"Futuro Anteriore": Dalla carta del 1982 all'Intelligenza Artificiale

 

IL MOTORINO ELETTRICO A TRIPLO T

GIUSEPPE RAGO

Questa breve nota si promette di spiegare in modo semplice il funzionamento dei piccoli motori "a triplo T", motori a collettore, che, avendo il rotore con tre poli, a prima vista sembrano negare che le macchine elettriche rotanti debbano presentare sempre un numero pari di poli. Diciamo subito che il motore a triplo T è sempre una macchina di potenza molto piccola ed è usato generalmente per l'azionamento di giocattoli, nella modellistica per il comando di navi ed aerei, come "sezionatori" nei meccanismi di radiocomando, etc.

Detto piccolo motore discende dalla macchinetta Siemens "a doppio T" per eliminare un notevole inconveniente da questa presentato. A tale proposito, può essere opportuno ricordare che tale macchinetta è stata una delle prime rudimentali macchine elettriche, sotto forma di dinamo a magnete permanente, ideata dal Siemens nel 1856, quindi rimaneggiata da altri e poi perfezionata definitivamente dallo stesso Siemens che ideò l'autoeccitazione, eliminando i magneti permanenti.

Il rotore della macchinetta a doppio T doveva in seguito essere sorpassato dall'"anello Pacinotti" e quindi dal rotore Hefner-Altenech con avvolgimento a tamburo, oggi esclusivamente usato nei motori industriali di qualsiasi potenza, ad eccezione di quelli di potenza estremamente piccole.

Per riuscire abbastanza chiaro il funzionamento del motore a triplo T, riteniamo acconcio descrivere prima quello dell'altro a doppio T. Questo (fig. 1) è costituito schematicamente da uno statore a due poli, eccitati mediante un'unica bobina (come in figura) oppure con una bobina per ogni polo, fra le cui espansioni polari può girare un rotore di ferro laminato che, presentando due grandi incavi laterali, assume la forma che giustifica la denominazione di rotore "a doppio T". In detti incavi è avvolta una bobina che fa capo ad un collettore a due lamelle, ognuna coprente poco meno della metà della superficie cilindrica, calettato sull'albero del rotore stesso. Sul detto collettore strisciano due spazzole, situate in un piano normale all'asse di simmetria dei poli statorici, che sono collegate in serie al circuito costituito dall'avvolgimento di eccitazione statorico, sia esso ad una oppure a due bobine. Il funzionamento si può desumere facilmente dall'esame della figura 1a: applicando una tensione continua fra i morsetti A,B, sia nell'avvolgimento statorico e sia in quello rotorico si avrà la stessa intensità di corrente che magnetizzerà i rispettivi nuclei, dei quali quelli statorici daranno luogo a due poli, di cui ognuno sarà sempre dello stesso nome, mentre i poli rotorici cambieranno ciclicamente di nome per effetto dell'inversione del senso della corrente nell'avvolgimento rotorico dovuta all'azione del collettore ruotante. In tale modo, i poli dello statore esercitano delle azioni sui poli rotorici originanti una coppia che fa girare il rotore; infatti, osservando la fig. 1a, si nota l'azione concomitante esercitata dall'attrazione fra i due poli di nome contrario e la repulsione fra quelli omonimi per cui si origina una coppia che fa girare il rotore in senso destrorso.

Però è da notare che tale coppia diventa zero, per l'annullamento delle componenti tangenziali delle forze, quando l'asse dei poli rotorici viene a coincidere con quello dei poli statorici; in tale momento, data la posizione relativa delle lamelle del collettore e delle spazzole, queste ultime cortocircuitano le prime e con queste l'avvolgimento rotorico (fig. 1b). Così, in questo istante, nessuna azione magnetizzante si ha sui poli rotorici che saranno sede solo di eventuale magnetismo residuo e di altro dovuto ad induzione magnetica dei poli statorici. In ogni caso, nel detto istante, data la posizione del rotore, fra poli rotorici e statorici si hanno azioni del tutto radiali e quindi non esiste alcuna coppia. Avviene però che, a causa dell'energia cinetica acquistata dal rotore ed il piccolo intervallo fra le lamelle del collettore, il punto morto viene subito oltrepassato e quindi il moto continua, perché ognuna delle spazzole incomincerà a strisciare sulla lamella diversa da quella di prima e, in conseguenza, si invertirà il senso della corrente nella bobina rotorica e con questo il nome dei poli generati. In tali condizioni, come è facile vedere esaminando la fig. 1, il senso della coppia motrice rimasto invariato ed il moto di rotazione continua.

Da tutto quanto è detto, risulta evidente che la coppia agente sul rotore non è costante, in quanto varia ciclicamente di valore con la posizione relativa dei poli rotorici rispetto a quelli statorici.

È inoltre importante rilevare che il detto motore può funzionare anche con alimentazione in corrente alternata, perché l'inversione del senso della corrente ad ogni semiperiodo avviene sia nell'avvolgimento statorico come in quello rotorico e ne consegue che le interazioni restano invariate.

Però, nel funzionamento del motore a doppio T, c'è l'inconveniente notevole che esso non si avvia quando, all'atto della chiusura del circuito, per come già detto, le espansioni polari del rotore si trovano esattamente affacciate con quelle dello statore (fig. 1b), trovandosi il rotore in un punto morto. A partire da tale posizione il motore non può mettersi in moto e non si raccoglie l'avvio, cioè spostando alquanto il rotore nel senso del moto.

Ed è per ovviare a questo grave inconveniente che ormai il motore a doppio T è stato sostituito con quello "a triplo T" (figura 2a) nel quale il rotore presenta tre poli, invece che due, disposti fra loro a 120°.

Ognuno di tali poli possiede una propria bobina di eccitazione e tutte sono avvolte nello stesso senso; inoltre, le dette bobine sono collegate in circuito chiuso (a fine di ognuna collegata al principio della seguente) ed i punti di connessione fra bobine adiacenti sono collegati ognuno ad una delle tre lamelle del collettore (fig. 3). La posizione delle spazzole è diversa da quella del motore a doppio T: infatti esse giacciono in un piano passante per l'asse delle espansioni polari statoriche. In conseguenza di questa disposizione delle parti, questo motore non presenta punti morti, come in quello a doppio T, e quindi il suo avviamento è sempre possibile.

Vediamo ora come avviene il funzionamento di questo motore sui generis. Considerando l'istante in cui il rotore si trova nella posizione indicata nella fig. 2a, tenendo conto del senso della corrente nelle bobine A,B,C che genera rispettivamente la polarità Sud, Nord, Nord, si vede come il polo Sud relativo alla bobina A è attratto dal polo Nord statorico mentre è respinto dall'altro (Sud), il polo Nord relativo alla bobina B è respinto dal Nord statorico ed attratto dal Sud, il polo Nord relativo alla bobina C è attratto e respinto rispettivamente dai poli Sud e Nord statorici. Come si può rilevare facilmente, tutte le forze che esercitano fra poli statorici e rotorici danno luogo tutte a componenti tangenziali tali da creare coppie equiverse che fanno girare il rotore in senso destrorso. Consideriamo ora l'istante (fig. 2b) in cui la spazzola positiva fa ponte fra le lamelle 1 e 3 del collettore: in tale momento la bobina C è cortocircuitata e quindi non dà effetto magnetizzante, mentre la A continua a creare la polarità sud che è attratta dal Nord statorico e la B continua a generare un nord che è respinto dall'omonimo dello statore; anche in questo caso le azioni magnetiche fra rotore e statore sono cospiranti e continuano a dare una coppia ancora destrorsa oramai prima. Oltrepassata la posizione relativa fra statore e rotore ora considerata, cioè appena scomparso il corto circuito fra le lamelle 1 e 3, la configurazione del sistema diventa praticamente come quella in fig. 2a, con la differenza che il polo rotorico eccitato dalla bobina C ha preso il posto di quello eccitato dalla A e quelli eccitati dalla B e A hanno sostituito rispettivamente quelli delle bobine C e B.

Si comprende facilmente che, anche quando vengono chiuse in corto circuito le lamelle 3 e 2, le azioni magnetiche fra i poli di statore e rotore sono sempre tali da continuare a dare una coppia equiversa a quella prima esistente. Infine, è quasi superfluo dire che anche in tutte le possibili posizioni del rotore rispetto allo statore si ha sempre una coppia dello stesso verso. Evidentemente, il motore a triplo T, oltre ad assicurare l'avviamento in ogni caso, fornisce una coppia che, sebbene non costante, è molto meno variabile di quella relativa al motore a doppio T.

È importante tenere presente che, per cambiare il senso di rotazione, basta invertire le polarità statoriche, scambiando i capi del relativo avvolgimento. Da ricordare anche che il motore a triplo T, come già detto per quello a doppio T, può funzionare sia in corrente continua che in corrente alternata; infatti, anche nel triplo T, l'inversione della corrente ad ogni semiperiodo ha luogo contemporaneamente negli avvolgimenti statorici e rotorici e quindi le azioni magnetiche fra poli fissi e mobili non variano di verso.

Il nucleo magnetico statorico, generalmente a ferro di cavallo, come in fig. 1, può essere con giogo circolare, con una bobina per polo (vedi figg. 2 e 4), specie per le potenze relativamente più grandi. Inoltre, è da ricordare ancora che i piccolissimi motori per giocattoli, alimentati in corrente continua, hanno lo statore costituito di solito da un magnete permanente a ferro di cavallo. Infine, alle volte, quando è necessario, per diminuire l'ingombro del motore, il sistema statorico è formato come in figura 5 e cioè con dei magnetini rettilinei i cui poli omonimi sono collegati da ponticelli, di lamierino di ferro sagomato, che costituiscono le espansioni polari tra le quali gira il rotore.

Questi piccoli motori "a triplo T" vengono generalmente fabbricati per potenze da 2 a 8 W con una tensione di alimentazione che è di solito di 3 o 6 V od anche, alle volte, di 12 V. Il numero di giri a vuoto è generalmente alto e compreso fra 3000 e 6000 minuto primo, ma in certi casi può oltrepassare anche i 10.000; però è importante notare che tale numero di giri a vuoto diminuisce notevolmente con il carico. Il rendimento non supera in ogni caso lo 0,3 e, nei casi di funzionamento in corrente alternata, il fattore di potenza può assumere valori compresi fra 0,5 e 0,7. Per finire, data la potenza molto piccola di questi motori e gli impieghi a cui essi sono destinati, il loro scarsissimo rendimento non ha praticamente importanza dal lato economico.

Dalla rivista " Il Poliedro " settembre 1982

I CAFFÈ TECNOLOGICI DI ETTORE MAJORANA

II Incontro — "Piccoli motori, grandi idee: come un'ingegnosa geometria ha dato carica al nostro mondo"

Relazione a cura di [ Aldo Domenico Ficara]

1.  Un’introduzione davanti a un caffè

Un saluto e un benvenuto a tutti i colleghi, in particolare a chi insegna materie letterarie e storiche!

Oggi parliamo di un oggetto quotidiano che ciascuno di noi ha incrociato almeno una volta nella vita: il motorino elettrico di un macchinino giocattolo, di un modellino di nave o di un piccolo elettrodomestico.

A prima vista, la tecnologia e la meccanica possono sembrare territori aridi, fatti solo di formule e circuiti. In realtà, dietro l'articolo scritto nel 1982 dal docente Giuseppe Rago si nasconde una bellissima storia di intelligenza umana, di risoluzione di un problema e di armonia geometrica.

L'articolo analizza il "motore elettrico a triplo T". Oggi vedremo insieme cos'è, ma soprattutto perché tre è il numero perfetto per non far bloccare i nostri motori!

2.  Il principio base: Come funziona un motore? (Senza formule!)

Per capire il cuore del problema, immaginiamo i magneti (le calamite) che tutti conosciamo:

• Poli opposti si attraggono (Nord con Sud).

• Poli uguali si respingono (Nord con Nord, Sud con Sud).

Un motore elettrico non è altro che un gioco continuo tra attrarre e spingere:

1. C'è una parte fissa all'esterno (lo statore).

2. C'è una parte che gira all'interno (il rotore).

Facendo passare la corrente elettrica, noi trasformiamo il rotore in una calamita gigante. Se cambiamo continuamente "il verso" a questa calamita mentre gira, la parte mobile verrà spinta e tirata all'infinito, creando la rotazione.

3.  Il grande problema del "Motore a Doppio T" (A due poli)

All'inizio della storia dei motori elettrici (metà dell'Ottocento), l'inventore tedesco Werner von Siemens ideò il motore "a doppio T". Aveva due soli poli magnetici nel rotore.

Il "Punto Morto" (La метаfora della bicicletta):

Immaginate di essere su una bicicletta con i pedali perfettamente in verticale: uno tutto in alto e uno tutto in basso. Se vi fermate in quella posizione e provate a spingere il pedale verso il basso... la bici non si muove! Vi trovate in un punto di stallo, un punto morto.

Nel motore a due poli succedeva la stessa identica cosa:

• Quando i poli del rotore si trovavano perfettamente allineati con quelli dello statore, le forze magnetiche tiravano solo verso il centro.

• La spinta utile per farlo girare diventava pari a zero.

• Risultato: Se spegnevi il giocattolo e il motore si fermava in quella posizione, alla successiva accensione il motore non partiva da solo. Bisognava "dargli una spintarella" manuale!

4.  L'invenzione geniale: Il passaggio al "Triplo T" (A tre poli)

Come risolvere questo inconveniente in un giocattolo dove nessuno può mettere le dita per dare la "spinta"?

L'ingegneria ha trovato una soluzione elegante: sostituire i 2 poli con 3 poli, disposti a 120^ l'uno dall'altro (a forma di stella o di "triplo T").

       POLO 1
         |
         |
    *----*----*
   /           \
POLO 2        POLO 3

Perché il numero 3 risolve tutto?

Con tre poli disposti a triangolo/stella, è matematicamente e geometricamente impossibile che tutti e tre si trovino contemporaneamente in un "punto morto".

• Quando un polo si trova in posizione sfavorevole, gli altri due sono in una posizione perfetta per tirare e spingere.

• In qualunque posizione si fermi la macchinina, appena diamo corrente il motore parte sempre immediatamente!

5.  Un'occhiata alle prestazioni (Una lezione di compromesso)

Giuseppe Rago nell'articolo ci riporta dei dati molto interessanti:

• Velocità: Girano velocissimo! Tra i 3.000 e i 10.000 giri al minuto.

• Potenza: Piccolissima, da 2 a 8 Watt(la luce del cellulare consuma di più).

• Rendimento: Basso, attorno al 30% .

Riflessione interdisciplinare (Economia vs Tecnica): Un rendimento del 30% significa che il 70% dell'energia si disperde in calore. In una fabbrica o in un'auto elettrica sarebbe un disastro. Ma nei giocattoli è un compromesso perfetto: costa pochi centesimi da produrre, funziona con semplici pile e garantisce il funzionamento sicuro senza bloccarsi mai!