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Alla base del funzionamento di tutti i generatori di energia si trova il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, la cui descrizione sancisce che una forza elettromotrice si induce in un circuito chiuso se attraverso la superficie delimitata da questo circuito passa un campo magnetico variabile nel tempo. Questo fenomeno è stato scoperto dal fisico e chimico inglese Michael Faraday il 29 agosto 1831.
Un classico esempio di induzione elettromagnetica è la rotazione di una cornice conduttrice nel campo magnetico di un magnete permanente. In questo caso il valore del campo magnetico è costante. Tuttavia, durante la rotazione della cornice, la sua proiezione nel campo magnetico cambia in modo costante. Si può analizzare questa situazione in modo diverso, come se la cornice si trovasse in un campo magnetico in continuo cambiamento, cosa che corrisponde alla determinazione del fenomeno di induzione elettromagnetica.
È importante notare che, per il verificarsi dell’induzione elettromagnetica, è totalmente insignificante in che modo sia organizzato il campo magnetico, il quale varia nel tempo e passa attraverso il circuito chiuso, in cui viene indotto il flusso. Nel caso analizzato precedentemente, il movimento di rotazione era stato dato all’elemento conduttore mentre lo stesso effetto può essere raggiunto posizionando il magnete rotante all'interno della cornice. Il movimento relativo dei due elementi principali sarà lo stesso.
Per l'innesco della forza elettromotrice nella cornice è necessario dare un movimento rotatorio a uno degli elementi (alla cornice conduttrice oppure al magnete). A questo scopo, vengono utilizzati i motori che lavorano con un particolare tipo di combustibile, ad esempio la benzina o l’energia del vapore. Con questo si raggiunge l’ottenimento di energia elettrica attraverso l'utilizzo dell’energia del combustibile, che inizialmente viene convertita in energia meccanica di rotazione dell'albero su cui è installato il rotore del generatore e in seguito in energia elettrica.
È possibile analizzare i principali tipi di struttura prendendo, ad esempio, i generatori di corrente a flusso alternato e a flusso continuo, come i più ampiamente usati. Nonostante una simile configurazione generale e la presenza di elementi identici, in loro è presente anche una serie di differenze fondamentali.
Gli elementi di base di un generatore di corrente alternata sono il rotore e lo statore. Il rotore è un magnete permanente o un elettromagnete, montato sull'albero del generatore, appoggiato su cuscinetti e in questo caso esso è la fonte del campo magnetico rotante. Il magnete permanente non richiede ulteriori dispositivi, mentre l’elettromagnete viene alimentato con l’adduzione di una corrente continua tramite contatti scorrevoli nell'albero. Il contatto scorrevole si forma con un anello di contatto e una spazzola scorrevole su di esso.
Intorno al rotore si trova lo statore: è un elemento fisso, di solito è posizionato sul corpo del generatore. Su di esso sono collocate delle bobine di cavi isolati in cui viene indotta la forza elettromotrice. Nel più semplice generatore trifase le bobine dello statore sono posizionate in modo equidistante l'una dall'altra, con un angolo di 1200. Esse possono collegarsi tra loro in modalità “triangolo” o “stella”. Vale la pena notare che il campo magnetico può essere generato anche dallo statore, mentre le bobine si trovano sul rotore. Tuttavia, questo schema è meno preferibile e meno frequente perché in questo caso emerge la necessità di togliere, tramite i contatti scorrevoli, un flusso di corrente dal grande valore.
La rotazione del rotore permette la rotazione del campo magnetico che induce alternativamente nelle bobine le forze elettromotrici, sfasate una rispetto all'altra. Il numero di bobine dipende da quanto il generatore alimenta il sistema di fase, a quale velocità ruota il rotore e da quale frequenza di corrente alternata è necessario ottenere. Vengono utilizzati principalmente le reti elettriche monofase e trifase con una frequenza di 50 Hz. La velocità di rotazione del rotore è di solito definita a seconda del tipo di motore che fornisce l’energia meccanica all’albero del rotore.
Un altro esempio significativo è la struttura del generatore di corrente costante. Esso ha gli stessi elementi strutturali principali di un generatore di corrente alternata, il rotore e lo statore, ma con la differenza che le bobine di innesco dell'elettromagnete vengono posizionate sullo statore, mentre le bobine in cui viene indotta la forza elettromotrice si trovano sul rotore. Il rotore viene anche chiamato ancora e le sue bobine, di conseguenza, bobine ad ancora. Un'altra differenza dei generatori di corrente continua consiste nella presenza di un collettore: due semianelli non collegati tra loro, sui quali si chiudono le bobine del rotore. La corrente viene rimossa con un semianello del collettore per mezzo di due spazzole fisse.
I poli degli elettromagneti dello statore, alimentati a corrente costante, creano un campo magnetico permanente in cui ruota il rotore. Se analizziamo la spira separata della bobina ad ancora, sul suo esempio è possibile descrivere il principio di ottenimento della corrente costante. Durante la rotazione della cornice conduttrice nei suoi conduttori si genera una forza elettromotrice, la cui direzione dipende dalla direzione del movimento del conduttore relativamente ai poli del magnete e viene determinata dalla regola della mano destra. Essendo le spazzole per la rimozione del flusso fisse e l'anello collettore diviso in segmenti separati, allora in qualunque momento e con ogni spazzola il conduttore è collegato e ha la stessa direzione di corrente.
È importante notare che la corrente costante, in realtà, non è costante ma è una serie di pulsazioni con dei valori minimi e massimi. Nel caso della rotazione della cornice conduttrice, il flusso che viene generato per un suo giro raggiungerà due volte il valore massimo e il valore zero. La corrente con una tal grande pulsazione è praticamente inutilizzabile, perciò nei generatori reali di corrente costante vengono utilizzate bobine, costituite da un gran numero di spire e l'elettromagnete con alcuni poli. In questo caso il collettore avrà una struttura più complessa e sarà composto non da semicerchi ma da una serie di placche collettrici, cosa che alla fine consentirà di ridurre notevolmente la pulsazione della corrente ottenuta.
Può essere effettuata a seconda della modalità di organizzazione del lavoro del magnete permanente del rotore:
L'uso di un magnete permanente permette totalmente di ottenere il risultato senza ulteriori dispositivi aggiuntivi, tuttavia, questo si può trovare solo in generatori di piccola potenza. Negli altri casi vengono utilizzati elettromagneti. I generatori con induzione indipendente utilizzano fonti esterne di corrente costante per il funzionamento dell'elettromagnete. Può anche essere utilizzato un raddrizzatore di corrente alternata per la creazione di quella continua. A sua volta nei generatori a corrente continua con alimentazione ad autoinduzione delle bobine avviene dal generatore stesso. Essi vengono inoltre suddivisi in generatori ad induzione parallela, consecutiva e mista, in base allo schema di collegamento delle bobine di induzione.
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