In questo blog si è analizzato il brevetto US3394276A, scritto e pubblicato da Giovanni Cafici che tratta di un tipo particolare di motore asincrono trifase (MAT), avente gli avvolgimenti di rotore cortocircuitati (es: rotore a gabbia).
Essendo di recente pubblicazione (1965) si è visto come i nuovi materiali introdotti nel periodo che va dalla seconda alla terza rivoluzione industriale abbiano ricoperto un ruolo chiave nello sviluppo di questa invenzione.
Si è inoltre osservato come il motore asincrono trifase abbia rappresentato una vera e propria rivoluzione, nel modo di vivere e di produrre, nella società dai primi del '900 fino ai giorni d'oggi.
Tanti miglioramenti e investimenti sono stati fatti nel corso degli anni, fino a rendere questo tipo di macchina la più utilizzata in ambito domestico e industriale, e numerosi ancora si avranno in futuro, grazie al crescente impiego di questo tipo di motori nel settore automobilistico (stop vendita auto diesel 2020) e dei trasporti.
Pubblicità raffigurante una ricarica di un Auto Elettrica
Non è stato invece possibile reperire informazioni inerenti all'autore del brevetto, Giovanni Cafici, in quanto non si tratta di una e vera e propria invenzione, ma piuttosto di un miglioramento di una tecnologia già esistente.
Dell'inventore, Giuseppe Cafici, non sono reperibili informazioni sulla sua vita.
Possiamo però ipotizzare che si tratti di uno dei tanti italiani emigrati in America in cerca di fortuna.
Inoltre, essendo un brevetto minore (in quanto si tratta di una modifica ad un motore già esistente, inventato da Galileo Ferraris) non è stato assegnato a nessuna impresa.
A come Asincrono
B come Boom Economico
C come Campo Magnetico
D come Dimensioni ridotte
E come Elettromagnetismo
F come Forza Elettromotrice
G come Guerra Fredda
H come High Efficiency
I come Industriale
L come Lean Production
M come Motore
N come Nuovi Materiali
O come Operatrice
P come Popolare
Q come Quadripolo
R come Rotante
S come Sviluppo
T come Terza Rivoluzione Industrale
U come Universale
V come Versatile
Z come Zero-Emissioni
Nonostante l'impiego dei motori asincroni trifase sia relativamente recente (1965/70), sono stati attuati numerosi accorgimenti per migliorarne l'efficienza, ridurre le perdite, aumentare le prestazioni e renderlo, quindi, il motore elettrico più utilizzato in ambito industriale, civile e nei trasporti (automobilistico e ferroviario).
Efficienza energetica
Il consumo di energia dei motori elettrici nel settore industriale è circa il 74% di quello totale:
Non a caso, quindi, l’adozione dei motori ad alta efficienza è una delle misure esplicitamente
suggerite sia dai decreti del luglio 2004, sia dalla finanziaria 2007 per ottenere una detrazione di
imposta. I motori sono tra le macchine elettriche più
affidabili, in quanto fanno il loro lavoro per molti anni con manutenzione assai ridotta e si adattano
a prestazioni diverse a seconda delle esigenze richieste. Nonostante ciò, non ci si preoccupa in
genere di quanto consumano, ma solo del prezzo d’acquisto; però se si considera che il costo di un
motore nella propria vita è mediamente dovuto per il 98,4% , al consumo di energia elettrica e solo
per l’1,6% alle spese per acquisto e manutenzione:
in altri termini, che il costo di un motore è paragonabile a quanto il motore stesso consuma in tre
mesi di lavoro, si può ben vedere come sia conveniente prendere in considerazione apparecchi ad
alta efficienza. Alta Efficienza significa convertire la potenza elettrica in potenza meccanica con
minor perdite possibili, e un motore elettrico ad alta efficienza è un motore studiato appositamente e
che richiede materiali pregiati, quindi costa più di un motore standard, ma il costo maggiore si
ripaga nel tempo, grazie al minor consumo di energia elettrica, sempre che il motore venga
utilizzato secondo le caratteristiche nominali indicate nella targhetta. Inoltre richiedere un motore
“ad alta efficienza’’ significa aderire alla filosofia dello sviluppo sostenibile, del basso impatto
ambientale e della riduzione delle emissioni di gas a effetto serra.
Motori ad Alta Efficienza
Motore ad alta efficienza di classe IE3
I motori ad alta efficienza sono motori elettrici che, grazie a specifici accorgimenti costruttivi, a
parità di potenza offrono rendimenti superiori e più costanti, al variare del carico, rispetto a quelli di
motori elettrici standard e quindi sono motori che hanno minori perdite rispetto a quelli tradizionali.
Tali accorgimenti comportano inoltre un minor sviluppo di calore nel motore e rendono pertanto
possibile l’impiego di ventole di raffreddamento più piccole e quindi con minori perdite meccaniche
e consumi elettrici inferiori. Si sono così ottenuti motori che a parità di potenza hanno un
rendimento migliore di quello standard ed una curva del rendimento sempre vicina quello ottimale.
Alta efficienza non vuol dire solo risparmiare nei costi operativi e guadagnare in competitività, vuol dire anche:
Maggiore durata del motore;
Maggiore affidabilità;
Minore manutenzione.
Una riduzione nella temperatura dei cuscinetti, raddoppia le ore di intervallo per l’ingrassaggio. Un effetto positivo si può notare quindi sul ciclo di vita del motore stesso.
L'idea del motore asincrono trifase trova origine nei brevetti di epoca precedente riguardanti l'utilizzo di corrente elettrica per produrre moto e far compiere operazione ai macchinari.
Di grande ispirazione per Giuseppe Cafici furono i seguenti brevetti:
Schema semplificato di una Dinamo Elettrica
Dinamo Elettrica (US2367079A - 1945/01/09): Una dinamo è una macchina che trasforma lavoro meccanico, ricevuto da una fonte di energia meccanica o da un motore a corrente alternata, in energia elettrica sotto forma di corrente continua. Nella sua forma più semplice, consiste di una spira conduttrice (rotore) immersa in un campo magnetico (generato ad esempio da una coppia di magneti permanenti, i quali formano lo statore) e messa in rotazione da un albero.
Bronzine autolubrificanti
Cuscinetti Radenti (US2427947A - 1947/09/23): Le bronzine o cuscinetti a strisciamento o cuscinetti radenti sono costituiti da due differenti parti, dove la prima viene alloggiata nel corpo del supporto e l'altra infilata sul perno del corpo da supportare. La caratteristica importante è che questi due componenti della bronzina siano in grado di resistere all'usura e che soprattutto permettano un ridotto attrito sulle superfici striscianti, in modo da potere avere una vita più lunga possibile. Il nome deriva dal fatto che queste, soprattutto in passato, erano costruite prevalentemente con uno strato di bronzo che forniva un attrito radente minore rispetto ad altri materiali, risultando perfetto per tale scopo.
Schema costruttivo di un Ventilatore elettrico tratto dal suo brevetto
Ventilatore Elettrico (US2829287A - 1958/04/01): Il ventilatore è un dispositivo provvisto di pale rotanti azionate da un motore, che ha lo scopo di spostare correnti gassose. Nel caso di ventilatori di piccole dimensioni, si parla generalmente di ventola, mentre si utilizza il termine soffiante per indicare i ventilatori di grosse dimensioni inseriti all'interno di un circuito. Se oltre ad essere spostato il fluido viene anche compresso, non si parla più di "ventilatore", bensì di compressore.
Miglioramento delle pale del ventilatore (US2926838A - 1958/10/07): le pale vengono studiate specificatamente e subiscono delle variazioni, rispetto al brevetto precedente, in modo da poter occupare meno spazio e poter spostare un maggior volume di aria/liquido.
In questo video, pubblicato da EnelVideo, viene riassunto in maniera sintetica, ma al tempo stesso esauriente, l'impatto dell'energia elettrica nella vita delle persone.
L'avvento del Motore Asincrono, a causa degli innumerevoli campi di applicazione, ha portato ad un profondo cambiamento nella società.
Traliccio per il trasposto di Corrente elettrica in alta ten
Il primo grande cambiamento è rappresentato da una rivoluzione dell'elettrificazione: si passa da un elettrificazione in Corrente Continua (DC) a una in Corrente Alternata (AC).
(Per maggiori chiarimenti in merito alle differenze e ai vantaggi/svantaggi dei due tipi di elettrificazione sopra elencati si faccia riferimento a: https://luce-gas.it/faq/corrente-alternata-continua)
Questo porta ad un aumento delle dimensioni, in termini di lunghezza, delle linee di trasporto dell'energia elettrica (si riescono a ridurre le perdite lungo la linea grazie all'aumento della tensione e riduzione della corrente) con conseguente dislocamento dei complessi industriali e produttivi nel territorio: le fabbriche, le industrie, i grandi centri di produzione non devono più essere vicini ad un complesso di generazione dell'energia elettrica per poter essere alimentati.
Questo tipo di motore ha trovato subito innumerevoli campi di utilizzo. I più importanti sono:
Compressore, Pompa e Gru
Trazione elettrica: il Motore Asincrono va a sostituire il motore in Corrente Continua: Alta Velocità
Il 19° secolo è stato dominato dagli avanzamenti in settori cruciali come la siderurgia, mentre il 20° secolo è stato caratterizzato dagli sviluppi sorprendenti e rapidissimi dei semiconduttori, che hanno portato alla nascita del transistore e dei moderni computer, e alla società dell’informazione come oggi la conosciamo. Il secolo scorso ha visto anche l'avvento delle materie plastiche, che hanno radicalmente mutato lo stile di vita degli esseri umani. È chiaro quindi che la scoperta e l’introduzione nell'uso quotidiano di nuovi materiali segna profondamente l’evoluzione delle società industriali.
SUPERCONDUTTORI
La superconduttività è un fenomeno fisico per cui in determinate condizioni alcuni materiali non oppongono resistenza al passaggio di corrente elettrica.
La conseguenza è che i magneti superconduttoripossono produrre campi magnetici molto grandi, con applicazioni di laboratorio per apparati quali la risonanza magnetica, rilevatori di debolissimi campi magnetici come quelli del cervello umano, o treni a levitazione magnetica.
MATERIALI MAGNETICI La rivoluzione nelle tecnologie delle comunicazioni è stata resa possibile, oltre che dal transistore e dai semiconduttori, dagli straordinari sviluppi dei supporti magnetici.
MATERIALI FERROMAGNETICI
I materiali ferromagnetici, attraversati da corrente producono un campo magnetico molto intenso. Inoltre si verifica un fenomeno chiamato saturazione magnetica per cui il campo magnetico non aumenta più una volta che ha raggiunto un certo valore caratteristico per ogni materiale. Inoltre, una volta raggiunta la saturazione, quando la corrente viene spenta il campo magnetico non si annulla del tutto. Il blocco di materiale ferromagnetico rimane in uno stato di magnetizzazione residua che lo trasforma in un magnete permanente.
MATERIE PLASTICHE
Gli anni ’30 e la seconda guerra mondiale segnano il passaggio della plastica all'età adulta, soprattutto per quanto concerne la creazione di una vera e propria industria moderna: il petrolio diviene la “materia prima” da cui partire per la produzione e, al contempo, migliorano e si adattano alle produzioni massive le tecniche di lavorazione, a cominciare da quelle di stampaggio.
La guerra stimola l’esigenza di trovare sostituti a prodotti naturali non reperibili, per cui vengono sviluppati i poliuretani in sostituzione della gomma.
Dopo la guerra, le scoperte dettate da esigenze “militari” invadono il mondo civile.
Gli anni ’50 vedono la scoperta delle resine Formiche, che permettono di produrre laminati per l’arredamento e di stampare stoviglie a basso prezzo, mentre le “fibre sintetiche” (poliestere, nylon) vivono il loro primo boom, alternativa “moderna” e pratica a quelle naturali.
Quegli stessi anni sono però soprattutto segnati dall'irresistibile ascesa del Polietilene, che trova pieno successo solo due decenni dopo la sua invenzione, sfruttando il suo più elevato punto di fusione per permettere applicazioni sino ad allora impensabili.
Il Polipropilene sarà prodotto industrialmente dal 1957 col marchio “Moplen”, rivoluzionando le case di tutto il mondo ma entrando soprattutto nella mitologia italiana del “boom economico”.
Con l'espressione terza rivoluzione industriale si indicano tutta quella serie di processi di trasformazione della struttura produttiva, e più in generale del tessuto socio-economico, avvenuti nei paesi sviluppati occidentali del primo mondo nella seconda metà del Novecento a partire dal secondo dopoguerra.
Suddivisione del mondo in base al livello di sviluppo
Anche nella produzione di beni materiali sono avvenuti significativi mutamenti. I progressi più rilevanti si registrano in settori di punta ad alto contenuto di know how(elettronica, informatica, robotica, aerospaziale, farmaceutica e bioingegneria, nuovi materiali ecc.), che non a caso sono diventati uno dei terreni d'elezione delle multinazionali.
Vantaggi della Lean Production rispetto al metodo tradizionale
Cambiamenti sono intervenuti anche nel modo di produrre. Proprio nell'industria automobilistica, che per prima l'aveva sperimentata, la catena di montaggio cede il passo alla lean production, la produzione leggera, nota anche come toyotismo.
Ideato dall'ingegnere Taichi Ohno, il nuovo sistema funziona attraverso isole di produzione, composte da tecnici e operai, che concorrono tra loro nella migliore realizzazione integrale del prodotto loro assegnato, dall'esecuzione materiale ai controlli e alle revisioni finali, sulla base degli ordinativi che la fabbrica riceve dalle filiali.
La terza rivoluzione industriale porta con sé anche la nascita e il parziale sviluppo delle tecnologie relative a fonti energetiche alternative e rinnovabili come soluzioni al problema energetico globale quali l'energia idroelettrica, l'energia solare, l'energia eolica, molte delle quali non hanno però ancora raggiunto la diffusione e/o la capacità di sostituire i combustibili fossili.
I 5 tipi di energia rinnovabile
Un fattore di sviluppo legato alla terza rivoluzione industriale è, inoltre, il costante sviluppo dei trasporti terrestri, aerei e marittimi favorito dallo sviluppo tecnologico nei rispettivi settori industriali (industria automobilistica, industria aeronautica con nascita e sviluppo dell'aviazione civile, industria navale) nonché dalla realizzazione di sistemi stradali sempre più evoluti e capillari. Questa complessa rete di trasporti favorisce sempre più il commercio internazionale alimentando il fenomeno della globalizzazione.
La Germania e l'Italia erano state sconfitte, l'Inghilterra e la Francia erano fortemente indebolite e la Spagna e il Portogallo erano ancora sono un governo dittatoriale.
Conferenza di Yalta
Churchill, Roosevelt e Stalin a Jalta
La conferenza di Yalta fu un vertice tenutosi nel febbraio 1945 nel quale i capi politici dei tre principali paesi Alleati presero alcune decisioni importanti sul proseguimento del conflitto, sull'assetto futuro della Polonia, e sull'istituzione dell'Organizzazione delle Nazioni Unite.
Nella relazione finale venne inserito l'impegno a garantire che tutti i popoli potessero scegliere i propri governanti, impegno palesemente disatteso nei decenni successivi.
Bilancio Economico
Gravi ripercussioni in campo finanziario: durante la guerra erano stati richiesti un gran numero di prestiti pubblici e le banche centrali dei vari stati avevano prodotto un gran numero di carta moneta: violenta inflazione.
Bilancio Politico
Il destino dell'Europa è nelle mani delle due grandi potenze continentali che si sono affermate nel dopoguerra:
Usa: escono dal conflitto rafforzati. Si affermano come grande potenza industriale, finanziaria e tecnologica.
URSS: esce dal conflitto indebolita, ma il prestigio di Stalin e della potenza sovietica risultano estremamente rafforzati: l'Armata Rossa rappresenta il solo grande esercito presente nel Vecchio Continente.
Le rivalità tra questi due paesi sfoceranno poi nella Guerra fredda.
SITUAZIONE ITALIANA
L’Italia del dopoguerra presenta una situazione materiale critica e risulta fortemente divisa fra centro-nord(la componente fascista è ancora molto forte) e sud (il ruolo dei gruppi dominanti conservatori, già compromessi con il fascismo, è predominante) → la collocazione internazionale dell’Italia è negativa: gli alleati rifiutano le sue richieste di aiuti economici.
Dal punto di vista politico, l'Italia è interessata da un periodo di forte cambiamento che porterà alla nascita di innumerevoli partiti di Sinistra.
IL SESSANTOTTO
Manifestazioni pacifiche studentesche
Il distacco tra società civile e società politica fu alla radice delle laceranti tensioni che percorsero il paese tra il ’68 (Autunno caldo) e la fine degli anni ’70 → le agitazioni studentesche.
Si tratta di una radicale contestazione generazionale e politica
Si susseguirono scioperi improvvisi, picchettaggi di massa fuori dalle fabbriche, manifestazioni e cortei sul luogo di lavoro→ 1970: il Sindacato ottiene lo Statuto dei Lavoratori.
1972: si forma la federazione unitaria tra CGIL, CISL e UIL
E' questo anche un periodo ricco di avvenimenti terroristici che sconvolgono il Paese.
I maggiori protagonisti di queste stragi sono le Brigate Rosse.
BOOM ECONOMICO
Il boom economico arriva in Borsa tra il 1959 e il 1960. Speculatori d’Europa e d’America scoprono che i titoli italiani costano poco e rendono molto. Un’ondata di euforia attraversa il paese, da poco entrato nel Mercato Comune Europeo, negli anni compresi tra il 1955 e il 1963. La ricchezza si concentra nel cosiddetto “triangolo industriale”, Milano, Torino e Genova.
Tuttavia permangono non pochi elementi di criticità: l’Italia in realtà è ancora lontana dai livelli di benessere degli altri paesi sviluppati. Inoltre, proprio la rapidità con cui si verificarono i cambiamenti socio-economici, che fecero gridare al “miracolo economico” e che trasformarono radicalmente lo stile di vita degli italiani, fece sì che il paese non riuscisse a risolvere quei problemi strutturali che si portava dietro da prima della guerra, tra cui la sperequazione tra nord e sud.
Campo magnetico rotante - rotating magnetic field: disponendo due bobine perpendicolarmente tra loro e facendole percorrere da due correnti fortemente sfasate, si genera, nello spazio compreso tra esse, un campo magnetico rotante
Campo Magnetico Rotante
Statore - stator: la parte fissa della macchina, spesso esterna
Spaccato di Statore e Rotore
Rotore - rotor: la parte mobile e solidale con l'albero del motore, solitamente interna
Accoppiamento Statore - Rotore
f.e.m. indotta - electromagnetic field tensor: è uguale all'opposto della variazione del flusso magnetico (ΦB) che lo attraversa in una unità di tempo
flusso magnetico - magnetic flux: è il flusso che viene prodotto dal campo magnetico attraverso una superficie
scorrimento relativo - relative scroll: la differenza di velocità tra il campo rotante e il rotore riferita alla velocità di sincronismo
velocità di scorrimento - scrolling speed: la velocità relativa del campo magnetico rotante rispetto al rotore
cava di statore - stator quarry: scanalature interne al pacco di lamierini statorici che accolgono i conduttori (filo di rame smaltato) dell'avvolgimento trifase statorico
traferro - air gap: un'interruzione dell'anello di materiale ferromagnetico, sufficientemente piccola da non determinare una dispersione eccessiva del flusso magnetico
laminazione di statore e rotore - lamination: Sia lo statore che il rotore sono laminati in senso normale all’asse della macchina
per ridurre le perdite per correnti parassite, essendo la macchine sede di un flusso
magnetico variabile
Il motore asincrono sfrutta il campo magnetico rotante, scoperto da Galileo Ferraris (1885), prodotto da un avvolgimento polifase (spesso trifase) ancorato ad una struttura magnetica fissa, detta statore.
Il campo magnetico rotante induce un sistema di forze elettro motrici (f.e.m.) e correnti in un avvolgimento polifase ancorato ad una struttura magnetica mobile, detto rotore.
L'interazione tra il campo magnetico rotante ed il sistema di correnti di rotore indotte produce la coppia motrice.
La coppia motrice tende a sincronizzare il rotore con il campo magnetico rotante che ruota con la velocità di sincronismo.
Per generare coppia, quindi, la velocità del rotore deve essere diversa dalla velocità di sincronismo: da qui il nome di macchina asincrona.
In questo video è possibile capire in maniera più dettagliata il funzionamento del motore asincrono trifase (Induction Motor).
Brevetto di Giuseppe Cafici (US3394276A)
Il motore asincrono proposto da Giuseppe Cafici presenta delle dimensioni ridotte, a parità di potenza, rispetto ai motori Asincroni tradizionali.
Questo è reso possibile da un induttore con avvolgimento toroidale e da un rotore composto da un corto circuito.
Il principale vantaggio di questa invenzione sta nelle dimensioni del motore; essendo più piccolo di quelli tradizionali, può essere impiegato ove l'ingombro dei vecchi motori ne impediva l'utilizzo.
