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La potenza nascosta nel rotore del motore: perché i generatori moderni non si affidano alle spazzole di carbone?
Con il progresso della tecnologia, anche la progettazione e il funzionamento dei generatori si stanno evolvendo. Il passaggio dai primi generatori che si basavano sulle spazzole di carbone alla tecnologia brushless sempre più diffusa di oggi non solo ha migliorato le prestazioni del generatore, ma ha anche ridotto i costi di manutenzione. Molti lettori potrebbero essere curiosi di sapere perché i generatori moderni non si affidano alle spazzole di carbone. Quali innovazioni tecnologiche si nascondono dietro questo?
Eccitazione nell'elettromagnetismo
In elettromagnetismo, l'eccitazione è il processo di generazione di un campo magnetico utilizzando la corrente elettrica. Un generatore o motore è costituito da un rotore che ruota in un campo magnetico. Il campo magnetico può essere generato da magneti permanenti o da bobine di campo elettrico. Nelle macchine che utilizzano bobine di campo elettrico, la corrente deve fluire attraverso le bobine per generare (eccitare) il campo magnetico, altrimenti il rotore non può trasferire potenza.
Le bobine di campo elettrico offrono la forma più flessibile di regolazione del flusso, ma consumano corrente.
Eccitazione nei generatori
Per molti grandi generatori, è necessario che venga stabilita una corrente elettrica prima che il generatore possa generare elettricità. Sebbene una parte dell'uscita del generatore possa essere utilizzata per mantenere il campo magnetico una volta avviato, durante l'avviamento è comunque necessaria una fonte di corrente esterna. Il controllo del campo magnetico è molto importante poiché consente di mantenere la tensione nel sistema.
Principio dell'amplificatore
Ad eccezione dei generatori a magnete permanente, la tensione di uscita del generatore è proporzionale al flusso magnetico. La somma del flusso magnetico è costituita dalla magnetizzazione della struttura e dal campo magnetico generato dalla corrente di eccitazione. In assenza di corrente di eccitazione, il flusso magnetico è molto piccolo e la tensione di indotto è quasi nulla. Controllando la corrente di campo, è possibile regolare la tensione del sistema generatore per eliminare la caduta di tensione causata dall'aumento della corrente di indotto.
Un generatore può essere visto come un amplificatore corrente-tensione.
Utilizzo di incentivi indipendenti
Per i generatori di grandi dimensioni, è prassi comune utilizzare un generatore di eccitazione separato collegato in parallelo al generatore principale. Si tratta di un piccolo generatore a magnete permanente o a batteria, progettato per fornire la corrente necessaria al generatore più grande.
Una nuova era di auto-motivazione
I generatori moderni sono solitamente autoeccitati, ovvero parte della potenza in uscita dal rotore viene utilizzata per azionare le bobine del campo elettrico. Quando il generatore è spento, il nucleo del rotore conserva una certa quantità di magnetismo residuo. Quando si avvia il generatore, non collegare prima alcun carico. Quindi il suo debole campo magnetico iniziale indurrà una debole corrente nella bobina del rotore, rafforzando così il campo magnetico e alla fine stabilendo una forte tensione.
Avvio e altre varianti
I generatori autoeccitati devono essere avviati senza carico esterno. Esistono vari tipi di progetti autoeccitati, che vanno dai semplici progetti shunt che utilizzano l'energia dell'avvolgimento principale ai sistemi di potenziamento dell'eccitazione che forniscono un aumento temporaneo di energia per far fronte alle variazioni di carico.
Quando il magnetismo residuo del generatore non è sufficiente a raggiungere la piena tensione, di solito si può ricorrere all'iniezione di corrente da un'altra fonte.
L'ascesa degli incentivi brushless
La tecnologia di eccitazione brushless consente di generare il flusso magnetico nel motore senza bisogno di spazzole di carbone. Questa tecnologia, sviluppata sfruttando i progressi nella tecnologia dei semiconduttori, utilizza un raddrizzatore rotante per raccogliere la tensione alternata indotta sull'albero della macchina sincrona e la raddrizza per fornirla all'avvolgimento di campo del generatore. Sebbene l'eccitazione brushless sia stata storicamente carente in termini di regolazione rapida del flusso, la situazione sta migliorando man mano che diventano disponibili nuove soluzioni.
Il futuro della tecnologia
L'attuale tecnologia brushless è più sofisticata e utilizza comunicazioni wireless ad alte prestazioni per ottenere il pieno controllo del campo magnetico, come raddrizzatori a tiristori e interfacce di commutazione, rendendo il funzionamento del generatore più flessibile ed efficiente.
Con la continua evoluzione della tecnologia, se i generatori possano eliminare completamente le spazzole di carbone resta una questione difficile. Quali nuove tecnologie emergeranno in futuro per risolvere queste sfide?
