AVVOLGIMENTI CHIUSI SU COLLETTORE A LAMELLE Si tratta di avvolgimenti che essendo chiusi su collettore a lamelle modificano la natura dell’energia elettrica in gioco: a. c in d. c. o viceversa per le macchine a corrente continua; cambiamento di frequenza per le macchine a commutazione a corrente alternata. Sono avvolgimenti per i quali non è possibile identificare un inizio ed una fine, in analogia agli avvolgimenti aperti, poiché sono caratterizzati da una serie di connessioni con le diverse lamelle del collettore. Si possono avere anche avvolgimenti chiusi su tre anelli, in questo caso si ottiene un sistema a corrente alternata, trifase, con connessione a triangolo.

Nel caso più semplice di un avvolgimento chiuso costituito da due rami (vie interne) in parallelo, vale a dire per una macchina a due poli, o per una macchina con più di una coppia polare con avvolgimento serie (ondulato) la f.e.m. risultante, se e = Blv è la f.e.m. indotta in un conduttore, N/2 sono i conduttori in serie per ciascun ramo e n i giri al minuto, si ha una f.e.m. risultante pari a:

Questa f.e.m. corrisponde alla risultante vettoriale già determinata nel caso di un avvolgimento monofase con collegamento diametrale. Naturalmente a causa dell’effetto non lineare del collettore a lamelle anziché una tensione in a.c. si ottiene una corrente continua con una ondulazione che dipende dal numero di lamelle del collettore

f. e. m. INDOTTA IN UNA MACCHINA A COMMUTAZIONE A DUE POLI + -

STRUTTURA DELLA CAVA DI UNA MACCHINA A COMMUTAZIONE In una macchina a commutazione si hanno di norma più fasci indotti (singoli conduttori o gruppi di conduttori in serie) collocati in una stessa cava. Questi fasci indotti fanno capo a lamelle del collettore diverse. Si hanno cioè, molto spesso, per motivi costruttivi, un numero di lamelle del collettore superiore (multiplo) al numero delle cave.

AVVOLGIMENTO CHIUSO CON UN CONDUTTORE PER FASCIO INDOTTO (a) O CON PIU’ CONDUTTORI IN SERIE PER FASCIO INDOTTO (b) a) b)

MORFOLOGIA DI UNA CAVA DI UNA MACCHINA A COMMUTAZIONE fascio indotto costituito da un solo conduttore costituito da 4 conduttori in serie

TIPI DI AVVOLGIMENTI CHIUSI Si possono avere i seguenti tipi di avvolgimenti chiusi: paralleli (embricati) semplici progressivi; paralleli (embricati) semplici regressivi; serie (ondulati) semplici progressivi; serie (ondulati) semplici regressivi; Si possono avere inoltre avvolgimenti derivanti dal parallelo attraverso le spazzole di più avvolgimenti semplici. In particolare è possibile tracciare anche un avvolgimento serie - parallelo che deriva dal parallelo di un avvolgimento ondulato con un avvolgimento embricato.

AVVOLGIMENTO CHIUSO PARALLELO PROGRESSIVO y1 y2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 yc y1 Passo posteriore y2 Passo anteriore y = y1 + y2 Passo risultante yc Passo al collettore ym Passo alle cave

AVVOLGIMENTO CHIUSO PARALLELO REGRESSIVO y1 y2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 yc y1 Passo posteriore y2 Passo anteriore y = y1 + y2 Passo risultante yc Passo al collettore ym Passo alle cave

FORMULE PER L’AVVOLGIMENTO PARALLELO SEMPLICE Il segno + si riferisce all’avvolgimento progressivo; Il segno - si riferisce all’avvolgimento regressivo. 2z = fasci indotti; b = numero intero qualsiasi (anche 0); y1 ed y2 numeri dispari; y numero pari. L’avvolgimento parallelo semplice ha tante vie interne quanti sono i poli.

SCHEMA DI AVVOLGIMENTO CHIUSO, A TESTE EMBRICATE, EMBRICATO SEMPLICE, PROGRESSIVO, 2p = 4, z = 24, y1 = 13, y2 = 11, y = 2, yc = 1. + - N S N S

AVVOLGIMENTO CHIUSO SERIE REGRESSIVO y1 25 26 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 yc y1 Passo posteriore y2 Passo anteriore y = y1 + y2 Passo risultante yc Passo al collettore ym Passo alle cave y y2

AVVOLGIMENTO CHIUSO SERIE PROGRESSIVO y1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 yc y1 Passo posteriore y2 Passo anteriore y = y1 + y2 Passo risultante yc Passo al collettore ym Passo alle cave y y2

FORMULE PER L’AVVOLGIMENTO SERIE SEMPLICE ; Il segno + si riferisce all’avvolgimento progressivo; Il segno - si riferisce all’avvolgimento regressivo. y1 ed y2 numeri dispari poco diversi fra loro; y numero pari. L’avvolgimento serie semplice ha sempre due vie interne.

SCHEMA DI AVVOLGIMENTO CHIUSO, A TESTE EMBRICATE, ONDULATO SEMPLICE, REGRESSIVO, 2p = 4, z = 25, y1 = 13, y2 = 11, y = 24, yc = 6. N S N S + -

CONNESSIONI EQUIPOTENZIALI Negli avvolgimenti chiusi è necessario collegare metallicamente quelle parti di avvolgimento che in linea teorica sono allo stesso potenziale. Ciò evita la presenza di correnti di circolazione fra spazzole e collettore dovute a dissimmetrie o a imprecisioni di montaggio. Tale situazione si verifica per avvolgimenti parallelo con 2p > 2 (connessioni di prima specie) e per avvolgimenti multipli sia serie che parallelo (connessioni di seconda specie). La complessità di montaggio delle connessioni equipotenziali consente un grado massimo di molteplicità 2 per avvolgimenti parallelo e di molteplicità 4 per avvolgimenti serie. L’avvolgimento serie - parallelo non richiede connessioni equipotenziali.

DIVERSI TIPI DI CONNESSIONI EQUIPOTENZIALI 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ad evolvente sulle bandiere sul collettore concentriche

PROBLEMI CARATTERISTICI DELLE MACCHINE A COMMUTAZIONE Nel seguito considereremo alcuni problemi tipici delle macchine a commutazione, tenendo conto che gran parte della trattazione fatta per la macchina sincrona è valida anche in questo caso, anche se si deve tenere conto che in questo caso l’avvolgimento indotto è di regola sul rotore. Va comunque tenuto presente che il fenomeno della commutazione limita notevolmente la potenza massima che può essere ottenuta da questo tipo di macchine. Oltre a quanto già trattato in precedenza ne seguito considereremo in particolare i problemi relativi ai contatti striscianti che concernono quindi il collettore a lamelle, le spazzole ed i portaspazzole.

POTENZA LIMITE IN FUNZIONE DEL NUMERO DEI GIRI n PER MACCHINE A COMMUTAZIONE SENZA (a) E CON AVVOLGIMENTI COMPENSATORI (b)

COLLETTORI A LAMELLE Il collegamento elettrico fra un circuito fisso ed uno rotante (o più raramente traslante) è assicurato, per la parte fissa da contatti striscianti morbidi, generalmente a base di carbonio (spazzole), e per la parte mobile da un collettore metallico, per un elemento rotante, ad anelli o, se commutatore, a lamelle. Nel seguito prenderemo in considerazione solo i commutatori a lamelle, che presentano problematiche di maggior rilievo direttamente connesse con le macchine a commutazione. Costruttivamente si possono avere collettori piani, usati in genere per piccolissime macchine, e collettori cilindrici, più comuni, che formeranno oggetto della nostra trattazione.

Il collettore è costituito fondamentalmente da lamelle a sezione trapezia in rame duro con spessore compreso fra 2 e 4 mm, fatta eccezione per le piccole macchine o per macchine a forte corrente. Le lamelle di rame sono intercalate con lastrine in materiale isolante, di solito micanite dura, di spessore per quanto possibile costante, dell’ordine di 0,7 - 1.5 mm. La mica, più dura del rame, deve essere asportata parzialmente fra una lamella e l’altra. Le lamelle possono essere a coda di rondine o di forma poligonale in modo da consentire una eventuale blindatura o un bandaggio con nastro di vetro impregnato con resina. Nel caso di lamelle a coda di rondine il collettore è solidamente fissato da due anelli di cui uno solidale con la lanterna e l’altro scorrevole, provvisto di aggiustaggi di centratura e serrato da bulloni, di solito passanti.

SMICATURA DELLE LAMELLE DI MICANITE

COLLETTORI A CODA DI RONDINE

Per macchine ad alta velocità è necessario adottare una costruzione con cerchiature di acciaio che consentono di raggiungere velocità che non sono possibili con le lamelle a coda di rondine. La soluzione con cerchiature viene adottata anche nei collettori più recenti, utilizzando un bandaggio con nastri di vetro impregnati con resine poliestere o epossidiche. La costruzione dei collettori a lamelle è molto delicata, richiede tolleranze dimensionali molto ristrette ed un accurato condizionamento termico e meccanico. Anche la finitura superficiale del collettore deve essere particolarmente curata, adottando per le operazioni di rettifica finale utensili al diamante che consentono di ottenere i livelli di rugosità atti a ridurre al massimo il consumo delle spazzole.

COLLETTORI BLINDATI CON CERCHIATURE IN ACCIAIO

COLLETTORE CON BANDAGGI IN VETRORESINA

COLLETTORE DOPPIO

COMMUTATORE SDOPPIATO IN DUE ELEMENTI

MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI Servono per costruire le spazzole ed in genere la maggior parte dei contatti striscianti che consentono il passaggio della corrente fra circuiti elettrici fissi e circuiti elettrici mobili. I parametri fondamentali che caratterizzano i materiali per contatti striscianti sono: La caduta di tensione di contatto Vc , normalmente valutata per un doppio contatto. La densità di corrente . La massima velocità periferica Vp ammissibile. Il materiale base per i contatti striscianti è il carbonio in forma amorfa o come grafite. Solo in casi particolari si adottano liquidi conduttori, come sodio, mercurio o elettroliti.

CARBONIO Il carbonio si presenta in forma cristallina (diamante e grafite) o in forma amorfa (carbone di legna, carbon fossile, coke e nerofumo). Si può ottenere la grafite per sublimazione del carbone amorfo in forno ad arco. Come conduttore il carbonio ha i seguenti principali campi di impiego: con la polvere di grafite o di nerofumo si ottengono vernici conduttrici per schermature o per produrre resistori a strato. con la grafite, il nerofumo o il coke assieme ad agglomeranti si producono contatti striscianti, resistori ad impasto ed elettrodi per la tecnologia dei metalli.

Il carbonio presenta un coefficiente di temperatura negativo, la conducibilità elettrica e termica aumentano all’aumentare della temperatura. Il nerofumo si usa come carica conduttrice per ottenere polimeri conduttori. Il nerofumo è carbone amorfo in polvere ottenuto dalla combustione incompleta di un idrocarburo gassoso. Viene usato come colorante o come carica conduttiva di polimeri o di gomme. Ne esistono molti tipi, le cui caratteristiche e la cui purezza dipendono dal processo di produzione.

SCHEMA DI MONTAGGIO DI UNA COPPIA DI CONTATTI STRISCIANTI COLLETTORE SPAZZOLE Vc

PERDITE ELETTRICHE E MECCANICHEAL COLLETTORE Ai fini della determinazione delle caratteristiche dei contatti è necessario valutare le perdite elettriche al collettore pari a: Pc = Vc I trascurando le perdite dovute a cattiva commutazione. Spesso si pone convenzionalmente Vc = 2 Volt È inoltre necessario valutare le perdite per attrito: Pm = m p A vp dove  è il coefficiente di attrito, p la pressione specifica pari a 150 - 400 g/cm2 ed A l'area complessiva di tutte le spazzole.

MATERIALI UTILIZZATI PER LA PRODUZIONE DELLE SPAZZOLE Trascurando i contatti striscianti costituiti da metalli liquidi o da elettroliti, di minore importanza, i materiali più comunemente usati sono: carbone duro. grafite naturale. elettrografite. metalgrafite. Si considerano ora i materiali elencati delineando i diversi campi di impiego.

CARBONE DURO Il materiale di base è costituito da carbone amorfo ottenuto dalla distillazione del carbon fossile. Presenta elevate cadute di tensione al contatto, sopporta modeste densità di corrente e basse velocità periferiche. Per le sue caratteristiche viene usato in piccole macchine, anche a corrente alternata. A causa della sua durezza non richiede la smicatura dei collettori e sopporta anche commutazioni piuttosto difficili.

GRAFITE NATURALE La grafite naturale opportunamente agglomerata consente di ottenere spazzole con bassa caduta di tensione di contatto, piuttosto morbide e tali da consentire elevate densità di corrente ed alte velocità periferiche al collettore. Viene impiegata per l’alimentazione degli avvolgimenti di eccitazione delle macchine sincrone, o in macchine a commutazione per le quali non vi siano problemi di commutazione.

ELETTROGRAFITE Questo materiale viene ottenuto per grafitazione del carbone amorfo in forno elettrico a circa 2.000 oC. Consente di ottenere contatti con una discretamente ampia gamma di caratteristiche. Ammette elevate densità di corrente ed alte velocità periferiche al collettore. La possibilità di ottenere un materiale con caratteristiche anche sensibilmente differenziate ne consente un impiego molto ampio, anche in macchine dove la commutazione si presenti piuttosto critica.

METALGRAFITE È ottenuta conglomerando insieme alla grafite polveri metalliche (rame o bronzo). Si ottengono modeste cadute di tensione al contatto e la possibilità di adottare elevate densità di corrente. Queste caratteristiche rendono il materiale inadatto alle macchine a commutazione, mentre la durezza relativamente elevata non ne consente l’uso per le macchine sincrone. Costituisce invece il materiale più adatto per le spazzole delle macchine asincrone con rotore avvolto.

TENSIONE DI CONTATTO (Vc, DOPPIO PASSAGGIO), DENSITÀ DI CORRENTE () E VELOCITÀ PERIFERICA (Vp) AMMISSIBILI DI MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI.

CARATTERISTICA TENSIONE DI CONTATTO DENSITÀ DI CORRENTE CARBONE DURO GRAFITE N. ELETTROG. METALG. Vc (VOLT)  (A/cm2) 4 8 12 16 20 1 2 3

PORTASPAZZOLE Il portaspazzole costituisce un altro importante elemento per ottenere una corretta commutazione. Sono normalmente utilizzati i due tipi seguenti: Portaspazzole oscillanti solidali con le spazzole, di struttura più semplice ma dotati di maggiore inerzia. Portaspazzole che consentono la mobilità delle spazzole al loro interno con il minimo di inerzia. Qualunque sia il tipo i portaspazzole devono avere le seguenti caratteristiche: Robustezza in modo da evitare le vibrazioni. Consentire la massima libertà di movimento radiale. Separare l’elemento meccanico di pressione (molla) dall’elemento che assicura il collegamento elettrico con le sbarre collettrici. Minimizzare l’effetto dell’attrito fra spazzola e collettore adottando per un unico senso di rotazione, spazzole inclinate ( a reazione)

PORTASPAZZOLE MOBILE SOLIDALE CON LA SPAZZOLA

PORTASPAZZOLE CON SPAZZOLA MOBILE

EFFETTO DELL’ATTRITO SU UNA SPAZZOLA IN POSIZIONE ORTOGONALE Fn Ft Portaspazzole Spazzola Collettore

EFFETTO DELL’ATTRITO SU UNA SPAZZOLA CON UN PORTASPAZZOLE A REAZIONE F’t = tga Fn = Ft Ft Ft = m Fn Collettore Fn F m = tga