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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Motore elettrico. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un motore elettrico è una macchina elettrica (convertitore elettromeccanico) in cui l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica, con rilascio di calore come effetto collaterale.
Il più grande successo tecnico della fine del XIX secolo fu l'invenzione del motore elettrico industriale. Questo motore compatto, economico e conveniente divenne presto uno degli elementi più importanti della produzione, sostituendo altri tipi di motori ovunque potesse essere erogata corrente elettrica. I grandi inconvenienti della vecchia macchina a vapore sono sempre stati la bassa efficienza, oltre alla difficoltà di trasferire e "frantumare" l'energia che ne ricavava. Di solito una grande macchina serviva diverse dozzine di macchine. Il movimento da esso è stato portato in ogni posto di lavoro meccanicamente utilizzando pulegge e cinghie senza fine. In questo caso si sono verificate enormi perdite di energia ingiustificate. L'azionamento elettrico non presentava questi difetti: aveva un'elevata efficienza, poiché il moto rotatorio poteva essere ottenuto direttamente dal suo albero (mentre in una macchina a vapore veniva convertito da alternativo), ed era molto più facile "frantumare" l'energia elettrica. Allo stesso tempo, le perdite si sono rivelate minime e la produttività del lavoro è aumentata. Inoltre, con l'introduzione dei motori elettrici, per la prima volta, è stato possibile non solo fornire a qualsiasi macchina un proprio motore, ma anche mettere un azionamento separato su ciascuno dei suoi nodi. I motori elettrici apparvero nel secondo quarto del XNUMX° secolo, ma passarono diversi decenni prima che si creassero condizioni favorevoli per la loro diffusa introduzione nella produzione. Uno dei primi motori elettrici perfetti alimentati da una batteria CC è stato creato nel 1834 dall'ingegnere elettrico russo Jacobi. Questo motore aveva due gruppi di elettromagneti a forma di U, di cui un gruppo (quattro elettromagneti a forma di U) era posizionato su un telaio fisso. Le loro espansioni polari erano disposte in modo asimmetrico, allungate in una direzione. L'albero motore era costituito da due dischi paralleli di ottone collegati da quattro elettromagneti posti ad uguale distanza l'uno dall'altro.
Quando l'albero ruotava, gli elettromagneti mobili passavano contro i poli di quelli fissi. In quest'ultimo le polarità andavano alternativamente: o positiva o negativa. Agli elettromagneti del disco rotante partivano conduttori montati sull'albero della macchina. Un commutatore è stato montato sull'albero del motore, che ha cambiato la direzione della corrente negli elettromagneti in movimento durante ogni quarto di giro dell'albero. Gli avvolgimenti di tutti gli elettromagneti del telaio fisso erano collegati in serie e scorrevano attorno alla corrente della batteria in una direzione. Anche gli avvolgimenti degli elettromagneti del disco rotante erano collegati in serie, ma la direzione della corrente in essi cambiava otto volte per giro dell'albero. Di conseguenza, anche la polarità di questi elettromagneti è cambiata otto volte in un giro dell'albero, e questi elettromagneti sono stati alternativamente attratti e respinti dagli elettromagneti del telaio fisso.
Supponiamo che gli elettromagneti mobili occupino una posizione in cui di fronte a ciascun polo dei magneti fissi si trovi lo stesso polo di quello mobile; allo stesso tempo, ogni elettromagnete stazionario respingerà il magnete opposto del tamburo e attirerà quello vicino con il polo opposto. Se i poli dei magneti fissi non fossero asimmetrici, un tale dispositivo non potrebbe funzionare, poiché l'azione dei vari magneti si equilibrerebbe tra loro. Ma a causa della sporgenza delle espansioni polari dei magneti fissi, ciascuno di essi attira la rotazione in senso orario più vicino più debole dell'altro, per questo il primo si avvicina e l'ultimo si allontana. Dopo un quarto di giro (nel motore Jacobi - dopo un ottavo), i poli opposti saranno uno di fronte all'altro, ma in questo momento il commutatore cambia la direzione della corrente nei magneti in movimento e uno avrà di nuovo gli stessi poli opposto all'altro, come all'inizio del movimento. Di conseguenza, i magneti in movimento ricevono nuovamente una spinta nella stessa direzione, e così via senza fine, finché la corrente rimane chiusa. Il commutatore era una parte molto importante e profondamente studiata del motore. Consisteva di quattro anelli di metallo montati sull'albero e isolati da esso; ogni anello aveva quattro tacche che corrispondevano a 1/8 della circonferenza. I ritagli sono stati riempiti con rivestimenti isolanti in legno; ogni anello era sfalsato di 45 gradi rispetto al precedente. Una leva, che era una specie di spazzola, scorreva lungo la circonferenza dell'anello; l'altra estremità della leva era immersa in un apposito recipiente con mercurio, a cui erano collegati i conduttori di una batteria (i composti di mercurio erano i dispositivi di contatto più comuni a quel tempo). I dischi montati sull'albero del motore ruotavano con esso. Lungo il bordo del disco scorrevano leve metalliche che, cadendo sulla parte non conduttiva del disco, interrompevano il circuito elettrico e, a contatto con il metallo, lo chiudevano. La disposizione dei dischi era tale che nel momento in cui i poli opposti si incontravano, le leve di contatto passavano attraverso la faccia legno-metallo e cambiavano così la direzione nell'avvolgimento degli elettromagneti. Così, ad ogni giro dell'anello, il circuito elettrico veniva interrotto quattro volte. Come già notato, il motore Jacobi per l'epoca era il dispositivo elettrico più avanzato. Nello stesso anno, 1834, un rapporto dettagliato sui principi del suo lavoro fu presentato all'Accademia delle scienze di Parigi. Nel 1838 Jacobi migliorò il suo motore elettrico e, dopo averlo installato su una barca a remi, con dieci satelliti fece un piccolo viaggio lungo la Neva alla velocità di 4 km/h. Una potente batteria di celle galvaniche fungeva da fonte di corrente. È chiaro, tuttavia, che tutti questi esperimenti erano di natura puramente dimostrativa: fino a quando non fu inventato e messo in produzione un perfetto generatore elettrico, i motori elettrici non potevano essere ampiamente utilizzati, poiché era troppo costoso e non redditizio alimentarli da una batteria. Inoltre, per vari motivi, di cui parleremo nei capitoli seguenti, i motori a corrente continua hanno ricevuto solo un uso limitato. Un ruolo molto più importante nella produzione è svolto dai motori elettrici funzionanti in corrente alternata, a cui ora ci rivolgiamo. La forza e la direzione della corrente alternata, come ricordiamo, non sono costanti. La sua forza prima aumenta da zero a un valore massimo e di nuovo diminuisce a zero, quindi la corrente cambia direzione, aumenta fino a un massimo negativo e di nuovo diminuisce a zero. (Il tempo impiegato dalla corrente per passare da un massimo positivo a un altro è chiamato periodo di oscillazione corrente.) Questo processo viene ripetuto ad alta frequenza. (Ad esempio, in una rete di illuminazione, la corrente in 1 secondo scorre cinquanta volte in una direzione e cinquanta volte nella direzione opposta.) In che modo questo comportamento della corrente influenzerà il funzionamento del motore elettrico? Innanzitutto, va notato che il senso di rotazione del motore elettrico non dipende dalla direzione della corrente, perché quando la corrente cambia, la polarità cambierà non solo nell'indotto, ma contemporaneamente negli avvolgimenti, che ecco perché attrazione e repulsione continuano ad agire nella stessa direzione di prima. Sembra da ciò derivare che non fa assolutamente alcuna differenza per il motore che tipo di corrente continua o alternata: è alimentato. Tuttavia, non lo è. Con la frequente inversione della magnetizzazione degli elettromagneti (diverse decine di volte al secondo), in essi si formano correnti parassite che rallentano la rotazione dell'armatura e la riscaldano notevolmente. La potenza del motore elettrico viene drasticamente ridotta e alla fine si guasta. Per la corrente alternata è necessario un design speciale del motore. Gli inventori non sono stati immediatamente in grado di trovarlo. Innanzitutto è stato sviluppato un modello del cosiddetto motore sincrono a corrente alternata. Uno dei primi motori di questo tipo fu costruito nel 1841 da Charles Wheatstone. Supponiamo che la parte fissa del motore (statore) sia realizzata sotto forma di un elettromagnete a forma di corona a otto poli, i cui poli alterni sono indicati dalla loro polarità dalle lettere N e S. Un'armatura (o rotore) ruota tra di loro sotto forma di una ruota a forma di stella, di cui otto raggi sono magneti permanenti. I loro poli fissi saranno indicati con le lettere n e s. Si supponga che una corrente alternata venga fatta passare attraverso un elettromagnete. Quindi le estremità dei nuclei dell'elettromagnete cambieranno alternativamente la loro polarità. Immagina che in un punto opposto a ciascun polo dell'elettromagnete dello statore ci sia un polo del rotore con lo stesso nome. Spingiamo la ruota e le diciamo una tale velocità alla quale ogni raggio n percorrerà la distanza tra due nuclei adiacenti N e S in un periodo di tempo uguale a quello durante il quale questi nuclei mantengono la loro polarità invariata, cioè in un periodo di tempo pari alla metà del periodo della corrente alternata che alimenta gli elettromagneti. In tali condizioni, durante l'intero movimento del raggio dal nucleo N al nucleo S, tutti i nuclei verranno rimagnetizzati, motivo per cui, durante il suo ulteriore movimento, il raggio sperimenterà nuovamente la repulsione dal nucleo lasciato indietro e l'attrazione dal nucleo a cui si avvicina.
Il motore sincrono funzionante secondo questo principio era costituito da un magnete multipolare a forma di anello, la cui polarità cambiava sotto l'influenza della corrente alternata, e da un elettromagnete permanente a forma di stella, che era montato su un albero e ruotato nel modo descritto sopra. Per eccitare questo elettromagnete permanente era necessaria una corrente continua, che veniva convertita tramite un commutatore da una variabile di lavoro. Il commutatore aveva un altro scopo: serviva per avviare il motore, perché per mantenere la rotazione del rotore di un motore sincrono doveva riportare una certa velocità iniziale. All'accensione, è stata inizialmente avviata una corrente continua attraverso il circuito, a causa della quale il motore ha iniziato a funzionare come un motore a corrente continua e si è messo in moto. Fino a quando il motore non ha raggiunto la velocità richiesta, il commutatore ha invertito la direzione negli elettromagneti in movimento. Quando è stata raggiunta la velocità corrispondente alla corsa sincrona, i poli del magnete mobile non sono cambiati e il motore ha iniziato a funzionare come un motore sincrono a corrente alternata.
Il sistema descritto presentava grossi inconvenienti, oltre al fatto che il motore sincrono richiedeva un ulteriore motore di accelerazione per il suo lancio, aveva anche un altro difetto: in caso di sovraccarico, il sincronismo della sua corsa era disturbato, i magneti iniziavano a rallentare la rotazione dell'albero e il motore si è fermato. Pertanto, i motori sincroni non sono ampiamente utilizzati. La vera rivoluzione nell'ingegneria elettrica è avvenuta solo dopo l'invenzione del motore asincrono (o ad induzione). L'azione di un motore a induzione risulterà evidente dalla seguente dimostrazione, effettuata nel 1824 dal famoso fisico francese Argo.
Lascia che il magnete a ferro di cavallo NS venga guidato manualmente in una rapida rotazione attorno all'asse verticale. Sopra i pali c'è una lastra di vetro che sostiene il punto, su cui è montato un cerchio di rame. Quando il magnete ruota, le correnti di induzione indotte nel cerchio e il campo magnetico da esse formato interagiranno con il magnete inferiore e il cerchio inizierà a ruotare nella stessa direzione del magnete inferiore. Questo fenomeno è utilizzato in un motore asincrono. Solo al posto di un magnete permanente rotante, utilizza diversi elettromagneti fissi che si accendono, si spengono e cambiano la loro polarità in una certa sequenza. Spieghiamo quanto detto con il seguente esempio.
Supponiamo che I, II, III e IV siano i quattro poli di due elettromagneti, tra i quali è posta una freccia di metallo. Sotto l'influenza di un campo magnetico, si magnetizza e diventa lungo le linee del campo magnetico degli elettromagneti, che, come sapete, lasciano il loro polo nord ed entrano nel sud. Tutti e quattro i poli si trovano in un cerchio alla stessa distanza l'uno dall'altro. In primo luogo, la corrente viene applicata a II e III. La freccia rimane immobile lungo l'asse medio delle linee del campo magnetico. Quindi viene fornita corrente al secondo elettromagnete. In questo caso, i poli con lo stesso nome saranno nelle vicinanze. Ora la guida media delle linee di forza dei magneti passerà dal centro della distanza tra I e II al centro tra III e IV e la freccia girerà di 45 gradi. Spegniamo il primo elettromagnete e lasciamo attivi solo i poli II e IV. Le linee di forza saranno dirette da III a IV, a seguito delle quali la freccia girerà di altri 45 gradi. Accendiamo nuovamente il primo elettromagnete, ma allo stesso tempo cambiamo il movimento della corrente, in modo che la polarità del primo magnete cambi: la freccia girerà di altri 45 gradi. Dopo aver spento il secondo elettromagnete, la freccia si sposterà di altri 45 gradi, ovvero farà un mezzo giro. È facile vedere come convincerla a completare la seconda metà del cerchio. Il dispositivo da noi descritto corrisponde sostanzialmente al motore Bailey, inventato nel 1879. Bailey realizzò due elettromagneti con quattro poli trasversali, che poteva magnetizzare con un interruttore. Sopra i pali, ha installato un cerchio di rame sospeso su un punto. Cambiando le polarità del magnete, accendendole e spegnendole, fece ruotare il cerchio esattamente nello stesso modo in cui avveniva nell'esperimento di Argo. L'idea di un tale motore è estremamente interessante, poiché, a differenza dei motori CC o dei motori elettrici sincroni, non è necessario fornire corrente al rotore. Tuttavia, nella forma in cui Bailey lo ha creato, il motore a induzione non poteva ancora essere utilizzato: la commutazione degli elettromagneti al suo interno avveniva sotto l'azione di un collettore complesso e, inoltre, aveva un'efficienza molto bassa. Ma prima che questo tipo di motore elettrico guadagnasse il diritto alla vita, rimaneva solo un gradino, ed è stato realizzato dopo l'avvento della tecnica delle correnti polifase. In realtà sono state utilizzate correnti multifase, dovute principalmente ai motori elettrici.
Per capire cos'è, ad esempio, una corrente bifase, immaginiamo due conduttori indipendenti l'uno dall'altro, in cui scorrono due correnti alternate completamente identiche. L'unica differenza tra loro è che non raggiungono i loro massimi contemporaneamente. Dicono di tali correnti che sono sfasate l'una rispetto all'altra e se queste correnti vengono fornite a un apparecchio elettrico, dicono che è alimentato da una corrente bifase. Di conseguenza, può esserci una corrente trifase (se il dispositivo è alimentato da tre correnti identiche spostate l'una rispetto all'altra in fase), una corrente quadrifase, ecc. Per molto tempo nella tecnologia è stata utilizzata solo la corrente alternata convenzionale (che, per analogia con le correnti multifase, iniziò a essere chiamata monofase). Ma poi si è scoperto che in alcuni casi le correnti multifase sono molto più convenienti di quelle monofase.
Nel 1888 il fisico italiano Ferraris e l'inventore jugoslavo Tesla (che lavorò negli USA) scoprirono il fenomeno di un campo elettromagnetico rotante. La sua essenza era la seguente. Prendi due bobine, composte da altrettanti giri di filo isolato, e mettile reciprocamente perpendicolari in modo che una bobina entri nell'altra. Ora immagina che la corrente i1 fluisca attorno alla bobina 1 e la corrente i2 fluisca attorno alla bobina 2, con i1 che precede i2 in fase di un quarto di periodo. Questo, come abbiamo già detto, significa che la corrente i1 raggiunge un massimo positivo nel momento in cui la corrente i2 è zero. Se tagliamo mentalmente le bobine a metà con un piano orizzontale e le guardiamo dall'alto, vedremo sezioni dei quattro lati di entrambe le bobine. Mettiamo un ago magnetico tra di loro e osserviamo il suo movimento. Le bobine attraverso le quali scorre corrente alternata sono note per essere elettromagneti. Il loro campo magnetico interagirà con l'ago, ruotandolo. Consideriamo ora la posizione dell'ago magnetico, il cui asse coincide con l'asse verticale delle bobine in tempi diversi. All'istante iniziale (t=0), la corrente nella prima bobina è zero e nella seconda passa per un massimo negativo (la direzione della corrente sarà indicata come si fa in ingegneria elettrica - con un punto e una croce; una croce significa che la corrente è diretta dall'osservatore oltre il disegno del piano e il punto indica che la corrente è diretta verso l'osservatore). All'istante t1 le correnti i1 e i2 sono uguali tra loro, ma una è positiva e l'altra negativa. Nell'istante t2 il valore della corrente i2 scende a zero e la corrente i1 raggiunge il suo massimo. La freccia girerà quindi un altro 1/8 di giro. Tracciando lo sviluppo del processo in questo modo, noteremo che al termine del periodo di cambiamento di una delle correnti, l'ago magnetico compirà un giro completo attorno all'asse. Quindi il processo viene ripetuto. Quindi, per mezzo di due bobine alimentate da due correnti sfasate tra loro di un quarto di periodo, è possibile ottenere lo stesso effetto di inversione dei poli magnetici che Bailey otteneva nel suo motore, ma qui è molto più semplice, senza alcun commutatore e senza l'utilizzo di contatti striscianti, poiché la corrente stessa controlla l'inversione della magnetizzazione. L'effetto descritto ha ricevuto in ingegneria elettrica il nome di un campo magnetico uniformemente rotante. Basandosi su di esso, Tesla progettò il primo motore asincrono bifase della storia. In generale, è stato il primo a iniziare a sperimentare le correnti polifase e ha risolto con successo il problema della generazione di tali correnti. Poiché non era facile ottenere una corrente bifase da una monofase, Tesla costruì un generatore speciale che produceva immediatamente due correnti con una differenza di fase di 90 gradi (cioè con un quarto di periodo di ritardo). In questo generatore, due bobine reciprocamente perpendicolari ruotavano tra i poli di un magnete. Nel momento in cui i giri di una bobina erano sotto i poli e la corrente in essi indotta era massima, i giri dell'altra bobina erano tra i poli (sulla linea neutra) e la forza elettromotrice in essi era uguale a zero. Di conseguenza, anche le due correnti generate in queste bobine erano sfasate l'una rispetto all'altra di un quarto di periodo.
La corrente trifase potrebbe essere ottenuta in modo simile (utilizzando tre bobine a 60 gradi l'una dall'altra), ma Tesla considerava il sistema bifase il più economico. Infatti, i sistemi di corrente multifase richiedono un gran numero di fili. Se un motore funzionante con corrente alternata convenzionale (monofase) richiede solo due fili di alimentazione, funzionando su uno bifase - già quattro, su uno trifase - sei, ecc. Le estremità di ciascuna bobina sono state portate agli anelli situati sull'albero del generatore. Il rotore del motore presentava anche un avvolgimento a forma di due bobine chiuse su se stesse (cioè prive di collegamento con un circuito elettrico esterno) disposte ad angolo retto l'una rispetto all'altra. L'invenzione di Tesla segnò l'inizio di una nuova era nell'ingegneria elettrica e suscitò l'interesse più vivo in tutto il mondo. Già nel giugno 1888, la Westinghouse Electric Company acquistò da lui tutti i brevetti per un sistema bifase per un milione di dollari e si offrì di organizzare la produzione di motori asincroni nelle loro fabbriche. Questi motori furono messi in vendita l'anno successivo. Erano molto migliori e più affidabili di tutti i modelli che esistevano prima, ma non erano ampiamente utilizzati, poiché si rivelarono progettati senza successo. L'avvolgimento dello statore al loro interno era realizzato sotto forma di bobine montate su poli sporgenti. Anche il design del rotore a forma di tamburo con due bobine chiuse reciprocamente perpendicolari non ha avuto successo. Tutto ciò ha ridotto notevolmente la qualità del motore sia al momento dell'avviamento che in modalità di funzionamento. Ben presto, il motore a induzione di Tesla fu notevolmente ridisegnato e migliorato dall'ingegnere elettrico russo Dolivo-Dobrovolsky. Espulso nel 1881 per motivi politici dal Politecnico di Riga, Dolivo-Dobrovolsky partì per la Germania. Qui si diplomò alla Scuola Tecnica Superiore di Darmstadt e nel 1887 iniziò a lavorare nella grande azienda tedesca di ingegneria elettrica AEG. La prima importante innovazione introdotta da Dolivo-Dobrovolsky in un motore asincrono è stata la creazione di un rotore con avvolgimento a "gabbia di scoiattolo". In tutti i primi modelli di motori a induzione, i rotori non avevano molto successo e quindi l'efficienza di questi motori era inferiore a quella di altri tipi di motori elettrici. (La Ferrari, già citata, realizzò un motore asincrono bifase con un rendimento di circa il 50% e riteneva che questo fosse il limite.) Il materiale di cui era fatto il rotore giocava qui un ruolo molto importante, poiché doveva soddisfare due condizioni contemporaneamente: avere una bassa resistenza elettrica (in modo che le correnti indotte possano fluire liberamente attraverso la sua superficie) e avere una buona permeabilità magnetica (in modo che l'energia del campo magnetico non venga sprecata).
Dal punto di vista della riduzione della resistenza elettrica, la migliore soluzione progettuale potrebbe essere un rotore a forma di cilindro di rame. Ma il rame è un cattivo conduttore per il flusso magnetico dello statore e l'efficienza di un tale motore era molto bassa. Se il cilindro di rame veniva sostituito con uno di acciaio, il flusso magnetico aumentava notevolmente, ma, poiché la conduttività elettrica dell'acciaio era inferiore a quella del rame, l'efficienza era di nuovo bassa. Dolivo-Dobrovolsky trovò una via d'uscita a questa contraddizione: realizzò il rotore a forma di cilindro d'acciaio (che ne riduceva la resistenza magnetica), e iniziò a inserire barre di rame nei canali perforati lungo la periferia di quest'ultimo (che riduceva la resistenza elettrica). Sulle parti frontali del rotore, queste aste erano collegate elettricamente tra loro (chiuse su se stesse). La soluzione di Dolivo-Dobrovolsky si è rivelata la migliore. Dopo aver ricevuto un brevetto per il suo rotore nel 1889, il suo dispositivo non è cambiato radicalmente fino ad oggi. Successivamente, Dolivo-Dobrovolsky iniziò a pensare al design dello statore della parte fissa del motore. Il design di Tesla gli sembrava irrazionale. Poiché l'efficienza di un motore elettrico dipende direttamente da quanto completamente il campo magnetico dello statore viene utilizzato dal rotore, quindi, più linee magnetiche dello statore sono chiuse all'aria (cioè non passano attraverso la superficie del rotore) , maggiore è la perdita di energia elettrica e minore è l'efficienza. Per evitare che ciò accada, lo spazio tra il rotore e lo statore dovrebbe essere il più piccolo possibile. Il motore di Tesla da questo punto di vista era tutt'altro che perfetto: i poli sporgenti delle bobine sullo statore creavano troppo gioco tra lo statore e il rotore. Inoltre, in un motore bifase non è stato ottenuto un movimento uniforme del rotore. Procedendo da ciò, Dolivo-Dobrovolsky vide davanti a sé due compiti: aumentare l'efficienza del motore e ottenere una maggiore uniformità del suo funzionamento. Il primo compito era semplice: bastava rimuovere i poli sporgenti degli elettromagneti e distribuire uniformemente i loro avvolgimenti sull'intera circonferenza dello statore in modo che l'efficienza del motore aumentasse immediatamente. Ma come risolvere il secondo problema? L'irregolarità di rotazione potrebbe essere notevolmente ridotta solo aumentando il numero delle fasi da due a tre. Ma questo percorso è stato razionale? Ottenere una corrente trifase, come già accennato, non è stato difficile. Inoltre, non è stato difficile costruire un motore trifase: per questo è stato sufficiente posizionare tre bobine sullo statore anziché due e collegare ciascuna di esse con due fili alla corrispondente bobina del generatore. Questo motore doveva essere migliore del motore bifase di Tesla sotto tutti gli aspetti, tranne che per un momento: richiedeva sei fili per la sua alimentazione, invece di quattro. Pertanto, il sistema è diventato inutilmente ingombrante e costoso. Ma forse era possibile collegare il motore al generatore in qualche altro modo? Dolivo-Dobrovolsky ha trascorso notti insonni su schemi di circuiti multifase. Su fogli di carta, ha abbozzato sempre più nuove opzioni. E, infine, è stata trovata una soluzione, del tutto inaspettata e geniale nella sua semplicità.
Infatti, se si ricavano rami da tre punti dell'armatura ad anello del generatore e li si collega a tre anelli lungo i quali scorrono le spazzole, quando l'armatura ruota tra i poli, su ciascuna spazzola verrà indotta la stessa corrente, ma con un spostamento nel tempo, necessario affinché la bobina si muova lungo un arco corrispondente ad un angolo di 120 gradi. In altre parole, anche le correnti nel circuito verranno spostate l'una rispetto all'altra in fase di 120 gradi. Ma questo sistema di corrente trifase si è rivelato avere un'altra proprietà estremamente curiosa, che nessun altro sistema di correnti polifase aveva - in qualsiasi momento arbitrariamente preso, la somma delle correnti che scorrono in una direzione è qui uguale al valore della terza corrente che scorre nella direzione opposta e la somma di tutte e tre le correnti in qualsiasi momento è zero. Ad esempio, all'istante t1, la corrente i2 passa per un massimo positivo e i valori delle correnti i1 e i3, che hanno un valore negativo, raggiungono la metà del massimo e la loro somma è uguale alla corrente i2. Ciò significa che in un dato momento uno dei fili del sistema sta trasportando la stessa quantità di corrente in una direzione mentre gli altri due insieme stanno trasportando nella direzione opposta. Pertanto, è possibile utilizzare ciascuno dei tre fili come cavo per gli altri due fili collegati in parallelo, e invece di sei fili, cavarsela con solo tre!
Per chiarire questo punto estremamente importante, passiamo a un diagramma immaginario. Immagina che attraverso un cerchio che ruota attorno al suo centro, ci siano tre conduttori collegati tra loro, in cui scorrono tre correnti alternate, sfasate di 120 gradi. Durante la sua rotazione, ogni conduttore si trova nella parte positiva o negativa del cerchio e quando si sposta da una parte all'altra, la corrente cambia direzione. Questo sistema garantisce completamente il normale flusso (circolazione) delle correnti. In effetti, ad un certo punto, i conduttori I e II sono collegati in parallelo e III devia la corrente da essi. Qualche tempo dopo, II passa dalla stessa parte di III; ora II e III lavorano in parallelo e io come un comune filo che porta corrente. Poi III passa al lato dove si trova ancora I; ora II ritira l'importo che io e III mettiamo insieme. Poi mi sposto sul lato dove si trova ancora II, e così via.
Nell'esempio sopra, nulla è stato detto sulle fonti attuali. Come ricordiamo, questa sorgente è un generatore trifase. Rappresentiamo gli avvolgimenti del generatore sotto forma di tre bobine. Affinché la corrente fluisca nel modo descritto, queste bobine possono essere incluse nel circuito in due modi. Possiamo, ad esempio, posizionarli su tre lati di un triangolo, diciamo quello sinistro; quindi, al posto dei suoi tre lati, otteniamo tre bobine I, II e III, in cui le correnti sono indotte con uno sfasamento di 1/3 del periodo. Possiamo anche spostare i punti di applicazione delle forze elettromotrici alle estremità dei conduttori paralleli. Se mettiamo le nostre bobine qui, otteniamo una connessione diversa. I triangoli, che ora servono solo come connessioni conduttive per le tre estremità sinistre delle bobine, possono essere contratti in un unico punto. Questi collegamenti, di cui il primo è chiamato "delta" e il secondo "stella", sono ampiamente utilizzati sia nei motori che nei gruppi elettrogeni.
Dolivo-Dobrovolsky costruì il suo primo motore asincrono trifase nell'inverno del 1889. Come statore, è stata utilizzata un'ancora anulare di una macchina a corrente continua con 24 fessure semichiuse. Dati gli errori di Tesla, Dolivo-Dobrovolsky ha disperso gli avvolgimenti nelle fessure attorno all'intera circonferenza dello statore, il che ha reso più favorevole la distribuzione del campo magnetico. Il rotore era cilindrico con avvolgimenti a "gabbia di scoiattolo". Il traferro tra il rotore e lo statore era di solo 1 mm, che a quel tempo era una decisione coraggiosa, poiché di solito il traferro veniva allargato. Le aste della "gabbia dello scoiattolo" non avevano isolamento. Come sorgente di corrente trifase è stato utilizzato un generatore CC standard, ricostruito in un generatore trifase come descritto sopra. L'impressione fatta dal primo avviamento del motore sulla guida dell'AEG è stata enorme. Per molti è diventato evidente che il lungo e spinoso percorso di creazione di un motore elettrico industriale era finalmente completato. In termini di prestazioni tecniche, i motori Dolivo-Dobrovolsky superavano tutti i motori elettrici esistenti in quel momento: avendo un'efficienza molto elevata, funzionavano perfettamente in qualsiasi modalità, erano affidabili e facili da usare. Pertanto, si sono immediatamente diffusi in tutto il mondo. Da quel momento iniziò la rapida introduzione dei motori elettrici in tutti i settori di produzione e la diffusa elettrificazione dell'industria. Autore: Ryzhov KV
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