Cosa c'è dentro? Uno sguardo alla costruzione del rotore a gabbia di scoiattolo!

Vi siete mai chiesti cosa fa girare un motore elettrico? Una parte importante dei motori elettrici più comuni è costituita da un rotore a gabbia di scoiattolo. Sembra strano, vero? Ma è un elemento molto importante. In questo breve articolo, vi parlerò della costruzione del rotore a gabbia di scoiattolo. Vedremo di cosa è fatto e come viene assemblato. Capire questo ci aiuta a capire quanto sia efficace il lavoro dei motori a induzione. Credetemi, è più facile di quanto pensiate ed è per questo che questi motori sono quasi ovunque! Vale la pena di leggere questo breve articolo per scoprire i segreti di uno strumento che alimenta gran parte del nostro mondo.

Che cos'è esattamente il rotore di un motore a induzione?

In parole povere, il rotore è il componente rotante di un motore a induzione. Pensate a una trottola rotante: il rotore è simile a questo, ma si trova all'interno del motore. Il rotore è un pezzo fondamentale che aiuta a trasformare l'energia elettrica in energia meccanica. Questo movimento può poi svolgere un lavoro, come far girare un inseguitore o far funzionare un'apparecchiatura. Il motore a induzione ha bisogno di questo rotore che gira per svolgere il suo lavoro. Il rotore si trova all'interno dello statore. Lo statore è la parte stazionaria del motore a induzione. Il rotore ha generalmente una forma cilindrica. È montato sull'albero del motore. Quando il rotore ruota, ruota anche l'albero. L'albero si collega poi a qualsiasi cosa il motore debba spostare. Il rotore è quindi il cuore dell'azione di un motore a induzione. Riconoscere il rotore è il primo passo per comprendere l'intero motore a induzione. Diversi tipi di motori a induzione utilizzano un tipo specifico di rotore.

Perché lo chiamano rotore a "gabbia di scoiattolo"?

Perché il nome "rotore a gabbia di scoiattolo"? Se si potesse estrarre il nucleo del rotore e controllare i suoi soli componenti conduttori di elettricità, sembrerebbe proprio una gabbia. Per intenderci, il tipo di gabbia in cui potrebbe correre uno scoiattolo o un criceto. Questa "gabbia" è costituita da barre conduttrici che percorrono la lunghezza del rotore. Queste barre sono poi collegate alle due estremità da un anello, chiamato anello terminale. Quindi, ci sono queste barre identiche e 2 anelli che le tengono insieme. Questa struttura è ciò che dà il nome al rotore a gabbia di scoiattolo. Si tratta di un design elementare ma estremamente brillante. Il design del rotore a gabbia è tipico dei motori a induzione a gabbia di scoiattolo. È un design robusto, il che significa che è resistente e dura a lungo. Il nome di base aiuta davvero a capire a cosa assomiglia questo componente del motore a induzione. Il rotore gira e la struttura della gabbia è essenziale per il funzionamento del campo magnetico dello statore.

Come è fatto esattamente il nucleo del rotore di un motore a induzione a gabbia di scoiattolo?

Il nucleo di un'induzione a gabbia di scoiattolo rotore del motore non è solo un elemento solido di metallo. Queste fette sono chiamate laminazioni. Pensate a un mazzo di carte; il nucleo del rotore è così, ma con lamine di acciaio. Queste lamine di acciaio sono impilate insieme per formare la forma cilindrica del nucleo del rotore. C'è un'ottima ragione per questo stile di laminazione. L'uso delle laminazioni aiuta a ridurre le perdite di energia nel motore a induzione. Queste perdite sono in genere il risultato delle cosiddette correnti parassite. Una corrente parassita è una corrente indesiderata che può fluire nel metallo. Utilizzando laminazioni sottili e isolate, queste correnti parassite si mantengono minime. Questo rende il motore a gabbia di scoiattolo più efficiente. Anche il nucleo del rotore è dotato di aperture. In queste fessure del rotore vengono inserite le barre del rotore. L'intera struttura del rotore è stata studiata a fondo.

Cosa sono le barre del rotore e gli anelli terminali in un rotore a gabbia di scoiattolo?

Al momento, parliamo del componente "gabbia" del rotore a gabbia di scoiattolo. Le barre del rotore sono barre conduttrici molto importanti. Vengono inserite nelle fessure del nucleo del rotore di cui abbiamo appena parlato. Queste barre del rotore sono spesso realizzate in alluminio o talvolta in rame. L'alluminio è molto diffuso perché è leggero e produce bene l'energia elettrica. Per i motori più grandi, si possono usare barre di rame perché il rame è un conduttore ancora migliore. A ciascuna estremità del nucleo del rotore, le barre del rotore sono collegate tra loro. Sono collegate da quelli che chiamiamo anelli terminali o anelli di cortocircuito. Immaginate le barre come i componenti rettilinei della gabbia e gli anelli terminali come gli elementi circolari che le tengono insieme. Gli anelli terminali creano un percorso elettrico chiuso per il passaggio della corrente attraverso le barre del rotore. In questo modo si conclude la struttura della "gabbia". Le barre del rotore e gli anelli terminali insieme creano l'avvolgimento del rotore, nonostante il suo aspetto sia molto diverso dall'avvolgimento a spirale che si vede in uno statore. Questo è un componente chiave del funzionamento del motore a induzione a gabbia di scoiattolo.

In che modo le barre del rotore ottengono la corrente in un motore a induzione?

È qui che entra in gioco la parte "induzione" di un motore a induzione. Le barre del rotore di un motore a gabbia di scoiattolo non sono direttamente collegate a una fonte di energia esterna con fili, come l'avvolgimento dello statore. La corrente nel rotore viene invece "generata". Ciò significa che è prodotta da un campo magnetico che si altera. Lo statore del motore a induzione ha un proprio avvolgimento. Quando l'alimentazione CA viene fornita all'avvolgimento dello statore, questo sviluppa un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico rotante proveniente dallo statore attraversa le barre del rotore. Poiché le barre del rotore sono conduttrici, questo cambiamento di area genera una tensione al loro interno. Poiché le barre del rotore sono cortocircuitate dagli anelli terminali, questa tensione fa scorrere una corrente attraverso le barre e gli anelli. La corrente indotta nelle barre del rotore crea un campo magnetico proprio. I due campi elettromagnetici (dello statore e del rotore) interagiscono e fanno ruotare il rotore! Il circuito del rotore è completato dagli anelli terminali. La velocità del rotore sarà sempre un po' inferiore alla velocità del campo magnetico rotante; questa distinzione è chiamata scorrimento. Questo slittamento è necessario per indurre la corrente.

I rotori a gabbia di scoiattolo sono tutti uguali? Che dire di una doppia gabbia di scoiattolo?

Ma ne esistono diversi tipi. Uno dei più comuni è il rotore a gabbia singola di cui abbiamo parlato. Tuttavia, per alcuni lavori speciali, gli ingegneri hanno creato qualcosa chiamato rotore a doppia gabbia di scoiattolo. Questo tipo di rotore presenta due serie di "gabbie" o avvolgimenti del rotore sullo stesso nucleo del rotore. Perché due gabbie? Perché un rotore a doppia gabbia di scoiattolo può dare al motore a induzione una migliore coppia di avviamento. La coppia di avviamento è la pressione di torsione che il motore esercita al primo avvio. Una gabbia, di solito quella esterna, è realizzata con un materiale a più alta resistenza. Ciò favorisce una buona coppia di avviamento e limita la corrente di avviamento. La gabbia interna ha una resistenza più bassa, che favorisce un funzionamento efficiente a velocità regolare con un basso scorrimento. Quindi, uno stile a doppia gabbia di scoiattolo cerca di ottenere il massimo da entrambi i globi. Si tratta di un metodo intelligente per trasformare il comportamento di un motore a gabbia di scoiattolo in base alle diverse esigenze. Questa classificazione del rotore consente di progettare motori a induzione ancora più specifici.

Perché il rotore è inclinato in alcuni motori a gabbia di scoiattolo?

Spesso, osservando un rotore a gabbia di scoiattolo, si può notare che le barre del rotore (e le relative scanalature) non sono perfettamente parallele all'albero del motore. Al contrario, sono leggermente inclinate, o "skewed". Ciò è dovuto a un paio di fattori eccellenti. Uno dei motivi principali dell'inclinazione è che il motore a induzione funziona in modo ancora più fluido e silenzioso. Se le barre del rotore sono dritte, possono associare i denti dello statore contemporaneamente alla rotazione del rotore. Questo può causare un movimento a scatti e un rumore ancora maggiore. L'inclinazione delle barre del rotore implica che esse entrino nel campo elettromagnetico dello statore in modo più graduale. Ciò contribuisce a ridurre il rumore e le vibrazioni. Un altro vantaggio dell'obliquità è che può impedire al motore di rimanere "bloccato" a determinate velocità (un fenomeno spesso chiamato cogging), in particolare durante l'avviamento del motore. Inoltre, contribuisce a offrire una coppia molto più uniforme. Quindi, una leggera obliquità nella costruzione del rotore fa una grande differenza nelle prestazioni del motore a induzione.

In cosa si differenzia un rotore a gabbia di scoiattolo da un rotore avvolto o da un rotore di motore sincrono?

Il rotore a gabbia di scoiattolo è molto comune, ma non è l'unico tipo di rotore per un motore a induzione. Esiste anche qualcosa chiamato "rotore avvolto". Un rotore avvolto si differenzia per il fatto che, al posto delle barre solide del rotore, ha avvolgimenti veri e propri, proprio come l'avvolgimento dello statore. Questi avvolgimenti sono poi collegati ad anelli di scorrimento sull'albero. Le spazzole si trovano su questi anelli di scorrimento, consentendo di collegare resistenze esterne al circuito del rotore. In questo modo si ottiene un controllo ancora maggiore sulla velocità e sulla coppia di avviamento del motore. Quindi, un motore a induzione a rotore avvolto offre un maggiore controllo della velocità, ma è molto più complesso e costoso di un motore a induzione a gabbia di scoiattolo. Poi c'è il motore sincrono. Anche il rotore di un motore sincrono è molto diverso. Di solito ha poli magnetici definiti, realizzati con magneti permanenti o fornendo corrente continua a un avvolgimento del rotore (ancora una volta, comunemente con anelli di scorrimento). L'aspetto fondamentale di un motore sincrono è che il suo rotore ruota esattamente alla stessa velocità del campo elettromagnetico rotante dello statore: funziona a velocità continua senza slittamento in condizioni di carico tipiche. Il rotore di un motore a induzione a gabbia di scoiattolo presenta sempre uno scorrimento. Anche un generatore può utilizzare un design simile a quello dei rotori dei motori, ma la sua funzione è quella di creare energia elettrica. Il rotore a gabbia di scoiattolo è più semplice e più robusto di questi altri tipi di rotore.

Il rotore è l'unica parte segreta di un motore a induzione? (Uno sguardo allo statore).

Sebbene ci siamo concentrati molto sul fantastico rotore a gabbia di scoiattolo, è necessario tenere presente che un motore a induzione ha un'altra parte integrante: lo statore. Il rotore è la parte che gira, sì, ma lo statore è la parte fissa che circonda il rotore. Il rotore si trova all'interno dello statore. Anche lo statore è costituito da laminazioni per ridurre le perdite di corrente parassita. Ha un proprio insieme di avvolgimenti realizzati con cavi isolati, normalmente in rame. Quando si collega una corrente alternata trifase (o una sola fase per i motori più piccoli) all'avvolgimento dello statore, si produce il campo elettromagnetico di rotazione. Questo campo è ciò che "genera" l'esistente nel rotore a gabbia di scoiattolo e lo fa trasformare. Quindi, statore e rotore collaborano come una squadra. Lo statore produce l'area magica e il rotore risponde ad essa. Entrambi sono necessari per il funzionamento del motore a induzione. La struttura del motore contiene sia lo statore che il gruppo rotore (che include l'albero). L'interazione tra il campo magnetico dello statore e la corrente provocata nei conduttori del rotore è il cuore del funzionamento di un motore a induzione.

Cosa rende il motore a induzione a gabbia di scoiattolo così popolare e affidabile?

L'aspetto principale è la struttura semplice e robusta del rotore. Il rotore a gabbia di scoiattolo non ha spazzole (a differenza di alcuni motori elettrici a corrente continua o a rotore avvolto), non ha anelli di scorrimento (a meno che non si tratti di un rotore avvolto specializzato che a volte si contrappone, ma il vero motore a induzione a gabbia di scoiattolo non li ha) e non ha contatti elettrici mobili sul rotore stesso. Questo lo rende davvero affidabile e implica una manutenzione estremamente ridotta. Poiché la costruzione del rotore è semplice e si avvale di barre e anelli terminali in alluminio o rame robusto, è anche più economica. Questi motori a induzione a gabbia di scoiattolo a fase (in particolare i tipi a induzione a gabbia di scoiattolo a 3 fasi) sono efficienti, possono funzionare a una velocità quasi continua in presenza di carichi diversi (anche se c'è sempre un certo slittamento) e hanno una buona coppia di avviamento per numerosi lavori, soprattutto se utilizzano design come la doppia gabbia di scoiattolo. Possono essere prodotti in una serie sostanziale di dimensioni, da quelle più piccole a quelle più grandi. Questo mix di convenienza, elevata affidabilità e buona efficienza è il motivo per cui il motore a gabbia di scoiattolo è un cavallo di battaglia nelle industrie di tutto il mondo. Lo stile del rotore è una parte importante di questo successo. Questo tipo di motore a induzione può essere installato in molti modi. L'assenza di problemi di isolamento per l'avvolgimento del rotore (in quanto si tratta solo di barre) semplifica le cose. Molti motori elettrici possono essere sviluppati anche per l'avviamento a tensione ridotta.