METADINAMO

METADINAMO

. Macchina a collettore, a corrente continua, ideata e studiata da G.M. Pestarini, avente più di due spazzole per ciclo. Ciclo è la successione di elementi magnetici ed elettrici che si ripete identicamente un certo numero di volte lungo un intero giro del traferro; nelle comuni dinamo corrisponde alla coppia polare (v. dinamoelettriche, macchine, XII, p. 875). Precursore della metadinamo è stato E. Rosemberg la cui dinamo a campo trasversale (1904) è un caso particolare di metageneratrice in croce (v. appresso).

Le metadinamo possono essere: a) trasformatrici, se restituiscono per determinate spazzole, con caratteristiche diverse, l'energia elettrica immessa da alcune altre spazzole; b) generatrici, se trasformano l'energia meccanica in energia elettrica; c) motrici, se trasformano l'energia elettrica in energia meccanica. Esse possono anche funzionare contemporaneamente in più di uno dei modi sopra accennati.

Il funzionamento della metadinamo si basa principalmente sul flusso rotorico (la reazione di indotto delle comuni dinamo). Questo è, da solo, sufficiente per il funzionamento della macchina come trasformatrice: deve essere invece integrato da flussi statorici opportunamente disposti, sia per ottenere il funzionamento da motrice o generatrice, sia per variare opportunamente, secondo le necessità, le caratteristiche di funzionamento della trasformatrice.

I tipi di metadinamo, classificabili secondo il numero e la disposizione delle spazzole nel ciclo, sono assai numerosi; ad essi corrispondono altrettanto numerose possibilità di funzionamento e di applicazione, poche delle quali sono state finora profondamente studiate ed utilizzate. Si segnalano in particolare le applicazioni alla trazione ferro-tranviaria, alla manovra di mezzi di sollevamento, gru e verricelli, al comando di artiglierie e impianti di bordo, di laminatoi e simili, all'eccitazione dei grossi alternatori, all'amplificazione di correnti variabili (amplidyne), ecc.

Il campo generato da un indotto a corrente continua senza statore, mantenuto in rotazione a velocità n, non può dare f. e. m. indotta fra le spazzole a e d che portano la corrente (schema n.1); ma se si pongono sul collettore altre spazzole b, c, e, ecc. si hanno f. e. m., e quindi correnti fra di esse, o fra una di esse ed una delle spazzole a e d. Nulla cambia se lo statore esiste, purché isotropo (senza poli salienti) e senza avvolgimenti, e la macchina in tali condizioni non può essere che una trasformatrice, mancando la possibilità di un'azione elettrodinamica fra circuiti statorici e rotorici. L'aggiunta di opportuni avvolgimenti sullo statore introduce coppie resistenti o motrici in varia misura, e la macchina potrà allora avere funzionamento da motrice, o da generatrice, o ancora da trasformatrice pura (se la sommatoria delle coppie meccaniche è nulla), o misto.

La statica della metadinamo è lo studio delle sue caratteristiche statiche, cioè delle curve che danno i valori delle grandezze in gioco (tensioni, correnti, coppie e velocità) in regime permanente o lentamente variabile. Tale studio è complesso, ma si semplifica qualora si ammetta l'ipotesi di macchina isotropa (traferro uguale in ogni direzione radiale) e di ferro non saturo. Con tali ipotesi le f. e. m. alle spazzole divengono proporzionali alla velocità n ed alle correnti rotoriche e statoriche secondo appropriati coefficenti. La teoria, svolta in base a queste premesse, per una macchina ad un sol ciclo, con m spazzole comunque disposte, porta alle seguenti conclusioni: a) nel caso di metatrasformatrice pura e nell'ipotesi, per essa ammissibile, di velocità costante, le caratteristiche statiche, tracciate considerando volta per volta costanti tante variabili da poter ridurre le curve a funzioni di due sole delle variabili residue, sono famiglie di rette, se non esistono avvolgimenti statorici; sono invece generalmente curve di 2° grado (coniche) se esistono tali avvolgimenti, e le coniche possono degenerare in coppie di rette in casi particolari; b) nel caso di metageneratrice pura e nell'ipotesi, ancora ammissibile, di velocità costante, le caratteristiche tracciate come sopra detto sono famiglie di rette variamente disposte nel piano; in particolare è possibile ottenere tensioni o correnti assolutamente costanti al variare di altre correnti o tensioni; c) nel caso di metamotrice pura non è invece possibile considerare la velocità costante; le caratteristiche più importanti (coppia-velocità) sono allora generalmente curve di grado tanto più elevato quanto più numerose sono le spazzole. L'introduzione della saturazione magnetica modifica, naturalmente, questi risultati; in alcuni casi le varianti che ne derivano sono favorevoli all'impiego pratico delle macchine (v. appresso: Metamotore in croce).

Lo studio della dinamica della metadinamo, cioè del suo funzionamento in regime rapidamente variabile, comporta la considerazione di equazioni differenziali in cui appaiono le derivate rispetto al tempo. Nei casi in cui tale studio, assai complesso, è possibile, esso conferma le superiori qualità della metadinamo nell'adeguarsi ai regimi transitorî anche rapidissimi. Le equazioni generali teoriche della metadinamo si semplificano notevolmente in casi pratici di poche spazzole per ciclo, con macchine simmetricamente costruite.

Uno dei tipi più studiati ed applicati su larga scala è la metadinamo in croce, con quattro spazzole per ciclo simmetricamente disposte, e con avvolgimento a passo diametrale. La disposizione delle spazzole, per la macchina monociclica, assume allora l'aspetto di una croce, da cui il nome.

Metatrasformatrice in croce. - Uno schema semplice è quello del n. 2, in cui gli assi magnetici degli avvolgimenti statorici coincidono con gli assi di commutazione. Il circuito delle spazzole a e c si dice primario, quello delle spazzole b e d secondario. La considerazione delle equazioni generali applicate a questo caso dimostra che la macchina, condotta a velocità costante da un motore che compensi le perdite, e alimentata al primario con tensione costante, dà al secondario una corrente costante I_b. Ciò può anche intuirsi osservando che la f.e.m. primaria, che fa equilibrio alla tensione costante applicata E₁, è generata dal flusso rotorico dovuto alla corrente I_b e da quello statorico dovuto alla corrente I_ε; poiché quest'ultima è costante, anche la I_b dovrà essere costante (sempre prescindendo dalla saturazione). Il suo valore dipenderà da quello della corrente esterna I_ε; l'avvolgimento statorico relativo a quest'ultima si chiama perciò variatore. La coppia prodotta dal flusso statorico dovuto alla corrente I_b, agendo sulla corrente Ib deve annullare in ogni istante la coppia prodotta dalla azione delle correnti I_ε ed I_a, per assicurare in tal modo il funzionamento della macchina come trasformatrice (potenza meccanica nulla). Per ottenere stabilmente tale condizione, la corrente I_a deve essere regolata in relazione alla velocità della macchina, in modo tale da opporsi ad ogni sua variazione; la I_a viene generalmente fornita da una piccola dinamo coassiale, che si chiama regolatrice, ed il relativo avvolgimento statorico prende il nome di regolatore.

Metageneratrice in croce. - Uno degli schemi possibili è quello della fig. 3. L'applicazione delle equazioni generali al caso in esame dimostra che si ottiene al circuito secondario una corrente costante I_b, il cui valore dipende dalla corrente I_ε nel variatore. Poiché il circuito primario non riceve potenza elettrica, tutta la potenza in gioco nel secondario proviene dal motore primo; la macchina è quindi una generatrice pura. Schemi diversi consentono di ottenere diverse caratteristiche, ma è evidente l'importanza del caso citato, non esistendo dinamo atte a fornire, senza artifizî, una corrente costante al variare del carico. La metageneratrice è particolarmente adatta, per la sua prontezza nel far fronte alle variazioni di carico, per la eccitazione dei grossi alternatori, per cui viene spesso impiegata (vedi elettrica, energia, in questa seconda App., I, p. 825).

Metamotore in croce. - La fig. 4 rappresenta uno schema largamente applicato, con alimentazione da un anello a corrente costante I_a (p. es. a mezzo di metatrasformatrice o metageneratrice). Se I_ε è costante, e sempre nell'ipotesi di ferro non saturo, la coppia motrice dovuta all'azione del campo statorico di I_ε sulla corrente rotorica I_a è pure costante ed indipendente dalla velocità; ma ad essa si sovrappone la coppia dovuta all'avvolgimento statorico di I_b che cresce con la tensione secondaria, e quindi con la velocità. Per un opportuno e determinato senso degli avvolgimenti statorici e delle relative correnti, la caratteristica meccanica del motore è quindi quella rappresentata dal diagramma a della fig. 6; variando la corrente I_ε, la retta si sposta parallelamente a sé stessa; variando la resistenza R_b, varia l'inclinazione della retta. Si ha dunque una famiglia di caratteristiche rettilinee, tra le quali si può scegliere la più appropriata alle condizioni del momento.

L'introduzione dei fenomeni di saturazione deforma le rette, dando luogo a caratteristiche del tipo del diagramma b in fig. 6; la coppia è òapprima praticamente costante con la velocità, e cade poi a zero per una velocità determinata, oltre la quale si inverte, consentendo, senza particolari artifizî, la frenatura ed il ricupero.

Metadinamo amplificatrice. - La metadinamo si presta all'amplificazione di correnti variabili, ed in tale impiego è stata denominata in America amplidyne. Lo schema della fig. 7 è quello di una metadinamo in croce con cui può ottenersi lo scopo; essa è ancora sostanzialmente una generatrice con spazzole primarie in corto circuito, in cui la corrente secondaria I_b rimane costante (sempre per velocità costante), finché è costante la corrente I_ε; se a questa corrente si imprime invece una variazione periodica, la I_b varierà nello stesso modo, ma in misura maggiore, dipendente dal rapporto fra il numero di spire dell'avvolgimento statorico di I_ε e quello dell'avvolgimento statorico di I_b. Occorre infatti considerare che, per avere E₁ = 0 alle spazzole primarie, deve in ogni caso annullarsi la risultante dei flussi che agiscono secondo l'asse magnetico normale al diametro a c. Con particolari schemi ed accorgimenti costruttivi si sono ottenuti in tal modo rapporti di amplificazione assai elevati.

Altri schemi di metadinamo. - Oltre al collegamento in croce, la metad; namo a quattro spazzole per ciclo si presta ad altri numerosi collegamenti, quali ad esempio quello detto in otto (fig. 8), quello a caduceo (fig. 5), ecc. Ancora più varî e numerosi sono i possibili tipi di metadinamo quando si passa a classi con più di quattro spazzole per ciclo.

La metadinamo si differenzia dalla comune dinamo per alcuni elementi costruttivi. Il traferro deve essere il minimo possibile, per non contrastare il flusso rotorico, che è fondamentale per il funzionamento. La commutazione deve essere particolarmente studiata, dato che le zone di commutazione capitano spesso sotto la diretta azione degli avvolgimenti statorici. In tal caso occorre praticare nel polo, in corrispondenza di ogni zona di commutazione, un intervallo privo di materiale magnetico, suddividendo così il polo stesso in due o più segmenti polari; ne deriva la necessità di definire il ciclo come sopra detto in luogo della coppia polare, in quanto ogni ciclo può avere più di due poli. Nei suddetti intervalli vengono sistemati i rispettivi poli di commutazione, su cui si avvolgono gli ampergiri necessarî per annullare in quel punto l'azione delle forze magnetomotrici rotoriche e statoriche, e per creare, nelle sezioni commutanti, f.e.m. opposte a quelle di reattanza. L'avvolgimento più adatto per l'indotto della metadinamo è quello embricato (elicoidale). Di fronte ai numerosi vantaggi citati, la metadinamo presenta lo svantaggio di una maggiore complessità costruttiva e di un maggior costo rispetto ad altri tipi di macchine.

Bibl.: G.M. Pestarini, Corso di costruzioni elettromeccaniche, Torino 1943; A. Carrer, Metadinamo, 2ª ed., Torino 1948. Fra i numerosi articoli tecnici si segnalano particolarmente i seguenti di G.M. Pestarini: Della metadinamo, in L'elettrotecnica, 15 nov. 1928; Les métadynes, in Revue gén. de l'electricité, 1930; Informazioni sulla metadinamo, in L'elettrotecnica, 10 ag. 1937; Le metadinamo, in Memorie della R. Accademia delle scienze di Torino, 1938-39; Quando e come conviene ricorrere alla metadinamo, in L'energia elettrica, genn. 1940.