Esercizio: se non disponete di un testo di macchine elettriche provate a leggere e a comprendere le frasi che seguono, se vi saranno chiare significa che siete pronti per affrontare lo studio a qualsiasi livello della materia. Se qualcosa vi sfugge tornate indietro e rileggete il glossario.

Inizio esercizio: La macchina elettrica a corrente continua si ottiene disponendo su uno statore a poli sporgenti un avvolgimento di eccitazione concentrato, avvolto intorno ai poli e alimentato in corrente continua, e su un rotore isotropo un avvolgimento di indotto distribuito a collettore, generalmente a tamburo , i cui conduttori sono collocati in cave di tipo aperto ricavate sulla periferia esterna del rotore. Tali conduttori sono collegati alle lamelle del collettore, solidale con il rotore, su cui strisciano in posizione fissa una o più coppie di spazzole o di file di spazzole che collegano l’avvolgimento di indotto con un circuito esterno.

Tutto chiaro?  Se si, provate a rispondere a queste domande:

1.       Quanti fili fuoriescono da questa macchina, se non chiaramente specificato?

2.       Chi è a ruotare? L’indotto o l’induttore? E come si chiama?

3.       I poli di indotto sono salienti concentrati o lisci e distribuiti? Ha senso la domanda?

Fine esercizio.

Come vediamo nel disegno, la parte bassa, rotore, si sposta verso destra, il che corrisponde ad una rotazione in senso orario. I vettori uscenti dai poli sono quelli dell’induzione B, quindi risultano perpendicolari al moto. Le linee tracciate dai conduttori dell’avvolgimento di indotto (rotorico) risultano perpendicolari ad entrambi. Anche se le grandezze fisiche in gioco non sono proprio le stesse assomiglia fortemente alla legge della mano destra di cui c’è una chiara spiegazione più avanti. Nell’algebra dei vettori esistono due tipi di prodotto:

·         Prodotto vettoriale: indicato con X che si esegue facendo il prodotto dei moduli dei vettori interessati e la moltiplicazione del risultato per il seno (tasto sin della calcolatrice) dell’angolo che questi formano tra loro. È facile provare che il senno di un angolo di 90 gradi vale 1, quindi il prodotto vettoriale del vettore induzione (verticale, uscente dal polo rispetto alla superficie del rotore) con il vettore velocità che è perpendicolare ad esso, per il seno di 90 gradi che è appunto 1, vale semplicemente “bv”. Il prodotto vettoriale è però caratterizzato dal fatto che il risultato è a sua volta un vettore la cui direzione si trova chiudendo l’angolo compreso facendo mentalmente ruotare il primo vettore verso il secondo e applicando quindi la regola del “cavatappi”. Ne risulta in questo caso un vettore parallelo alle cave di rotore. Detto questo, è abbastanza banale dimostrare che il prodotto vettoriale non è invertibile   difatti il vettore risultante pur avendo lo stesso modulo sarebbe puntato dalla parte opposta.

·         Prodotto scalare: indicato con il pallino °, si calcola sempre considerando i moduli dei due vettori interessati ma moltiplicando poi il risultato per il coseno (tasto cos della calcolatrice) dell’angolo compreso tra i due vettori. Non ha senso parlare di direzione del risultato perché questo non è un vettore ma appunto uno scalare, ovvero un numero con la sua eventuale unità di misura. Detto questo, e considerando i risultati del punto precedente in cui affermavo che “bv” sono paralleli al vettore L che è adagiato in parallelo sulle cave rotoriche, dato che ha significato di lunghezza del tratto di conduttore in cava sull’indotto, si verifica la seguente relazione:

ε=( v X b)°L =vbL

Tale relazione è la forza elettro motrice indotta (f.e.m.) su un singolo conduttore di rotore della macchina elettrica convenzionata come dinamo. Ovvero una tensione. Tale tensione sommata aglie effetti degli altri conduttori perviene alle lamelle dove poi sarà prelevata dal collettore tramite le spazzole.

Così abbiamo chiarito, tramite un’analisi interna dei “campi” (vedi glossario) il funzionamento di questa utile e molto diffusa macchina elettrica in D.C.

Per completezza posso accennare al fatto che la velocità radiale periferica del rotore (in qualche maniera imposta esternamente all’asse del rotore tramite un motore primo quale la ruota della bicicletta, una turbina, un motore a scoppio, una pala a vento, ecc) è pari a:

v=Ω(D/2)

dove ho indicato con D il diametro esterno dell’avvolgimento a tamburo sul rotore, mentre  Ω è la pulsazione angolare che sta in relazione con i giri eseguiti al minuto dall’asse secondo la formula:

Ω = 2πn/60

Con n che indica il numero di giri al minuto del rotore.

Ritengo inopportuno approfondire ulteriormente l’argomento dinamo perché la materia è davvero molto vasta, complessa e “difficile da memorizzare”, percui chi fosse interessato può andare a prelevare i miei appunti manoscritti nel sito “gtronic”. Tanto per dare una traccia dovreste guardare, il funzionamento a carico della dinamo, la commutazione, la reazione di indotto.

Funzionamento da motore.

Come già detto non vi è differenza strutturale tra la macchina usata come generatore (dinamo) e come motore. Ricordo solo, a titolo puramente accademico che la dinamo è il convertitore di energia da meccanica ad elettrica mentre il motore, viceversa, converte l’energia elettrica in meccanica.

I sistemi di eccitazione rimangono gli stessi dell’uso come dinamo, magari con qualche ottimizazione:

·         Eccitazione serie

·         Eccitazione derivata

·         Eccitazione a magnete permanente.

Per quanto riguarda i primi due metodi, possono essere implementati in “autoeccitazione” quando le bobine in serie o in parallelo all’indotto usate per l’eccitazione sono appunto attraversate dalla medesima corrente (serie) o dalla corrente derivata (parallelo) della medesima alimentazione. Oppure indipendente quando pure mantenendo la stessa forma e posizione, le bobine di eccitazione sono alimentate da una fonte esterna.

Ovviamente nella versione a magnete permanente ci penserà una calamita statorica a creare il campo B di induzione. 

La macchina D.C. trova più impiego come motore che come generatore data l’ampia possibilità di regolazione e nel contempo la possibilità di miniaturizzazione che la porta ad essere impiega in asservimenti di ogni genere specie di tipo domestico, ludico e auto motive. Ciò non esclude un’ampia possibilità di utilizzo in ambito industriale anche se spesso si ricorre ai motori asincroni trifase (M.A.T.) per la grande potenza che possono facilmente convertire.

Vediamo lo schema di principio del funzionamento di un motore DC con indotto a spazzole e collettore ed eccitazione a magnete permanente.

Osserviamo la figura: Lo statore è formato da un magnete permanente le cui linee di induzione come di consueto escono dal polo N (nord). Supponiamo che inizialmente l’unica spira che rappresenta l’indotto si trovi su un piano perpendicolare a tali linee di campo. Il contorno della spira, supposta quadrata di lato a identifichi quindi la superficie Σ=a² . Ne viene identificato il flusso concatenato Φ=BΣ. Se questo flusso è costante non c’è f.e.m. alle spazzole e quindi la spira va in corto circuito, ma come stiamo per vedere subito la spira si mette in moto variando la superficie che mostra frontalmente all’induttore. Se ne origina una variazione di flusso concatenato che genera una f.e.m. indotta di tipo controelettromotrice (vedi legge di Lenz in appendice). Che grazie al suo segno negativo si oppone quasi in toto alla tensione che alimenta la spira. Non può opporsi totalmente per due motivi:

1.       Le perdite energetiche non sono nulle e sono immancabili.

2.       Se si opponesse completamente la f.e.m. di alimentazione meno la f.e.m. di reazione darebbe zero, quindi non ci sarebbe corrente nella spira e il fenomeno si estingue.

Verificato che se il motore si avvia (il rotore non è bloccato) la spira non va in corto possiamo continuare con la nostra analisi.

Supponiamo che come indicato nella figura l’alimentazione alle spazzole abbia il positivo nel lato di sinistra e il negativo su quello di destra. Ripeschiamo dal dimenticatoio alcuni basilari concetti di fisica.

Legge della mano destra:

mettiamo tutti la manona come in figura….   La webcam è scadente non sono così bruttino…. Hahahhaha

Analizziamo il significato delle tre ditone…che come vediamo vanno tenute tutte perpendicolari tra loro.

Il lavoro dell’indice è quello di indicare….. quindi indica il verso della corrente, il medio..e tutti i miei allievi di solito ridono, non serve per i gestacci ma per indicare il campo B…..   come promemoria si pensi che “indica il lato B” hahahah   non lo dimenticherete più.

Il pollicione invece è la risultante, ovvero la forza che poi darà origine alla coppia.

Ora mi taglio la mano e vi faccio vedere meglio:

Bene, prendiamo in esame il disegno del principio di funzionamento qualche riga più in su. Analizziamo il lato sinistro della spira, tenendo ben rigido il sistema F-I-B nelle dita appoggiamo l’indice sulla corrente del foglio (quella che sale) e contemporaneamente il medio nel verso del campo. La posizione magari è un po scomoda ma se stampate o fate un disegno più grande su un foglio di carta vi sarà più agevole. Vi assicuro che è un investimento che vale la pena. Comunque vi accorgerete che in automatico il pollice indica il verso della forza nella direzione dove si trova la calamita.

Ripetete il ragionamento sul lato destro e vi accorgerete che F andrà dalla porte opposta.

E’ evidente che si è creata una coppia di forze che per definizione da origine a un momento angolare Ω che è all’origine della coppia. Ovvero la spira entra in rotazione.  

Vi lascio come esercizio la prova di invertire, sulla carta il generatore di tensione che alimenta l’indotto.

Che cosa avete notato che succede?

…..   esatto, J in un motore D.C. spazzole collettore con eccitazione a magnete permanente invertendo la tensione all’indotto si inverte il verso di rotazione.

Nota bene: la questione non è scontata in ogni motore D.C., prendiamo infatti come esempio il campo magnetico sviluppato da un solenoide (vedi glossario) rettilineo. Il campo di induzione che si sviluppa coassialmente ha il verso che dipende dalla polarità di alimentazione dell’avvolgimento. Se ne deduce che se sostituisco il magnete permanente con questa bobina se cambio polarità cambio senso di marcia? NO ! sbagliatissimo, infatti si inverte il campo B ma anche la coppia di forze nella spira di conseguenza:

in un motore DC, spazzole collettore con eccitazione derivata anche invertendo la polarità ai morsetti di alimentazione la marcia del motore va nella stessa direzione che dipende dal verso fisico di avvolgimento delle bobine in fase di costruzione.

Ancora diversa è la situazione se si considera un motore che pur avendo l’induttore “avvolto” riceve la corrente di eccitazione da una fonte indipendente rispetto ai terminali di collettore (indotto).      

Costruiamo la prima interfaccia di controllo:

Da quanto esposto si è dedotto che per invertire la marcia di un mot. DC a collettore ed eccitazione a magnete permanente è sufficiente invertire la tensione alle spazzole. Come fare se abbiamo a disposizione una fonte unipolare (leggasi continua). Data la forte analogia con un argomento già postato in uno dei miei precedenti articoli, per le prossime righe ripesco alcune foto e spiegazioni dato che ben si integrano e se le dovessi rifare verrebbero uguali. Diversa sarà invece la realizzazione pratica della scheda di inversione che è prodotta nella fabbrica cinese che mi ha già fornito la MicroGT-PIC e disegnata con Eagle.   Sono anche ben cosciente delle osservazioni postomi in merito alla configurazione circuitale che comunque continuo a realizzare così dato che è ben testata e funzionante. Ottima soprattutto per l’apprendimento dei concetti di base come si confà ad un tutorial. Mi verrà contestato che in caso di “errato comando” i darlighton si bruciano, e la mia risposta rimane la stessa, cioè evitiamo di dare comandi erronei (anche perché sono errori molto di base), e testiamo i software senza collegare l’alimentazione di potenza (come verrebbe spontaneo a qualunque tecnico delle automazioni). I due led, rosso e verde, presenti nell’interfaccia hanno anche lo scopo di segnalare la presenza di comandi incompatibili, ovvero marcia avanti assieme a marcia indietro che comportano la rottura del ponte. Se qualcuno ne capisce di programmazione di PLC e microcontrollori avrà già intuito che questo comando non può arrivare in presenza di un interblocco software all’interno del programma. Con questo non voglio dire che non esistano configurazioni più complesse e più sicure. Ricordiamoci comunque che nei casi in cui non sia necessaria la regolazione della velocità (tecnica PWM) molti eseguono ancora il ponte usando semplicemente i contatti puliti dei relè. Un ultimo appunto in merito, quando un microcontrollore ha un problema..del tipo si rompe, le sue uscite si forzano basse e non alte…sarebbe molto grave se non fosse così.