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MACCHINE A CORRENTE CONTINUA

 

 

 

 

 

La dinamo. Le macchine a corrente continua sono delle macchine rotanti che trasformano energia meccanica in energia elettrica e viceversa. Esse sono formate da una parte fissa, l’induttore  e da una parte rotante, l’indotto o armatura. L’induttore è di forma cilindrica costituito da una carcassa detta giogo che può essere di acciaio o ghisa ed ha una funzione magnetica e meccanica e dai poli che sono formati a loro volta, da un nucleo di acciaio dove vengono posti gli avvolgimenti. L’estremità del polo è detta “espansione polare”ed ha una superficie più grande rispetto a quella del nucleo. L’espansione polare è costituita da un pacco di lamierini  hanno il compito di diminuire le perdite per correnti parassite, che in genere, sono prodotte da variazioni di flusso create dalle cave presenti nell’indotto. Quest’ultimo è di forma cilindrica, formato da un pacco di lamierini ferromagnetici che sulla parte esterna presenta delle scanalature che servono a contenere i lati attivi degli avvolgimenti.

Tra indotto e induttore c’è un piccolo spazio di aria, il tra ferro, con uno spessore piccolissimo.

 

Il circuito elettrico dell’induttore deve generare il flusso magnetico dello statore. Gli avvolgimenti di forma solenoide, sono realizzati sui nuclei polari e sono collegati fra di loro in serie così da produrre una successione, in modo alternato, da nord a sud. Le piccole macchine, in genere sono formate da due poli, ma questi possono variare di numero da 2 a 10 a seconda della potenza della macchina.

 

Il circuito elettrico dell’indotto è formato da un certo numero di conduttori disposti all’interno di scanalature dette cave, presenti lungo le generatrici della superficie cilindrica del rotore e collegati fra di loro in modo tale che la risultante delle f.e.m. sia nulla, ma che la f.e.m. presente nel collettore sia massima. Gli avvolgimenti sono a serie o ondulate e parallelo o embricato.

Per prelevare dalla dinamo la f.e.m. prodotta si deve usare il collettore. Esso è formato da lamelle di rame isolate fra loro e dal resto della macchina. Ciascuna di esse è collegata in modo ordinato e cioè alla fine di una sezione e all’inizio di una sezione successiva. Il collettore è di forma cilindrica, è sostenuto dall’albero rotore col quale risulta coassiale.

Il contatto esterno col circuito avviene tra queste lamelle e delle spazzole disposte su un piano dove il f.e.m. è massimo ed è anche detto piano neutro. Nelle spazzole la f.e.m. presenta una leggera ondulazione, che è dovuta al fatto, che nell’intervallo di tempo, in cui una lamella resta collegata con la spazzola la f.e.m. varia da un valore minimo che corrisponde all’inizio del contatto della spazzola con la lamella, e un valore massimo  che corrisponde al contatto della spazzola col centro della lamella, da qui fino alla separazione della lamella della spazzola la f.e.m. diminuisce per raggiungere lo stesso valore minimo. Per ottenere un’ondulazione della spazzole minime è necessario aumentare il numero delle lamelle.

 

F.E.M. indotte. L’indotto se viene disposto in rotazione ad una velocità n, i conduttori che si trovano nelle cave, spezzano le linee di flusso del campo induttore divenendo sede di f.e.m. indotte. I lati attivi posto sotto l’influenza dello stesso polo presentano f.e.m. dello stesso verso. La f.e.m. risulta uguale a zero, all’interno dell’avvolgimento, se la macchina è simmetrica, se le spazzole sono disposte perpendicolarmente rispetto all’asse dei poli le fem indotte situate a metà dell’avvolgimento sono uguali e alimentano in parallelo il circuito esterno. In simboli si ha.

 

 E = ( N/2 )* e                 dove    e = B/v  = ( B/2τ )* n/60

 

Poiché Bit = Ø sostituendo si avrà:      

 

e = 2Ø* n/60

 

Quindi si può scrivere:

 

E = NØ n/60

 

N/2 = numero di conduttori attivi di mezzo avvolgimento.

B = induzione media sotto un polo.

E = fem media indotta in un conduttore attivo.

I = lunghezza del conduttore attivo in una cave.

τ = distanza tra gli assi di due poli adiacenti o passo polare.

Ø = flusso uscente dal polo.

n = numero di giri del rotore.

 

Se la macchina possiede più di due poli la fem risulta ρ volte più grande. In simboli si ha:

 

e = Btv = B/ ( 2τρ)n/60 = 2pnØ/60

 

Quindi per avvolgimento parallelo;

 

NØ 2ρ/2a60

 

Dove 2° = numero delle vie interne o rami d’indotto che è uguale a .

Nelle macchine con avvolgimento in serie il numero delle vie interne è sempre uguale a 2 quindi si ottiene:

 

E = N Ø n ρ/60

 

Numero di spazzole e vie interne.  Qualunque sia il numero di poli, se l’avvolgimento è ondulato basta una sola coppia di spazzole, poiché per il circuito esterno l’avvolgimento opera sempre con due rami in parallelo.

Per l’avvolgimento embricato sono necessarie tante coppie di spazzole quante sono le copie polari e la corrente che circola per via interna è uguale a quella del circuito esterno divisa per il numero dei poli,spazzole con ugual nome vengono collegate fra loro formando i due poli d’uscita della macchina.

 

Funzionamento a vuoto della dinamo.  Le dinamo funzionano a vuoto quando  un motore non genera corrente. La dinamo , comunque, dal motore assorbe una potenza P dovuta alle perdite a vuoto e presenta ai morsetti la tensione V della fem a vuoto. La tensione V è uguale alla fem di un ramo d’indotto allora in simboli si ha:

 

E = V = Ne/2a=2ρnΦ/2a60

 

Dove    e= 2ρnΦ/60

 

Per macchine con due poli o più di due con avvolgimento parallelo dato che;

 

2ρ = 2a

allora;

 

E = V = nNΦ/60

 

Se l’avvolgimento è in serie allora si avrà;

E = V = ρnNΦ/60

 

Reazione d’armatura della dinamo. Al flusso induttore si somma un flusso di reazione, causato dalle correnti circolanti nell’avvolgimento indotto, quando la dinamo funziona sotto carco. Il flusso di reazione rinforza il flusso induttore nei corni polari d’uscita ma li indebolisce nei corni di entrata causando un effetto torcente sul flusso della macchina.

Il campo risulterà mutato di un angolo α rispetto ai poli induttori e così anche il piano neutro.

Per effetto della saturazione del materiale, nei corni di uscita, il flusso non può aumentare oltre un certo limite, quindi il flusso sarà minore rispetto al flusso che si ha nel funzionamento a vuoto e il fem in uscita risulterà minore per la diminuzione del flusso e per lo spostamento del piano neutro.

L’elevato valore del campo nei corni d’uscita può indurre nei conduttori che lo tagliano, una Fem elevata che può causare una scarica fra le lamelle del collettore corrispondente. L’aumento dell’induzione nei corni d’uscita, provoca inoltre, una perdita del ferro.

Per ottenere una commutazione ottimale bisogna spostare le spazzole sul piano neutro effettivo. Questo spostamento, tuttavia, crea un campo antagonista dovuto ai conduttori d’indotto compresi nell’angolo 2a, i conduttori nell’angolo antagonista 2β creano un campo traverso.

La dinamo sotto carica crea una Fem data da:

 

E = E – V

 

Dove,

 

E = Fem a cvuoto

V = caduta di tensione per effetto di reazione.

 

La presenza dei poli indotti genera una coppia di reazione con i poli induttori che si oppone  al moto del rotore. Per far ruotare l’indotto si deve applicare una coppia motrice uguale e contraria alla coppia di reazione.

Siccome la potenza generata P è uguale alla potenza fornita allora in simboli si scrive:

 

P = 2πnC/60

 

El  = 2πnC/60

 

C = 60El/ 2πn

 

E = n N Φ/60

 

Sostituendo nNΦ/60, si ottiene:

 

C = NΦl/ 2π = K Φ l

 

Quindi la coppia elettromagnetica di reazione di una dinamo sotto carico è proporzionale al flusso utile e alla corrente di carico della macchina.