Cosa sono le macchine elettriche?

Le macchine elettriche sono un sistema di componenti interconnessi che convertono l'energia elettrica in energia meccanica o viceversa, o trasformano l'energia elettrica in un altro tipo di energia elettrica. Sono utilizzate in molti sistemi elettronici di oggi, dagli elettrodomestici, ad esempio le lavatrici, agli impianti medici e alla robotica. Sono responsabili di una grande parte dell'elettricità generata e trasmessa attraverso linee elettriche e altre infrastrutture energetiche. Di recente, si è registrato un crescente interesse per le macchine elettriche impiegate nei veicoli elettrici.

Esistono due categorie di macchine elettriche che vengono definite in base al fatto che parte della macchina sia in movimento o meno. Il primo tipo è costituito da macchine elettriche statiche, con due componenti statici e senza alcuna parte in movimento. Un esempio perfetto di questo tipo di macchna elettrica è un trasformatore. Il secondo tipo è costituito da macchine elettriche rotanti o lineari, come generatori e motori, sempre dotate di una parte in movimento che funziona sia in rotazione che in traslazione. Queste macchine elettriche sono dotate di una parte in movimento (rotore o motore) e di una parte statica (statore).

In quanto sistemi di energia bidirezionali, le macchine elettriche possono teoricamente convertire l'energia in entrambe le direzioni, indipendentemente dal fatto che siano motori o generatori, con un output che può essere energia meccanica o elettrica.

I trasformatori rientrano in genere nella categoria delle macchine elettriche statiche, poiché la maggior parte non prevede componenti mobili e non richiede movimento per trasformare l'energia. Al contrario, i generatori e i motori sono macchine elettriche dinamiche che possiedono parti rotanti e utilizzano il movimento per convertire l'energia elettrica in energia meccanica e viceversa. Le macchine elettromeccaniche rotanti generalmente operano attraverso l'interazione tra campi elettromagnetici rotanti, generati da un'alimentazione di tensione o tramite induzione elettromagnetica. Questi campi magnetici rotanti producono inoltre una coppia sul lato meccanico e inducono tensione e corrente sul lato elettrico.

Alcuni dei vantaggi di questa tecnologia sono:

• I motori elettrici sono molto più efficienti di altri sistemi di conversione dell'energia, come i motori a combustione interna (ICE, Internal Combustion Engines), con efficienza superiore al 90-95% per i veicoli elettrici rispetto al 20-30% per i veicoli con motori a combustione interna.
• Le macchine elettriche dei veicoli elettrici presentano meno parti in movimento rispetto ai veicoli ICE, il che contribuisce a prolungare i cicli di vita previsti.
• Le macchine elettriche sono tecnologie a emissioni zero.
• Sono in grado di convertire energia in entrambi i sensi, operando sia in modalità motrice che in modalità generatrice.

Alcuni degli svantaggi generali delle macchine elettriche sono:

• Le macchine elettriche possono essere limitate dalla loro alimentazione, ad esempio i veicoli elettrici sono limitati dalla capacità di stoccaggio e dalla capacità di carica delle batterie. Ciò è in contrasto con la benzina, che ha una densità di energia molto più elevata, quindi i veicoli ICE possono permettersi di perdere il 70% di efficienza ed essere comunque commercialmente efficienti.
• Il campo elettromagnetico generato dalle macchine elettriche può avere un impatto sugli esseri viventi dopo un'esposizione prolungata.
• I campi elettromagnetici dei dispositivi elettrici vicini tra loro possono perturbarsi a vicenda, poiché interagiscono se sono a una frequenza simile. Questa condizione è nota come interferenza elettromagnetica (EMI, Electromagnetic Interference).
• È possibile che si verifichi un cortocircuito delle macchine elettriche, che può provocare incendi.

Nelle macchine elettriche in movimento, i campi elettromagnetici dello statore e del rotore interagiscono. Queste interazioni possono assumere la forma di diverse configurazioni:

• Il campo del rotore è autoeccitato (magneti permanenti)
• Il campo del rotore richiede un'alimentazione elettrica separata (motori sincroni a campo avvolto)
• Il campo del rotore viene creato tramite induzione dal campo dello statore (motori a induzione)

Qualsiasi macchina elettrica in movimento può funzionare come generatore o motore. Quando operano come generatori, le macchine elettriche convertono l'energia meccanica in energia elettrica e vengono utilizzate nelle applicazioni per la generazione di energia elettrica. Una delle principali aree di utilizzo è la generazione di energia rinnovabile, come nel caso di turbine eoliche ed energia idroelettrica.

In genere, l'energia viene generata attraverso il movimento rotatorio. Sebbene sia possibile utilizzare un movimento lineare, il dispositivo sarebbe limitato dalle sue dimensioni. Il movimento rotatorio consente alla parte in movimento di muoversi all'infinito senza raggiungere un limite pratico.

Per far muovere i generatori è necessario un ingresso di energia meccanica. Alcuni esempi comuni includono un albero motore, forze eoliche o idriche nelle tecnologie di energia rinnovabile e il vapore generato dalla combustione di carburanti e reattori nucleari. Queste forze azionano l'apparato primario della macchina per il movimento (ad esempio una ventola o una turbina) all'interno del generatore che lo fa muovere, convertendo l'energia di rotazione in una tensione e una corrente elettrica.

I generatori sono disponibili in diverse forme, tra cui i generatori a combustione interna, i generatori a turbina a gas, i generatori a turbina a vapore e i generatori a celle a combustibile. I generatori CA (sincroni o a induzione/asincroni) convertono l'energia meccanica in corrente e tensione alternata. Invece i generatori CC trasformano l'energia meccanica in corrente e tensione continua. Nei generatori sincroni, la tensione è fissa alla velocità di rotazione del generatore, mentre i generatori a induzione (asincroni) non richiedono una velocità del rotore fissa per corrispondere alla frequenza della rete.

Le macchine elettriche convertono l'energia elettrica in movimento meccanico quando operano come motori. I motori sono composti da un albero, cuscinetti che fungono da supporto e un alloggiamento che racchiude tutti i componenti.

La coppia prodotta da un motore proviene dall'interazione elettromagnetica dei campi statore e rotore. Gli avvolgimenti dello statore creano il campo magnetico rotante, mentre il campo del rotore viene creato dalla rotazione permanente del magnete, dal campo elettromagnetico indotto negli avvolgimenti del rotore o dalla rotazione degli elettromagneti. La coppia è proporzionale alla forza fisica generata dal motore, che viene utilizzata per generare la velocità nel sistema a cui è collegato (ad esempio un veicolo). Gli inverter vengono quindi utilizzati per il controllo della velocità nel motore verificando la frequenza dell'alimentazione del motore per garantirne il funzionamento continuo.

Molteplici sono i settori e le applicazioni che utilizzano i motori, tra cui:

• Macchinari industriali
• Veicoli
• Elettrodomestici
• Pompe
• Ventole
• Robotica
• Attrezzature per il fitness
• Droni
• Utensili elettrici

I trasformatori sono un tipo di macchina elettrica. Invece di trasformare l'energia meccanica in energia elettrica o viceversa, convertono l'energia elettrica da un livello di tensione all'altro con una piccola perdita. Non è prevista alcuna conversione meccanica dell'energia durante il funzionamento del trasformatore, ma i trasformatori sono elementi essenziali dell'infrastruttura di rete che consentono il trasporto dell'elettricità su lunghe distanze tramite linee di trasmissione ad alta tensione e quindi sono adatti per elettrodomestici in reti di distribuzione a bassa tensione.

Esistono due tipi di trasformatori: Il trasformatore elevatore e il trasformatore riduttore. Entrambi i dispositivi sono in grado di trasformare la tensione dell'energia elettrica in una tensione diversa.

I trasformatori elevatori convertono l'elettricità a bassa tensione in elettricità a tensione elevata pronta per le linee di trasmissione. Il circuito secondario in un trasformatore elevatore è avvolto più volte intorno al magnete rispetto al circuito primario, aumentando la tensione.

I trasformatori riduttori riducono la tensione per elettrodomestici e aziende. Il circuito secondario in un trasformatore riduttore è avvolto meno volte intorno al magnete rispetto al circuito primario, riducendo la tensione.

I trasformatori sono fondamentali perché l'elettricità ad alta tensione può essere trasportata in modo molto più efficiente su lunghe distanze, ma sono troppo pericolosi per l'elettronica di uso quotidiano. L'elettricità deve avere una tensione d'uso inferiore e i trasformatori forniscono un mezzo per modificare facilmente la tensione dell'elettricità in punti specifici della rete elettrica.

La simulazione viene utilizzata per migliorare l'efficienza e le prestazioni delle macchine elettriche utilizzate in tutti i settori. Gli ingegneri utilizzano simulazioni nella progettazione di macchine elettriche per simulare le prestazioni delle parti in movimento e delle parti statiche di una macchina elettrica e ottenere informazioni sulle prestazioni termiche, elettromagnetiche e meccaniche al fine di garantire un design efficiente.

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