Dinamo: il principio di funzionamento del generatore DC, le caratteristiche del dispositivo, il ruolo dell'armatura e del collettore

Le dinamo sono simili ai dispositivi a corrente alternata in quanto convertono l'energia meccanica l'elettrico richiede gli stessi componenti: lo statore (parte fissa) e l'armatura del generatore (rotante elemento). Gli stessi elementi strutturali sono applicabili anche alla realizzazione di un motore in corrente continua. Pertanto, a causa della loro completa reversibilità senza modifiche, tali generatori sono chiamati macchine DC.

Storia ed evoluzione

Le dinamo furono le prime macchine elettriche in grado di produrre energia per l'industria, e le fondamenta su cui sono stati progettati molti altri dispositivi rotanti per la conversione di energia meccanica ed elettrica, tra cui motore elettrico. La teoria del funzionamento dei generatori elettromagnetici è stata creata da Michael Faraday nel 1832.

Ha anche costruito il primo dispositivo noto come disco di Faraday. Questo dispositivo creava una bassa tensione continua, per la cui produzione veniva utilizzata la rotazione di un disco di rame tra i poli di un magnete a ferro di cavallo. Il generatore unipolare creato da Faraday a scopo dimostrativo era del tutto inadatto all'uso pratico,

poiché presentava due gravi inconvenienti:

1. La corrente indotta direttamente nella zona di azione del magnete si è autochiusa nelle restanti parti del disco, in collegamento con il quale l'elettricità generata svolgeva principalmente il lavoro di riscaldamento del rame rotante tele.
2. La tensione generata dal dispositivo era estremamente bassa a causa dell'unicità del conduttore che attraversa il flusso magnetico.

Questi problemi potrebbero essere risolti aumentando il numero di magneti perimetrali e utilizzando bobine con avvolgimenti al posto del disco. Uno schema simile divenne caratteristico di tutti i successivi progetti di macchine a dinamo. Dall'ulteriore storia dello sviluppo dei generatori si possono distinguere le seguenti date:

• 1832 gr. - Il produttore di strumenti francese Pixie ha costruito la prima dinamo basata sui principi di Faraday;
• 1860 gr. - il professore di fisica italiano Pacinotti creò un generatore di tipo quasi moderno;
• 1866-1867 - Indipendentemente l'uno dall'altro, Whitson, Siemens e Varley hanno ottenuto brevetti per dinamo autoeccitate;
• 1871 gr. - Il Gramm belga, su progetto di Pacinotti, ha creato il primo generatore commerciale per l'industria.

La macchina elettrica più semplice

Secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, un cambiamento nel flusso magnetico su una spira di un filo produrrà una forza magnetica che fa muovere gli elettroni nel conduttore. Questo crea una corrente elettrica nella bobina. Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica, serve come base per la progettazione di macchine elettriche. Brevemente i principi del generatore DC sono i seguenti:

1. La forza magnetica applicata agli elettroni crea una forza elettromotrice, che mette in movimento gli elettroni nel circuito.
2. La forza e la direzione di questo EMF sono determinate dalla forza e dalla direzione del campo magnetico, nonché dalla velocità della parte mobile, che può essere sia un conduttore che un magnete.

In sostanza, tutti i generatori elettrici funzionano secondo lo stesso principio, indipendentemente dal fatto che producano corrente alternata o continua. Negli avvolgimenti dell'indotto delle macchine a dinamo, infatti, viene indotta una corrente alternata, che viene convertita in corrente continua con l'ausilio di un collettore e di un gruppo spazzole.

È conveniente considerare il funzionamento di questa classe di dispositivi usando l'esempio di un semplice generatore, inoltre dotato di un interruttore per la rettifica della corrente. Un buon modello illustrativo per comprendere i processi che avvengono in una dinamo può essere una bobina rotante di un conduttore rettangolare posta tra due poli opposti di un magnete.

Con una rivoluzione completa di un tale telaio, verrà indotta una corrente elettrica che circola attraverso il circuito. La sua direzione può essere determinata usando la regola della mano destra di Fleming, che dice che se posizioni la mano in modo che il palmo è entrato nel flusso magnetico e dirige il pollice piegato nella direzione del movimento del conduttore, quindi l'indice indicherà la direzione attuale. In questo caso, per comprendere i processi nel generatore più semplice sarà conveniente distinguere quattro posizioni della spira rispetto al magnete:

• 0 ° - la bobina si muove parallelamente alla direzione della corrente magnetica, quindi non viene indotta alcuna differenza di potenziale;
• 90 ° - la differenza di potenziale è massima;
• 180 ° - la svolta è di nuovo parallela al campo magnetico;
• 270 ° - viene indotto il massimo EMF, ma nella direzione opposta;
• 360° - ritorno al punto di partenza.

La forma del segnale elettrico di uscita variabile può essere pensata come una sinusoide. Con l'aiuto del collettore, il collegamento delle spazzole con la bobina viene invertito ogni mezzo ciclo. A causa di ciò, la corrente nel circuito esterno del generatore si muove in una direzione.

Avvolgimenti di eccitazione

Il dispositivo generatore DC ha il potenziale per essere utilizzato solo in piccole macchine elettriche. Innanzitutto perché per i dispositivi a bassa potenza è consentito l'uso di magneti permanenti. In altri casi, solo i solenoidi - bobine con un nucleo - o gli avvolgimenti di eccitazione possono creare un flusso magnetico di forza sufficiente. Dal tipo di cibo che mangiano i generatori possono essere suddivisi nelle seguenti classi:

• con eccitazione indipendente;
• autoeccitato.

Per la prima operazione è necessaria una sorgente di corrente ausiliaria. Questo è il principale svantaggio di questo tipo di macchine, quindi il loro utilizzo è limitato. Nei generatori con eccitazione indipendente, gli avvolgimenti sono alimentati dall'armatura. Macchine elettriche disposte secondo questo schema, si dividono a loro volta in tre tipologie:

• shunt (con eccitazione parallela);
• seriale (con seriale);
• generatori composti (con bobine di eccitazione in parallelo e in serie).

Dinamo moderne

Una delle caratteristiche dei generatori di collettori è la loro limitazione di tensione. Ciò è dovuto alla necessità di evitare scintille tra le spazzole e il collettore. Pertanto, in alcune macchine, la conversione della corrente alternata in corrente continua viene effettuata utilizzando dispositivi elettronici, ad esempio raddrizzatori a diodi.

A differenza del design più semplice, i generatori moderni utilizzano armature a tamburo, che, di regola, sono costituite da un numero elevato di spire poste nelle asole longitudinali del nucleo e collegate ai corrispondenti segmenti del multiplo interruttore.

Il collettore multisegmento utilizzato con il tamburo dell'indotto collega sempre il circuito esterno solo alle spire di filo che attraversano la zona di massima intensità del campo magnetico. Come risultato di questo lavoro, la corrente generata negli avvolgimenti dell'indotto è quasi costante. Questi generatori sono solitamente dotati di quattro o più poli elettromagnetici per aumentare le dimensioni e l'intensità del campo magnetico.

Le grandi dinamo hanno trovato la loro applicazione nel mondo moderno come componenti di turbine eoliche o idroturbine, come di una macchina reversibile nel trasporto elettrico e in quei settori dell'industria dove il loro utilizzo è tecnologicamente senza alternative. Il loro design relativamente complesso, nonché l'idoneità della corrente alternata per il trasporto, hanno portato al fatto che che i generatori DC sono stati soppiantati dall'invenzione da più economici asincroni dispositivi.