Cosa sono le «correnti parassite» e perché sono importanti per i motori?

I motori elettrici e i trasformatori sono dispositivi industriali molto comuni. I trasformatori si trovano all’esterno e all’interno dell’alimentazione elettrica principale di un impianto e spesso vengono installati nei quadri elettrici per ridurre ulteriormente la tensione. I motori, naturalmente, si trovano anche in quasi tutte le macchine elettriche per il movimento.

Entrambi questi dispositivi hanno un elemento in comune: funzionano secondo il principio dell’induzione elettromagnetica. La corrente che attraversa una bobina di filo magnetizza un nucleo di ferro e, nel trasformatore, induce una corrente nella bobina secondaria. Nel caso di un motore, questo campo magnetico forza la rotazione della parte centrale del dispositivo, il rotore.

In teoria è un’ottima soluzione, perché la conduzione elettrica della bobina è completamente isolata dal nucleo di ferro, quindi non ci aspettiamo di trovare corrente nel ferro stesso. Tuttavia, facendo questa supposizione, dimentichiamo il concetto di «correnti parassite».

 

Figura 1. Il rotore di un motore. Questo rotore, sebbene fuori servizio e arrugginito da molto tempo, è realizzato in ferro per reagire alla magnetizzazione delle bobine del motore.

 

Che cos’è una corrente parassita?

Questi nuclei solidi in ferro, chiamati anche nuclei «ferromagnetici» perché il ferro è indicato con Fe nella tavola periodica, immagazzinano energia quando vengono magnetizzati da una corrente alternata. Quando l’onda alternata collassa e si inverte, l’energia viene rilasciata in due forme. In un motore, l’energia viene convertita nel movimento del rotore. In un trasformatore, l’energia diventa la corrente nel circuito della bobina secondaria.

Tuttavia, se il nucleo ha la possibilità di rilasciare l’energia immagazzinata in un altro elemento metallico conduttivo situato nelle vicinanze, cercherà sicuramente di farlo.

Questa corrente che circola negli elementi ferromagnetici vicini è chiamata corrente parassita e compare all’interno del nucleo di ferro stesso. Il rilascio del campo magnetico tende a indurre una corrente in un piccolo circuito interno al ferro, che è un metallo conduttivo. Le correnti parassite possono comparire anche in masse metalliche vicine al trasformatore o al motore, motivo per cui la messa a terra è così importante, anche in assenza di un guasto al cablaggio.

 

Perché le correnti parassite sono così dannose?

Quando si completa un piccolo circuito all’interno del nucleo di ferro stesso, si verificano diversi effetti negativi.

Minore efficienza

Il primo problema è che viene semplicemente consumata più energia. L’efficienza dell’intero sistema elettrico diminuisce; aumentano sia il consumo energetico sia le dimensioni dei componenti necessarie per gestire la potenza d’ingresso aggiuntiva richiesta per alimentare sia il carico sia la corrente parassita nel nucleo. Una parte del campo magnetico alimenta il carico, ma un’altra viene ora deviata verso la corrente parassita, quindi è necessaria una sorgente di corrente d’ingresso più grande.

 

Figura 2. Il nucleo di un trasformatore in cui la corrente può circolare con una resistenza molto bassa, ma comunque sufficiente a generare calore e sprecare energia.

 

Surriscaldamento

Forse ancora più importante è l’aumento della temperatura, che ha un effetto cumulativo e può risultare catastrofico per il dispositivo. Se si induce un circuito di corrente parassita, la corrente attraversa la resistenza del ferro. La resistenza del ferro è relativamente bassa, ma è comunque oltre 7 volte superiore a quella del rame. Ciò significa che la corrente totale in un circuito parassita sarà piuttosto elevata, ma la resistenza farà sì che la potenza dissipata venga trasformata in calore.

Poiché il dispositivo non è progettato per raffreddare il rotore (o il nucleo del trasformatore), continuerà semplicemente a riscaldarsi, assorbendo sempre più corrente attraverso la bobina per mantenere il carico in funzione, fino a quando non scatterà un interruttore automatico o un fusibile oppure l’isolamento della bobina inizierà a surriscaldarsi e fondersi.

 

Lamierini: prevenire le correnti parassite

La soluzione alle correnti parassite è piuttosto semplice, anche se più difficile da realizzare.

Il ferro ferromagnetico del nucleo viene innanzitutto tagliato in numerose lamelle sottili. Queste lamelle vengono poi riassemblate con un rivestimento di vernice o materiale cartaceo che crea una barriera isolante tra ciascuna di esse. L’isolamento impedisce il completamento di un circuito elettrico, ma la quantità totale di ferro nel nucleo rimane la stessa di prima, quindi conserva la stessa capacità di immagazzinare energia magnetica.

 

Figura 3. Questo trasformatore ha un nucleo di ferro laminato per bloccare il flusso delle correnti parassite.

 

In ciascuna lamella possono comunque essere indotti circuiti parassiti molto piccoli, ma lo spessore di ogni strato determina quanta energia andrà persa a causa delle correnti parassite. Infatti, la perdita dovuta alle correnti parassite è proporzionale al quadrato dello spessore dello strato; ciò significa che, se lo strato viene ridotto di un fattore 2, le perdite si riducono di un fattore 4. Quanto sottile è troppo sottile? Il costo di produzione rappresenta il limite, quindi la maggior parte degli strati di un moderno nucleo in ferro ha uno spessore compreso tra 0,25 e 0,5 mm.

 

Orientamento dei lamierini e regola della mano destra

In fisica, molte forze naturali seguono una «regola della mano destra», che altro non è che un modo pratico per illustrare come due forze correlate, come corrente e magnetismo, tendano a influenzarsi reciprocamente in natura.

Per capire perché questo sia importante nel nucleo di un motore o di un trasformatore, osserviamo l’immagine seguente.

 

Figura 4. La «regola della mano destra» viene applicata a questo trasformatore.

 

Innanzitutto, la corrente proveniente dalla bobina primaria magnetizza il nucleo di ferro, ovvero la grande struttura laminata che circonda il trasformatore. L’energia immagazzinata nel nucleo è rappresentata dalle mie dita arricciate. Di conseguenza, questa energia magnetica cercherà di forzare una corrente a scorrere nella direzione indicata dal pollice della mano destra, da cui deriva il nome «regola della mano destra».

Come si può vedere, le lamelle sono perpendicolari alla direzione del pollice. Ciò significa che lo strato isolante impedirà il passaggio della corrente quando il campo magnetico (e la direzione del mio pollice) cambia rapidamente verso.

 

Ridurre al minimo le perdite di energia

Spesso consideriamo l’efficienza un obiettivo di sostenibilità, ma in realtà è molto più di questo. Una progettazione accurata di componenti come i nuclei dei motori e i trasformatori può ridurre le perdite di energia sotto forma di calore. Sebbene ciò sia ottimo per le iniziative di sostenibilità, comporta anche costi operativi inferiori, una maggiore durata delle apparecchiature e un’enorme riduzione dei costi dovuti ai tempi di fermo: un grande vantaggio per l’intera organizzazione.