Il termine alternatore indica un dispositivo che converte l'energia meccanica in energia elettrica.
I più diffusi sono gli alternatori rotanti di cui l'esempio per eccellenza è rappresentato dalla dinamo della bicicletta.
Meno conosciuti sono gli alternatori lineari, dispositivi che permettono di convertire l'energia meccanica di un moto oscillante come quello di un pistone in energia elettrica evitando il passaggio per il moto rotatorio. In questo post verranno presentati alcuni spunti per la comprensione di questo tipo di alternatori.
I magneti permanenti, volgarmente detti calamite, sono alla base del funzionamento degli alternatori ad alta efficienza.
Un magnete permanente è un corpo solido dotato di magnetizzazione propria. La magnetizzazione è una proprietà fisica dotata di direzionalità e questa caratteristica viene individuata specificando la posizione del polo nord e del polo sud del magnete.
Nella sua concezione più semplice, un alternatore lineare è costituito da una calamita che entra ed esce da una spira elettricamente conduttiva con un movimento parallelo al suo asse nord-sud.
Ai capi della spira si genera una differenza di potenziale elettrico alternante che applicata ad un circuito esterno causa la comparsa di una corrente alternata.
Se la spira viene sostituita da un avvolgimento di N spire, la differenza di potenziale ai capi dell'avvolgimento aumenterà di N volte.
Questa configurazione presenta l'inconveniente di avere, anche con le più potenti calamite presenti in commercio, una capacità di conversione estremamente bassa.
Per fare in modo che il dispositivo riesca a produrre una quantità utile di energia elettrica sono necessari alcuni accorgimenti costruttivi che permettono di fare accoppiare meglio il campo magnetico della calamita con l'avvolgimento.
In pratica vengono realizzate delle strutture in materiale magnetizzabile che fungono da convogliatori del campo magnetico e ne migliorano la concatenazione all'avvolgimento.
La prima animazione mostra un esempio di alternatore lineare con un singolo magnete permanente.
L'elemento mobile in figura è costituito da tre elementi distinti.
Due zone esterne di colore verde in materiale magnetizzabile e dal magnete permanente rappresentato dalla zona blu e dalla zona rossa.
L'avvolgimento elettrico è di colore arancione e circonda l'elemento mobile che contiene il magnete.
Il pezzo viola è in materiale magnetizzabile e chiude il percorso magnetico fra il polo nord e il polo sud del magnete quando l'elemento mobile si trova al centro della parte fissa.
Di seguito un alternatore con due magneti.
L'elemento mobile in figura è costituito da 5 elementi distinti.
Tre zone di colore verde in materiale magnetizzabile e due magneti contrapposti (Sud-Nord Nord-Sud oppure Nord-Sud Sud-Nord) separati fra loro dalla zona verde centrale.
L'animazione di seguito mostra cosa succede se invece di sdoppiare il magnete viene sdoppiato l'avvolgimento.
Naturalmente è possibile adottare anche entrambe le modifiche contemporaneamente.
Presentiamo ora una configurazione meno ovvia delle precedenti in cui sono fissi sia i magneti sia l'avvolgimento.
In questo caso il magnete è all'esterno dell'avvolgimento e in figura viene mostrato con una forma ad anello, ma può essere sostituito con una serie di magneti più piccoli di qualunque forma.
L'elemento mobile è rappresentato da un singolo blocco di materiale magnetizzabile.
Anche qui il percorso magnetico è chiuso quando il corpo mobile si trova al centro dell'avvolgimento.
Sdoppiando l'elemento magnetizzabile nel corpo mobile si ottiene la configurazione che segue.
In questa animazione il corpo mobile è costituito da due pezzi di materiale magnetizzabile separati da una zona bianca che rappresenta materiale non magnetizzabile.
L'animazione di seguito mostra cosa accade se invece di sdoppiare il materiale magnetizzabile del corpo mobile viene sdoppiato l'avvolgimento.
Anche in questo caso è possibile adottare entrambe le modifiche contemporaneamente.
La possibilità di impiegare un generatore lineare per la conversione dell'energia meccanica di un pistone in energia elettrica dipende fortemente dalla sua frequenza di pulsazione. Maggiore è la frequenza, cioè quanto più rapido è il suo movimento, maggiori sono le possibilità di estrarre energia elettrica tramite dispositivi con ingombro e costi sostenibili.
Negli episodi precedenti è stato presentato il motore di Manson con rigenerazione termica in versione free piston.
In un futuro post forse vedremo che con una simulazione numerica della dinamica è possibile fare una stima approssimativa della frequenza di pulsazione, ma la certezza passa necessariamente attraverso la costruzione di un prototipo.
I più diffusi sono gli alternatori rotanti di cui l'esempio per eccellenza è rappresentato dalla dinamo della bicicletta.
Meno conosciuti sono gli alternatori lineari, dispositivi che permettono di convertire l'energia meccanica di un moto oscillante come quello di un pistone in energia elettrica evitando il passaggio per il moto rotatorio. In questo post verranno presentati alcuni spunti per la comprensione di questo tipo di alternatori.
I magneti permanenti, volgarmente detti calamite, sono alla base del funzionamento degli alternatori ad alta efficienza.
Un magnete permanente è un corpo solido dotato di magnetizzazione propria. La magnetizzazione è una proprietà fisica dotata di direzionalità e questa caratteristica viene individuata specificando la posizione del polo nord e del polo sud del magnete.
Nella sua concezione più semplice, un alternatore lineare è costituito da una calamita che entra ed esce da una spira elettricamente conduttiva con un movimento parallelo al suo asse nord-sud.
Ai capi della spira si genera una differenza di potenziale elettrico alternante che applicata ad un circuito esterno causa la comparsa di una corrente alternata.
Se la spira viene sostituita da un avvolgimento di N spire, la differenza di potenziale ai capi dell'avvolgimento aumenterà di N volte.
Questa configurazione presenta l'inconveniente di avere, anche con le più potenti calamite presenti in commercio, una capacità di conversione estremamente bassa.
Per fare in modo che il dispositivo riesca a produrre una quantità utile di energia elettrica sono necessari alcuni accorgimenti costruttivi che permettono di fare accoppiare meglio il campo magnetico della calamita con l'avvolgimento.
In pratica vengono realizzate delle strutture in materiale magnetizzabile che fungono da convogliatori del campo magnetico e ne migliorano la concatenazione all'avvolgimento.
La prima animazione mostra un esempio di alternatore lineare con un singolo magnete permanente.
L'elemento mobile in figura è costituito da tre elementi distinti.
Due zone esterne di colore verde in materiale magnetizzabile e dal magnete permanente rappresentato dalla zona blu e dalla zona rossa.
L'avvolgimento elettrico è di colore arancione e circonda l'elemento mobile che contiene il magnete.
Il pezzo viola è in materiale magnetizzabile e chiude il percorso magnetico fra il polo nord e il polo sud del magnete quando l'elemento mobile si trova al centro della parte fissa.
Di seguito un alternatore con due magneti.
L'elemento mobile in figura è costituito da 5 elementi distinti.
Tre zone di colore verde in materiale magnetizzabile e due magneti contrapposti (Sud-Nord Nord-Sud oppure Nord-Sud Sud-Nord) separati fra loro dalla zona verde centrale.
L'animazione di seguito mostra cosa succede se invece di sdoppiare il magnete viene sdoppiato l'avvolgimento.
Naturalmente è possibile adottare anche entrambe le modifiche contemporaneamente.
Presentiamo ora una configurazione meno ovvia delle precedenti in cui sono fissi sia i magneti sia l'avvolgimento.
In questo caso il magnete è all'esterno dell'avvolgimento e in figura viene mostrato con una forma ad anello, ma può essere sostituito con una serie di magneti più piccoli di qualunque forma.
L'elemento mobile è rappresentato da un singolo blocco di materiale magnetizzabile.
Anche qui il percorso magnetico è chiuso quando il corpo mobile si trova al centro dell'avvolgimento.
Sdoppiando l'elemento magnetizzabile nel corpo mobile si ottiene la configurazione che segue.
In questa animazione il corpo mobile è costituito da due pezzi di materiale magnetizzabile separati da una zona bianca che rappresenta materiale non magnetizzabile.
L'animazione di seguito mostra cosa accade se invece di sdoppiare il materiale magnetizzabile del corpo mobile viene sdoppiato l'avvolgimento.
Anche in questo caso è possibile adottare entrambe le modifiche contemporaneamente.
La possibilità di impiegare un generatore lineare per la conversione dell'energia meccanica di un pistone in energia elettrica dipende fortemente dalla sua frequenza di pulsazione. Maggiore è la frequenza, cioè quanto più rapido è il suo movimento, maggiori sono le possibilità di estrarre energia elettrica tramite dispositivi con ingombro e costi sostenibili.
Negli episodi precedenti è stato presentato il motore di Manson con rigenerazione termica in versione free piston.
In un futuro post forse vedremo che con una simulazione numerica della dinamica è possibile fare una stima approssimativa della frequenza di pulsazione, ma la certezza passa necessariamente attraverso la costruzione di un prototipo.
un motore stirling a gas con generatore è prodotto dalla viessmann vitotwin, mentre ho sentito di una azienda austriaca che ha realizzato una cosa analoga con i pellet.
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