Quando un conduttore dell'indotto passa da una via interna all'altra (questo avviene durante il passaggio del conduttore sotto la spazzola) si dice che il conduttore è in commutazione. All'atto della commutazione si ha che la corrente IC [A] nel conduttore cambia verso ed il contatto strisciante tra spazzola e lamelle del collettore viene sottoposto ad importanti sollecitazioni termiche.
Nel caso ideale, trascurando tutte le f.e.m. indotte nella
spira che sta commutando, trascurando la resistenza dei conduttori
che costituiscono la spira stessa, considerando la sola resistenza
del contatto spazzola-lamella e supponendo tale resistenza inversamente
proporzionale alla superficie di contatto, accade che la corrente
nel conduttore in commutazione varia linearmente durante il tempo
T [s] di commutazione e la densità di corrente rimane
costante su tutta la superficie del contatto.
Nel caso reale accade che:
a) nella spira in commutazione soggetta ad una variazione di corrente (passando da una via interna all'altra la corrente nel conduttore si inverte) scaturisce una f.e.m. di autoinduzione a causa dell'induttanza propria della spira che, per la legge di Lenz, si oppone all'inversione della corrente;
b) la distorsione del campo magnetico dovuta alla reazione d'indotto
fa si che la spira in commutazione si trovi, all'atto della commutazione,
ancora sotto l'influenza del polo di provenienza e, quindi, interessata
da una f.e.m. concorde con quella che si aveva prima della commutazione,
la qual cosa ostacola l'inversione della corrente.
Il risultato complessivo sarà quello di produrre nel conduttore in commutazione una variazione della corrente non più lineare durante il tempo T. A causa di questo si manifestano due gravi inconvenienti:
a) la densità di corrente sotto le spazzole non è più costante, più precisamente è maggiore nella zona d'uscita della spazzola. Tale zona subirà quindi un maggiore riscaldamento con una conseguente maggiore usura;
b) tra la spazzola e la lamella che sta per essere abbandonata dalla spazzola si stabilisce una elevata d.d.p. e, di conseguenza, può scoccare una scintilla tra la spazzola e la lamella nell'istante del distacco (tale fenomeno viene favorito dall'elevata temperatura della spazzola, di cui al punto (a), e dalle condizioni impure dell'aria circostante il collettore per la presenza di un pulviscolo derivante dal consumo delle spazzole).
Il frequente verificarsi degli inconvenienti (a) e (b) produce
una rapida usura delle spazzole e del collettore a lamelle.
Per ridurre gli aspetti negativi conseguenti alla commutazione si può:
a) aumentare la resistenza della spira in commutazione e ridurre i flussi dispersi nell'indotto (ovvero ridurre l'induttanza della spira). In tal modo si riduce la costante di tempo t = L / R [s] del transitorio di commutazione e la situazione di regime viene raggiunta in un tempo più breve. Per aumentare la resistenza della spira si adottano spazzole a base di grafite (conduttore non Ohmico) ad elevata caduta di tensione;
b) realizzare matasse di poche spire e calate in cave aperte (in tal modo i flussi dispersi si riducono a causa dell'elevata riluttanza che essi incontrano nell'aria) così che sia piccola la f.e.m. autoindotta che si oppone all'inversione della corrente;
c) realizzare l'induttore nella forma a poli sporgenti, così che la commutazione avvenga in una zona ad elevato traferro e, quindi, ad elevata riluttanza del circuito magnetico. In tal modo saranno più bassi i valori di induzione del flusso tagliato dalla spira prossima alla commutazione e, con ciò, più basse saranno le f.e.m. indotte che si oppongono all'inversione della corrente nella spira.
Macchine in corrente continua
Programma per la classe quinta
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