dìnamo
Indice
Definizione
sm. [sec. XX; dal francese dynamo, risalente al greco dýnamis, forza]. Macchina elettrica rotante atta a generare corrente continua, trasformando in energia elettrica l'energia meccanica fornita da un motore primo, che in particolare può essere un motore elettrico alimentato in corrente alternata. In particolare, in geologia si parla di dìnamo terrestre per spiegare il meccanismo di origine del campo magnetico terrestre (magnetismo terrestre).
Dinamo . Anello di Pacinotti (Parigi, Musée des Techniques du Conservatoire National des Arts et Métiers).
De Agostini Picture Library/G. Dagli Orti
Tecnica: generalità
La dìnamo deriva con successive modifiche dall'anello di Pacinotti, e già alla fine del sec. XIX si costruivano macchine molto potenti (3000 kW e più) per fornire energia alle prime metropolitane e alle reti tramviarie e per l'illuminazione stradale con lampade ad arco. La produzione di dìnamo salì rapidamente con il procedere dell'elettrificazione, anche se ben presto si fece sentire la concorrenza di altri sistemi di produzione dell'energia elettrica (generazione di corrente alternata e sua eventuale conversione in corrente continua, in un primo tempo con convertitrici rotanti, poi con ampolle a vapori di mercurio, oggi con raddrizzatori statici). Il funzionamento della dìnamo si basa sui principi dell'induzione elettromagnetica: schematicamente è costituita da una spira che ruota entro un campo magnetico, tagliandone le linee di flusso, ed è quindi sede di una forza elettromotrice indotta, proporzionale al flusso e alla velocità di rotazione. Gli estremi di tale spira fanno capo a un anello in rame, tagliato a metà, sul quale strisciano due spazzole collegate al circuito elettrico esterno. Nella spira si genera una forza elettromotrice alternata, ma la tensione applicata all'utilizzatore risulta pulsante dato che, quando la forza elettromotrice cambia segno, si invertono i collegamenti al circuito esterno. Le dìnamo reali hanno naturalmente struttura assai più complessa: consistono essenzialmente di uno statore, un rotore, due scudi, spazzole, portaspazzole, avvolgimenti, collettore e parti ausiliarie. Lo statore, cioè la parte fissa, detta anche carcassa, è in acciaio e ha generalmente forma cilindrica, talora alettata per facilitare il raffreddamento. All'interno porta i poli salienti sui quali sono collocati gli avvolgimenti, percorsi da corrente continua, destinati a creare il flusso induttore. Dato che tale flusso è costante, non si hanno nello statore correnti indotte parassite e non occorre di conseguenza far ricorso all'uso di lamierini magnetici. Nelle dìnamo di maggiori dimensioni si hanno spesso, in corrispondenza delle mezzerie interpolari, degli altri poli, detti ausiliari, che vengono percorsi dalla corrente erogata dalla macchina e servono a compensare gli effetti provocati da tale corrente sul flusso (reazione di indotto) e a migliorare la commutazione. Il rotore consiste di un albero in acciaio, che porta il pacco di lamierini le cui cave contengono gli avvolgimenti d'indotto, elettricamente collegati al collettore. Gli scudi hanno funzione essenzialmente meccanica: sono fissati alle due estremità della carcassa e portano gli alloggiamenti dei cuscinetti a rotolamento o delle bronzine entro cui ruota l'albero del rotore. Lo scudo posteriore è di solito piano; l'anteriore è di forma pressoché cilindrica, dato che alloggia il collettore e le spazzole, che sporgono oltre i limiti della carcassa, e porta almeno due portelli per l'ispezione delle spazzole. Quasi sempre ambedue gli scudi portano una corona di finestrelle che consentono il passaggio all'interno della macchina di un flusso d'aria che la raffredda, convogliato da una ventola calettata sull'albero. Il portaspazzole è fissato allo statore, ma elettricamente isolato da questo, e ha la funzione di mantenere ogni spazzola o serie di spazzole nella corretta posizione, assicurando inoltre una pressione costante tra spazzole e collettore durante il funzionamento della macchina. Gli avvolgimenti di una dìnamo differiscono notevolmente da tipo a tipo e quelli dello statore sono strutturati in maniera del tutto diversa da quelli del rotore. Ogni polo dello statore porta una bobina, costituita da filo o piattina isolati, avvolti a costituire spire, isolate tra loro e verso l'esterno mediante nastratura in cotone o nastro di vetro impregnato in resina. Gli avvolgimenti del rotore, del tipo chiuso, sono in filo isolato nelle piccole macchine, in piattine nelle maggiori; vengono alloggiati nelle cave e sono elettricamente collegati alle lamelle del collettore. Nelle macchine di maggiore impegno e dimensioni le spazzole sono disposte nel cosiddetto “piano neutro”, determinato dall'asse del rotore e dalla bisettrice dell'angolo formato dagli assi di due poli consecutivi. Gli effetti della reazione di indotto vengono compensati dai poli ausiliari ed eventualmente anche da avvolgimenti, detti compensatori, disposti in cave praticate entro le espansioni polari dei poli principali e percorsi da una corrente eguale o proporzionale a quella che la macchina eroga. Nelle macchine di piccola potenza e di modesto prezzo non si hanno poli ausiliari e le spazzole sono sistemate in un piano alquanto spostato rispetto al piano neutro nel senso della rotazione della macchina, allo scopo di migliorare la commutazione.
Tecnica: funzionamento e impiego
La forza elettromotrice generata dalla dìnamo, e quindi la tensione ai suoi morsetti, dipende dal flusso induttore. Occorre perciò regolare l'intensità di corrente che percorre gli avvolgimenti induttori (corrente di eccitazione) per ottenere una tensione costante alle spazzole, dove questo sia necessario, anche a velocità diverse di rotazione e con diversi carichi (caso tipico le dìnamo caricabatteria usate sugli autoveicoli) o per ottenere una tensione regolata secondo le necessità (variabili nel tempo) degli utilizzatori che la dìnamo alimenta. L'eccitazione, nelle macchine di maggior potenza, è di solito indipendente, cioè la corrente necessaria proviene da un'altra macchina, come nelle dìnamo eccitatrici degli alternatori delle centrali idroelettriche o nelle locomotive Diesel elettriche; è però possibile anche l'autoeccitazione delle dìnamo, grazie al fatto che, anche in assenza di corrente di eccitazione, il circuito magnetico è sede di un piccolo flusso dovuto a magnetizzazione residua. Si hanno perciò dìnamo con eccitazione derivata, nelle quali l'avvolgimento di eccitazione è collegato in parallelo al carico, con eccitazione in serie (poco diffuse), aventi l'avvolgimento di eccitazione in serie al carico, e con eccitazione mista o composta, nelle quali l'eccitazione è ottenuta mediante due avvolgimenti, uno in serie e l'altro derivato. Attualmente in molte applicazioni vengono preferiti alle dìnamo i gruppi alternatore-raddrizzatore o i sistemi di conversione statici, che sono più economici. Inoltre le dìnamo presentano considerevoli limitazioni nelle tensioni di esercizio e nelle potenze, soprattutto per la presenza del collettore, la cui costruzione è molto delicata. Tra gli impieghi più diffusi delle dìnamo si ricordano quelli come caricabatteria a bordo di veicoli (automobili, vetture ferroviarie, locomotive) e in impianti fissi; negli impianti elettrolitici di non grandi dimensioni (dìnamo a tensioni molto basse, ma capaci di erogare forti correnti); negli azionamenti a velocità variabile (grandi macchine utensili con motore in corrente continua, laminatoi, gru), nei quali la variazione della velocità dei motori si ottiene agendo sull'eccitazione della dìnamo che li alimenta e che a sua volta è mossa da un motore elettrico a corrente alternata collegato alla rete trifase; in gruppi elettrogeni fissi e mobili di non grande potenza, ecc. Tra i pregi delle dìnamo si ricordano: la possibilità di erogare una corrente costante a regimi di rotazione molto variabili, utilizzando un sistema di regolazione molto semplice, o di generare tensioni molto diverse, nonché quella di erogare correnti anche più che doppie della corrente massima continuativa della macchina per periodi relativamente lunghi (ciò è assai utile, per esempio, negli azionamenti a velocità variabile di gru e laminatoi o nei gruppi rotanti per saldatura elettrica ad arco). La dìnamo, come tutte le macchine elettriche, è reversibile, ma assai raramente tale capacità viene utilizzata; un tipico esempio si ha nei gruppi Ward-Leonard di alcuni tipi di gru, nella fase in cui, calando il carico, il motore funziona da generatore, permettendo di ottenere la frenatura con recupero di energia, che viene fornita alla rete.