AVVOLGIMENTI CHIUSI SU COLLETTORE
A LAMELLE



Si tratta di avvolgimenti che essendo chiusi su collettore a
lamelle modificano la natura dell’energia elettrica in gioco:
 a. c in d. c. o viceversa per le macchine a corrente
continua;
 cambiamento di frequenza per le macchine a
commutazione a corrente alternata.
Sono avvolgimenti per i quali non è possibile identificare un
inizio ed una fine, in analogia agli avvolgimenti aperti, poiché
sono caratterizzati da una serie di connessioni con le diverse
lamelle del collettore.
Si possono avere anche avvolgimenti chiusi su tre anelli, in
questo caso si ottiene un sistema a corrente alternata, trifase,
con connessione a triangolo.

Nel caso più semplice di un avvolgimento chiuso
costituito da due rami (vie interne) in parallelo, vale
a dire per una macchina a due poli, o per una
macchina con più di una coppia polare con
avvolgimento serie (ondulato) la f.e.m. risultante, se
e = Blv

è la f.e.m. indotta in un conduttore, N/2 sono i
conduttori in serie per ciascun ramo e n i giri al
minuto, si ha una f.e.m. risultante pari a:
n
E   e  N
(volt)
60


Questa f.e.m. corrisponde alla risultante
vettoriale già determinata nel caso di un
avvolgimento monofase con collegamento
diametrale.
Naturalmente a causa dell’effetto non lineare
del collettore a lamelle anziché una tensione in
a.c. si ottiene una corrente continua con una
ondulazione che dipende dal numero di lamelle
del collettore
f. e. m. INDOTTA IN UNA MACCHINA A
COMMUTAZIONE A DUE POLI
+
-
STRUTTURA DELLA CAVA DI UNA
MACCHINA A COMMUTAZIONE



In una macchina a commutazione si hanno di
norma più fasci indotti (singoli conduttori o
gruppi di conduttori in serie) collocati in una
stessa cava.
Questi fasci indotti fanno capo a lamelle del
collettore diverse.
Si hanno cioè, molto spesso, per motivi
costruttivi, un numero di lamelle del collettore
superiore (multiplo) al numero delle cave.
AVVOLGIMENTO CHIUSO CON UN CONDUTTORE PER
FASCIO INDOTTO (a) O CON PIU’ CONDUTTORI IN SERIE
PER FASCIO INDOTTO (b)
a)
b)
MORFOLOGIA DI UNA CAVA DI UNA
MACCHINA A COMMUTAZIONE
fascio indotto
costituito da 4
conduttori in
serie
fascio indotto
costituito da un
solo conduttore
TIPI DI AVVOLGIMENTI CHIUSI



Si possono avere i seguenti tipi di avvolgimenti chiusi:
 paralleli (embricati) semplici progressivi;
 paralleli (embricati) semplici regressivi;
 serie (ondulati) semplici progressivi;
 serie (ondulati) semplici regressivi;
Si possono avere inoltre avvolgimenti derivanti dal
parallelo attraverso le spazzole di più avvolgimenti
semplici.
In particolare è possibile tracciare anche un
avvolgimento serie - parallelo che deriva dal parallelo
di un avvolgimento ondulato con un avvolgimento
embricato.
AVVOLGIMENTO CHIUSO
PARALLELO PROGRESSIVO
y1
y1 Passo posteriore
y2 Passo anteriore
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
y = y1 + y2 Passo
risultante
yc Passo al collettore
y2
ym Passo alle cave
yc
AVVOLGIMENTO CHIUSO
PARALLELO REGRESSIVO
y1
y1 Passo posteriore
y2 Passo anteriore
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
y = y1 + y2 Passo
risultante
yc Passo al collettore
y2
ym Passo alle cave
yc
FORMULE PER L’AVVOLGIMENTO PARALLELO
SEMPLICE
y  y1  y 2  2
 2z  b 
y 2  
 1
 2p

2z  b
y1 
1
2p
y1  y 2
yc 
 1
2
Il segno + si riferisce all’avvolgimento progressivo;
Il segno - si riferisce all’avvolgimento regressivo.
2z = fasci indotti;
b = numero intero qualsiasi (anche 0);
y1 ed y2 numeri dispari;
y numero pari.
L’avvolgimento parallelo semplice ha tante vie interne quanti
sono i poli.
SCHEMA DI AVVOLGIMENTO CHIUSO, A TESTE
EMBRICATE, EMBRICATO SEMPLICE, PROGRESSIVO,
2p = 4, z = 24, y1 = 13, y2 = 11, y = 2, yc = 1.
N
S
+
N
S
-
AVVOLGIMENTO CHIUSO SERIE
REGRESSIVO
y
y2
y1 Passo posteriore
y2 Passo anteriore
25 26 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
y = y1 + y2 Passo
risultante
yc Passo al collettore
y1
ym Passo alle cave
yc
AVVOLGIMENTO CHIUSO SERIE
PROGRESSIVO
y
y2
y1 Passo posteriore
y2 Passo anteriore
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
y = y1 + y2 Passo
risultante
yc Passo al collettore
y1
ym Passo alle cave
yc
FORMULE PER L’AVVOLGIMENTO SERIE
SEMPLICE
2z  2
y  y1  y 2 
p
;
y1  y 2 2z  2
yc 

2
2p
z  py c  1
Il segno + si riferisce all’avvolgimento progressivo;
Il segno - si riferisce all’avvolgimento regressivo.
y1 ed y2 numeri dispari poco diversi fra loro;
y numero pari.
L’avvolgimento serie semplice ha sempre due vie interne.
SCHEMA DI AVVOLGIMENTO CHIUSO, A TESTE
EMBRICATE, ONDULATO SEMPLICE, REGRESSIVO,
2p = 4, z = 25, y1 = 13, y2 = 11, y = 24, yc = 6.
N
+
S
-
N
S
CONNESSIONI EQUIPOTENZIALI





Negli avvolgimenti chiusi è necessario collegare metallicamente
quelle parti di avvolgimento che in linea teorica sono allo stesso
potenziale.
Ciò evita la presenza di correnti di circolazione fra spazzole e
collettore dovute a dissimmetrie o a imprecisioni di montaggio.
Tale situazione si verifica per avvolgimenti parallelo con 2p > 2
(connessioni di prima specie) e per avvolgimenti multipli sia
serie che parallelo (connessioni di seconda specie).
La complessità di montaggio delle connessioni equipotenziali
consente un grado massimo di molteplicità 2 per avvolgimenti
parallelo e di molteplicità 4 per avvolgimenti serie.
L’avvolgimento serie - parallelo non richiede connessioni
equipotenziali.
DIVERSI TIPI DI CONNESSIONI
EQUIPOTENZIALI
ad evolvente
concentriche
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
sulle bandiere
sul collettore
PROBLEMI CARATTERISTICI DELLE
MACCHINE A COMMUTAZIONE



Nel seguito considereremo alcuni problemi tipici delle
macchine a commutazione, tenendo conto che gran parte
della trattazione fatta per la macchina sincrona è valida
anche in questo caso, anche se si deve tenere conto che in
questo caso l’avvolgimento indotto è di regola sul rotore.
Va comunque tenuto presente che il fenomeno della
commutazione limita notevolmente la potenza massima che
può essere ottenuta da questo tipo di macchine.
Oltre a quanto già trattato in precedenza ne seguito
considereremo in particolare i problemi relativi ai contatti
striscianti che concernono quindi il collettore a lamelle, le
spazzole ed i portaspazzole.
POTENZA LIMITE IN FUNZIONE DEL NUMERO DEI GIRI
n PER MACCHINE A COMMUTAZIONE SENZA (a) E CON
AVVOLGIMENTI COMPENSATORI (b)
COLLETTORI A LAMELLE



Il collegamento elettrico fra un circuito fisso ed uno rotante
(o più raramente traslante) è assicurato, per la parte fissa da
contatti striscianti morbidi, generalmente a base di carbonio
(spazzole), e per la parte mobile da un collettore metallico,
per un elemento rotante, ad anelli o, se commutatore, a
lamelle.
Nel seguito prenderemo in considerazione solo i commutatori
a lamelle, che presentano problematiche di maggior rilievo
direttamente connesse con le macchine a commutazione.
Costruttivamente si possono avere collettori piani, usati in
genere per piccolissime macchine, e collettori cilindrici, più
comuni, che formeranno oggetto della nostra trattazione.





Il collettore è costituito fondamentalmente da lamelle a
sezione trapezia in rame duro con spessore compreso fra 2 e
4 mm, fatta eccezione per le piccole macchine o per
macchine a forte corrente.
Le lamelle di rame sono intercalate con lastrine in materiale
isolante, di solito micanite dura, di spessore per quanto
possibile costante, dell’ordine di 0,7 - 1.5 mm.
La mica, più dura del rame, deve essere asportata
parzialmente fra una lamella e l’altra.
Le lamelle possono essere a coda di rondine o di forma
poligonale in modo da consentire una eventuale blindatura o
un bandaggio con nastro di vetro impregnato con resina.
Nel caso di lamelle a coda di rondine il collettore è
solidamente fissato da due anelli di cui uno solidale con la
lanterna e l’altro scorrevole, provvisto di aggiustaggi di
centratura e serrato da bulloni, di solito passanti.
SMICATURA DELLE LAMELLE DI MICANITE
COLLETTORI A CODA DI RONDINE




Per macchine ad alta velocità è necessario adottare una
costruzione con cerchiature di acciaio che consentono di
raggiungere velocità che non sono possibili con le lamelle a
coda di rondine.
La soluzione con cerchiature viene adottata anche nei
collettori più recenti, utilizzando un bandaggio con nastri di
vetro impregnati con resine poliestere o epossidiche.
La costruzione dei collettori a lamelle è molto delicata,
richiede tolleranze dimensionali molto ristrette ed un
accurato condizionamento termico e meccanico.
Anche la finitura superficiale del collettore deve essere
particolarmente curata, adottando per le operazioni di
rettifica finale utensili al diamante che consentono di
ottenere i livelli di rugosità atti a ridurre al massimo il
consumo delle spazzole.
COLLETTORI BLINDATI CON CERCHIATURE
IN ACCIAIO
COLLETTORE CON BANDAGGI IN
VETRORESINA
COLLETTORE DOPPIO
COMMUTATORE SDOPPIATO IN DUE
ELEMENTI
MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI

Servono per costruire le spazzole ed in genere la maggior
parte dei contatti striscianti che consentono il passaggio della
corrente fra circuiti elettrici fissi e circuiti elettrici mobili.

I parametri fondamentali che caratterizzano i materiali per
contatti striscianti sono:
 La caduta di tensione di contatto Vc , normalmente
valutata per un doppio contatto.
 La densità di corrente .
 La massima velocità periferica Vp ammissibile.
Il materiale base per i contatti striscianti è il carbonio in
forma amorfa o come grafite.
Solo in casi particolari si adottano liquidi conduttori, come
sodio, mercurio o elettroliti.


CARBONIO

Il carbonio si presenta in forma cristallina (diamante e
grafite) o in forma amorfa (carbone di legna, carbon fossile,
coke e nerofumo).

Si può ottenere la grafite per sublimazione del carbone
amorfo in forno ad arco.

Come conduttore il carbonio ha i seguenti principali campi
di impiego:
 con la polvere di grafite o di nerofumo si ottengono
vernici conduttrici per schermature o per produrre
resistori a strato.
 con la grafite, il nerofumo o il coke assieme ad
agglomeranti si producono contatti striscianti, resistori
ad impasto ed elettrodi per la tecnologia dei metalli.

Il carbonio presenta un coefficiente di temperatura
negativo, la conducibilità elettrica e termica
aumentano all’aumentare della temperatura.

Il nerofumo si usa come carica conduttrice per
ottenere polimeri conduttori.

Il nerofumo è carbone amorfo in polvere ottenuto
dalla combustione incompleta di un idrocarburo
gassoso.
Viene usato come colorante o come carica conduttiva
di polimeri o di gomme.
Ne esistono molti tipi, le cui caratteristiche e la cui
purezza dipendono dal processo di produzione.


SCHEMA DI MONTAGGIO DI UNA
COPPIA DI CONTATTI STRISCIANTI
COLLETTORE
Vc
SPAZZOLE
PERDITE ELETTRICHE E MECCANICHEAL
COLLETTORE
Ai fini della determinazione delle caratteristiche dei contatti è
necessario valutare le perdite elettriche al collettore pari a:
Pc = Vc I
trascurando le perdite dovute a cattiva commutazione. Spesso si
pone convenzionalmente
Vc = 2 Volt
È inoltre necessario valutare le perdite per attrito:
Pm = m p A vp
dove  è il coefficiente di attrito, p la pressione specifica pari a
150 - 400 g/cm2 ed A l'area complessiva di tutte le spazzole.
MATERIALI UTILIZZATI PER LA
PRODUZIONE DELLE SPAZZOLE

Trascurando i contatti striscianti costituiti da metalli
liquidi o da elettroliti, di minore importanza, i materiali
più comunemente usati sono:





carbone duro.
grafite naturale.
elettrografite.
metalgrafite.
Si considerano ora i materiali elencati delineando i diversi
campi di impiego.
CARBONE DURO

Il materiale di base è costituito da carbone amorfo
ottenuto dalla distillazione del carbon fossile.

Presenta elevate cadute di tensione al contatto, sopporta
modeste densità di corrente e basse velocità periferiche.

Per le sue caratteristiche viene usato in piccole
macchine, anche a corrente alternata.

A causa della sua durezza non richiede la smicatura dei
collettori e sopporta anche commutazioni piuttosto
difficili.
GRAFITE NATURALE

La grafite naturale opportunamente agglomerata
consente di ottenere spazzole con bassa caduta di
tensione di contatto, piuttosto morbide e tali da
consentire elevate densità di corrente ed alte velocità
periferiche al collettore.

Viene impiegata per l’alimentazione degli avvolgimenti
di eccitazione delle macchine sincrone, o in macchine a
commutazione per le quali non vi siano problemi di
commutazione.
ELETTROGRAFITE

Questo materiale viene ottenuto per grafitazione del
carbone amorfo in forno elettrico a circa 2.000 oC.
Consente di ottenere contatti con una discretamente
ampia gamma di caratteristiche.

Ammette elevate densità di corrente ed alte velocità
periferiche al collettore.

La possibilità di ottenere un materiale con
caratteristiche anche sensibilmente differenziate ne
consente un impiego molto ampio, anche in macchine
dove la commutazione si presenti piuttosto critica.
METALGRAFITE

È ottenuta conglomerando insieme alla grafite polveri
metalliche (rame o bronzo). Si ottengono modeste
cadute di tensione al contatto e la possibilità di adottare
elevate densità di corrente.

Queste caratteristiche rendono il materiale inadatto
alle macchine a commutazione, mentre la durezza
relativamente elevata non ne consente l’uso per le
macchine sincrone.

Costituisce invece il materiale più adatto per le
spazzole delle macchine asincrone con rotore avvolto.
TENSIONE DI CONTATTO (Vc, DOPPIO
PASSAGGIO), DENSITÀ DI CORRENTE () E
VELOCITÀ PERIFERICA (Vp) AMMISSIBILI
DI MATERIALI PER CONTATTI
STRISCIANTI.
MATERIALE
Carbone duro
Grafite naturale
Elettrografite
Metalgrafite
Vc (volt)
2-3
1,5 - 2
1,5 - 3
0,5 - 1,5
 (A/cm2) Vp (m/s)
6-7
< 15
10
< 45
9 - 10
< 50
10 - 15
< 35
CARATTERISTICA TENSIONE DI
CONTATTO DENSITÀ DI CORRENTE
Vc (VOLT)
CARBONE
DURO
3
GRAFITE N.
ELETTROG.
2
METALG.
1
 (A/cm2)
4
8
12
16
20
PORTASPAZZOLE


Il portaspazzole costituisce un altro importante elemento per
ottenere una corretta commutazione.
Sono normalmente utilizzati i due tipi seguenti:
 Portaspazzole oscillanti solidali con le spazzole, di struttura più
semplice ma dotati di maggiore inerzia.
Portaspazzole che consentono la mobilità delle spazzole al loro interno
con il minimo di inerzia.

Qualunque sia il tipo i portaspazzole devono avere le seguenti
caratteristiche:
Robustezza in modo da evitare le vibrazioni.
Consentire la massima libertà di movimento radiale.
Separare l’elemento meccanico di pressione (molla) dall’elemento che
assicura il collegamento elettrico con le sbarre collettrici.
Minimizzare l’effetto dell’attrito fra spazzola e collettore adottando
per un unico senso di rotazione, spazzole inclinate ( a reazione)
PORTASPAZZOLE MOBILE SOLIDALE CON
LA SPAZZOLA
PORTASPAZZOLE CON SPAZZOLA MOBILE
EFFETTO DELL’ATTRITO SU UNA SPAZZOLA IN
POSIZIONE ORTOGONALE
Fn
Spazzola
Portaspazzole
Ft
Collettore
EFFETTO DELL’ATTRITO SU UNA SPAZZOLA CON
UN PORTASPAZZOLE A REAZIONE
F
a
Portaspazzole
F’t = tga Fn = Ft
Ft
Spazzola
Ft =  Fn
Collettore
Fn
F
 = tga