioni del motore.
Sì, una barra del rotore rotta può causare grossi problemi a un motore. La gabbia di scoiattolo è un circuito chiuso. Se una barra del rotore si rompe, il circuito è aperto. Questo è negativo per l'equilibrio del rotore. Una barra del rotore rotta significa che il flusso di corrente è minore e quindi la coppia diminuisce. Il motore perde potenza. Si potrebbe sentire uno strano rumore o il motore potrebbe vibrare più del solito. Ciò può causare un ulteriore stress ai cuscinetti e all'intero motore.
Una barra del rotore rotta può anche far surriscaldare il motore. La corrente che sarebbe passata attraverso la barra rotta deve ora passare attraverso le altre barre. Questo può sovraccaricarle. Si tratta di un guasto comune nei motori a induzione a gabbia di scoiattolo. Può essere causato dall'avvio e dall'arresto troppo frequenti del motore o da un problema di fabbricazione. Se si pensa di avere una barra del rotore rotta, è importante far controllare il motore. Anche il disallineamento dello statore e del rotore può causare problemi. La salute di ogni barra del rotore è importante per la salute dell'intero motore.
Il design del rotore a gabbia ha un impatto enorme sul funzionamento di un motore. Gli ingegneri possono modificare molti aspetti della gabbia di scoiattolo per ottenere le prestazioni desiderate. Ad esempio, la forma della barra del rotore è molto importante. Una barra profonda ha proprietà diverse da una barra rotonda. Le barre profonde possono essere utilizzate per massimizzare la coppia a bassa velocità. Ciò è dovuto a un fenomeno chiamato effetto pelle. All'inizio, la corrente scorre vicino alla parte superiore della barra. Quando il motore accelera, la corrente utilizza l'intera barra. Questo design offre una buona coppia di avviamento ma anche una buona efficienza di funzionamento.
Anche il materiale della barra del rotore è importante. L'uso del rame al posto dell'alluminio modifica la resistività dell'avvolgimento del rotore. Una resistenza più bassa significa di solito un motore più efficiente, ma può ridurre la coppia di avviamento. Anche il numero di barre del rotore e il loro angolo di inclinazione sono scelte progettuali importanti. Tutti questi fattori influenzano le caratteristiche di velocità-coppia, la corrente di avviamento, il fattore di potenza e l'efficienza complessiva del motore a induzione a gabbia di scoiattolo. Il progetto di un rotore a gabbia dall'aspetto semplice è in realtà molto complesso.
Sì, il motore a induzione a gabbia di scoiattolo è un tipo di motore, ma ne esistono altri. Un'alternativa comune è il motore a rotore avvolto. La differenza maggiore sta nel rotore. Come sappiamo, il rotore a gabbia di scoiattolo ha barre conduttrici che sono messe in cortocircuito alle estremità da anelli di cortocircuito. L'avvolgimento del rotore è fisso. Non è possibile cambiarlo. Questo rende il progetto dell'induzione a gabbia di scoiattolo molto semplice e affidabile.
Un motore a rotore avvolto ha un rotore più complesso. Invece di barre, ha un avvolgimento trifase completo, proprio come l'avvolgimento dello statore. Le estremità dell'avvolgimento del rotore sono collegate ad anelli di scorrimento sull'albero. In questo modo è possibile collegare resistenze esterne al circuito del rotore. Modificando la resistenza, è possibile controllare le caratteristiche di velocità e coppia del motore. In questo modo si ottiene un maggiore controllo, soprattutto per l'avviamento. Tuttavia, il motore è più costoso e meno robusto di un motore a gabbia di scoiattolo. Per la maggior parte dei lavori, il motore a gabbia di scoiattolo, semplice e resistente, è la scelta migliore.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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