Macchina a Corrente Continua

Macchina a corrente continua: aspetti costruttivi

La macchina a corrente continua, come tutte le macchine elettriche rotanti, è reversibile, ovvero può funzionare sia da generatore che da motore. Strutturalmente essa è costituita da:

• Una parte fissa, statore, che rappresenta il sistema induttore
• Una parte rotante, rotore, che rappresenta il sistema indotto

Si ha una situazione invertita rispetto alle macchine simili ma nella quale lo statore è l’indotto e il rotore è l’induttore.

Struttura dello statore

Lo statore comprende il nucleo magnetico statorico e l’avvolgimento di eccitazione. Il nucleo magnetico statorico è un cilindro cavo in ghisa o acciaio dalla cui superficie interna sporgono i poli induttori. Essi sono costituiti da un nucleo polare e da un’espansione polare più larga del nucleo. Attorno ad ogni nucleo polare è avvolta una bobina di campo. Tutte le bobine vengono poi collegate in serie tra loro per formare l’avvolgimento di eccitazione.

L'avvolgimento di eccitazione viene alimentato in corrente continua ed ha il compito di creare il campo magnetico induttore. Naturalmente le bobine di campo vengono collegate tra loro in modo da creare alternativamente un polo Nord e un polo Sud quando sono percorse da corrente.

Il nucleo magnetico ha una duplice funzione: meccanica in quanto fa parte della struttura di sostegno della macchina stessa; magnetica poiché adempie alla funzione di "giogo magnetico" attraverso cui si richiude il flusso dei poli induttori. Per queste ragioni il materiale impiegato nella sua costruzione deve avere buone caratteristiche di resistenza meccanica e buona permeabilità magnetica.

Dato che il flusso magnetico che interessa il nucleo statorico è normalmente costante nel tempo, non si verificano fenomeni di isteresi magnetica e di circolazione di correnti parassite; pertanto lo statore può essere costruito con materiali ferromagnetici massicci e non laminati (ghisa, acciaio fuso). Tuttavia, l'espansione polare è soggetta a variazioni di flusso dovuto all'alternanza delle cariche e dei denti rotativi; pertanto essa viene solitamente laminata. Spesso per ragioni costruttive si preferisce laminare tutto il polo.

Struttura del rotore

Il rotore è montato sull'albero in modo da ruotare con esso. Ha una forma cilindrica e sulla sua superficie sono praticate delle cave nelle quali vengono alloggiati i conduttori che compongono l'avvolgimento indotto di rotore detto avvolgimento di armatura. Le particolarità costruttive dell'avvolgimento di rotore sono varie e dipendono da numerosi fattori come il numero di poli, il tipo di collegamento adottato e il tipo di conduttore usato.

A causa della rotazione, il nucleo rotorico è interessato da un flusso magnetico variabile nel tempo e quindi è soggetto a fenomeni d'isteresi magnetica e di circolazione di correnti parassite. Pertanto, viene costruito con lamierini ferromagnetici e non massiccio.

Connessione elettrica

Per realizzare la connessione dell'avvolgimento rotorico ad un circuito elettrico esterno (che alimenta le macchina se essa funziona da motore o che sarà alimentato dalla macchina se essa funziona da generatore), il rotore è dotato del collettore a lamelle. Il collettore ha forma cilindrica ed è fissato all'albero di rotazione quindi è solidale ad esso. È costituito da un insieme di lamelle di rame. Su una estremità delle lamelle, vengono praticati degli intagli per effettuare il collegamento con le varie sezioni dell'avvolgimento indotto. Sul resto delle lamelle strisciano delle spazzole conduttrici, fissate connesse poi al circuito elettrico esterno.

Le spazzole sono costituite di materiale conduttore per consentire il collegamento elettrico con il collettore e quindi realizzare la connessione tra l'avvolgimento rotorico e il circuito elettrico esterno. Attualmente le spazzole sono costruite con una miscela di polveri sinterizzate di rame e grafite (metalgraf). Il complesso collettore-spazzole è la parte più delicata della macchina a corrente continua e richiede molta accuratezza in fase di costruzione. Inoltre è soggetto a manutenzione periodica poiché le spazzole strisciando sul collettore si usurano.

Tipi di macchine a corrente continua

In base al tipo di alimentazione adottate per il circuito di eccitazione, le macchine a corrente continua si dividono in due categorie:

• Macchine con eccitazione indipendente nelle quali l'avvolgimento di eccitazione è del tutto separato da quello di armatura ed è dotato di una propria sorgente di alimentazione in continua.
• Macchine autoeccitate nelle quali la corrente di eccitazione è fornita dalla macchina stessa e quindi l'avvolgimento di statore e di rotore sono collegati in qualche modo. In particolare si hanno:
  • Macchine con eccitazione in derivazione nelle quali l'avvolgimento di eccitazione è posto in parallelo a quello di armatura. La corrente di eccitazione costituisce una piccola frazione della corrente di armatura e pertanto l'avvolgimento induttore deve essere composto da molte spire di piccole sezione.
  • Macchine con eccitazione in serie nelle quali l'avvolgimento di eccitazione è posto in serie a quello indotto.