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Note di trazione elettrica. Sistemi inconsueti o singolari

SISTEMA LINEFF A LINEA DI CONTATTO "MAGNETICA"

Da P.-H. Ledeboer in La Lumière électrique, vol. XXXVII, n. 34 del 23 agosto 1890.

Come è noto, l'Ansaldo ha sperimentato un proprio sistema di presa di corrente a linea di contatto superficiale, chiamato Tramwave, che apparve di diretta derivazione dallo Stream sperimentato nel 1998 a Trieste con esito fallimentare. Qui non ci interessiamo nè dell'uno nè dell'altro (lasciando Tramwave al suo destino che prevediamo infausto), ma vogliamo dare invece una breve descrizione di un analogo sistema, inventato nel 1888 da un certo A.L. Lineff e sperimentato ad Hammersmith presso Londra.
Chissà se i geniali inventori dell'Ansaldo non si siano ispirati appunto all'invenzione del Lineff.

Nel sistema Lineff l'alimentazione al rotabile tramviario è data da una rotaia di contatto sezionata, che è posta in comunicazione con la sorgente di alimentazione a mezzo di dispositivi elettromagnetici; solo un breve tratto alla volta di rotaia di contatto è effettivamente alimentato, quello che si trova al di sotto della vettura, mentre il circuito di ritorno è costituito dalle rotaie di corsa. Il sistema, nel suo principio, richiama i sistemi a plots Diatto e derivati, con la differenza che qui la linea di contatto è continua e non a punti come nei sistemi a plots.

In fig. 1 è indicata una disposizione per un binario per trazione elettrica col sistema Lineff: tra le due ordinarie rotaie di corsa è disposta la linea di presa di corrente, montata in un condotto (una specie di caniveau) che può trovarsi in posizione centrale come in figura od anche laterale.

Fig. 1

Fig. 2

La fig. 2 indica in dettaglio, non in scala, la disposizione dell'apparecchiatura entro il condotto; per i particolari indicati in figura valgono le seguenti osservazioni:

• A è la rotaia di contatto, che sporge di poco oltre la superficie stradale, sezionata in tratte di circa un metro di lunghezza;
• B è un ferro, una specie di rotaia senza fungo, anch'essa sezionata come la rotaia di contatto, rigidamente collegato ad A tramite i manicotti C di materiale conduttore ma non magnetico, ad es. di bronzo;
• le due rotaie A e B sono poggiate su un contenitore in materiale isolante T che corre lungo tutta la linea;
• G sono due conduttori correnti lungo tutta la linea e collegati alla sorgente di alimentazione;
• F è un nastro di ferro galvanizzato, anch'esso lungo quanto tutta la linea, che può assumere le due posizioni: di riposo F(1) poggiando sopra i due conduttori G e di lavoro F(2), staccandosi dai G ed entrando in contatto con le basi delle rotaie A e B; F può passare dalla pos. 1 alla pos. 2 per azione di un campo magnetico ottenuto dal captatore di corrente al suo passaggio sulla sezione.

Tutto l'apparato è annegato in una miscela bituminosa che riempie il condotto.

La parte caratteristica del sistema sta proprio nel nastro in ferro F: applicando un campo magnetico esterno alla rotaia A attraverso l'organo captatore di corrente, il nastro dovrebbe sollevarsi di quel tanto necessario ad entrare in contatto con T, alimentando quindi la rotaia di contatto A: il nastro si solleverebbe (il condizionale è qui d'obbligo ad ogni passo!) solo in corrispondenza del captatore, alimentando quindi la sezione di rotaia soprastante e non il resto della rotaia A. Il nastro è galvanizzato con un riporto di materiale non magnetico per evitare che rimanga aderente alla base delle rotaie per magnetismo residuo anche in assenza di campo esterno.

Il sistema si basa quindi sull'attrazione magnetica esercitata dalla base delle rotaie A, B sul nastro T. La fig. 3,a mostra schematicamente, non in scala, le due rotaie A e B viste dall'alto, indicandone i sezionamenti; i due quadrati denotati con N ed S sono i poli di un elettromagnete portato dal captatore, affacciati a distanza ridottissima dal fungo della rotaia A, l'azione magnetica dei quali portando al sollevamento del nastro F che entra in contatto con le basi delle rotaie A e B. Si sono indicate qui tre sezioni successive di A, le tratte A1, A2, A3 e corrispondentemente due tratte di B, le B1 e B2. Si vede subito che la funzione della rotaia B è solamente quella di chiudere il circuito magnetico, che nella fattispecie sarebbe N-B1-A2-B2-S (le parti rosse risp. gialle delle sezioni di rotaia indicano le polarità magnetiche che le stesse assumerebbero). La fig. 3,b dà la vista dall'alto del sistema di contatto superficiale.

a)

b)
Fig. 3

Veniamo ora al captatore di corrente che ha le due funzioni fondamentali: creare il campo magnetico necessario alla flessione del nastro di ferro e prelevare la corrente dalla rotaia A, posta sotto tensione dal nastro alzatosi.

Fig. 4

Per la prima funzione l'elettromagnete deve essere dotato di espansioni polari poste in modo tale da risultare il più possibile vicine alla rotaia di contatto, con un traferro di qualche millimetro al massimo per non introdurre una eccessiva riluttanza nel circuito magnetico; la posizione relativa di espansioni polari e rotaia di contatto deve poi restare costante in qualsiasi condizione. Il Lineff, dopo qualche tentativo più o meno infruttuoso, perviene alla disposizione di fig. 4: un carrello a due ruote, che chiameremo alla francese chariot, porta l'elettromagnete M, il nucleo del quale termina alle estremità con le espansioni polari E, la posizione delle stesse rispetto alla rotaia di contatto è garantita dai rulli P che rotolano sulla superficie della stessa. Dalla parte superiore della figura, tenendo conto della lunghezza di circa un metro di una sezione di rotaia, si può dedurre per l'interasse dello chariot un valore di 1200 mm e per l'elettromagnete una lunghezza tutto compreso di circa 1800 mm; nella figura la traccia verde indica i conduttori presenti nel caniveau, mentre la traccia bleu indica il nastro di ferro deflesso verso l'alto dall'azione magnetica. Naturalmente lo chariot deve essere portato da una parte non molleggiata del rotabile, ad esempio a mezzo di un appoggio sulle boccole; lo stesso chariot è libero di muoversi verticalmente negli attacchi H, così da appoggiarsi alla rotaia di contatto a mezzo del proprio peso. La seconda funzione, di presa di corrente, è svolta dagli stessi rulli.

A titolo di curiosità riportiamo in fig. 5 una precedente disposizione del Lineff, con uno chariot triciclo: due rulli che scorrono sulla rotaia di contatto e una ruota a flangia che si impegna in una rotaia di corsa. Qui l'elettromagnete sembra formato da un nucleo ad U interamente ricoperto di filo (¹), sulle estremità del quale sono imperniati i rulli.

Fig. 5

L'elettromagnete è alimentato da una derivazione della tensione di linea, sembra a 250 o 300 V; naturalmente, come anche nel caso di analoghi sistemi a plots, la vettura deve essere dotata di una batteria di accumulatori, mentre l'elettromagnete deve disporre di un secondo avvolgimento collegabile alla batteria, per poter mettere in moto il rotabile nei casi in cui si trovasse con il nastro di ferro in posizione di riposo.

Il sistema Lineff fu sperimentato inizialmente su un binario costruito all'interno del deposito tramviario di Chiswich (Londra), della West Metropolitan Tramway e successivamente su una breve linea tramviaria nel sobborgo londinese di Hammersmith. Nonostante le usuali entusiastiche affermazioni della stampa tecnica e non tecnica dell'epoca, che preconizzava per il sistema Lineff un glorioso futuro nella sostituzione delle "attuali indecenti reti aeree", l'esperimento di Hammersmith non dovette essere coronato da successo, se della linea si perdono rapidamente le tracce.

In realtà il sistema Lineff si presenta con una tale somma di punti deboli che non doveva essere difficile prevederne il fallimento. Ecco alcune osservazioni in proposito.

1. Il primo e più importante punto critico del sistema è localizzato proprio nella possibilità che il campo magnetico prodotto dall'elettromagnete possa azionare, sollevandolo, il nastro; qui vediamo come il Lineff, insieme a molti altri inventori, sia stato condotto a conclusioni errate dalla generale ignoranza che si aveva all'epoca, tra gli inventori più o meno dilettanti, sui fenomeni elettrici e magnetici; ci si ostinava a considerare il magnetismo qualcosa di molto simile all'elettricità e, tratti in inganno dalla formale analogia di flusso, riluttanza, forza magnetomotrice da un lato e corrente, resistenza, forza elettromotrice dall'altro, si pensava di poter agire con "correnti magnetiche" del tutto analoghe alle correnti elettriche. Nel caso in esame (fig. 6) è chiaro che la maggior parte del flusso creato dall'elettromagnete si chiuderà sul percorso a che non interessa affatto il nastro e che una ben piccola parte del flusso interesserà il percorso b e quindi il nastro; ciò a causa della sezione della rotaia A relativamente grande rispetto a quella del nastro, nonostante la presenza dei due piccoli traferri tra le sezioni contigue di rotaia. Forse il Lineff contava proprio sulla presenza di questi traferri per avere un flusso sufficiente nel nastro; oltre a ciò, i tratti sezionati della rotaia B non hanno alcuna influenza sul meccanismo e la rotaia stessa è del tutto inutile. In conclusione, il nastro poteva essere attratto e spinto contro la base delle rotaie solo con una forza magnetomotrice creata dall'elettromagnete sufficientemente elevata e con un traferro tra nastro e base delle rotaie sufficientemente piccolo.

Fig. 6

2. E' proprio quest'ultima condizione che costituisce un secondo punto debole del sistema: una corsa o traferro piccolo del nastro, ad es. di qualche millimetro, implica una estrema facilità che l'interruzione si riempia di sporcizia, umidità e detriti, col che la sezione di rotaia sovrastante resta perennemente sotto tensione. Il contatto tra nastro e basi delle rotaie, infine, con l'inevitabile formazione di ruggine tenderà a diventare sempre più incerto, dando luogo a scintille e surriscaldamento locale.

Una interessante testimonianza sul sistema Lineff ci viene da un rapporto sulla linea costruita nel deposito della West Metropolitan, rapporto redatto da Gisbert Kapp (1852-1922), elettrotecnico dell'epoca al quale si devono notevoli ricerche sulle macchine a corrente alternata (è celebre il suo diagramma per lo studio del trasformatore e delle macchine asincrone).

Il Kapp prende in esame tre aspetti del sistema: la sicurezza per le persone, per il quale garantisce che oltre i tre metri dal centro della vettura, nei due sensi, non vi è alcun pericolo di restare fulminati toccando la rotaia di contatto; il funzionamento della presa di corrente, che assicura essere ottimo in qualsiasi condizione; l'economia di esercizio, per la quale dimostra (o ritiene di dimostrare) il grande vantaggio che si ha adottando il sistema Lineff in luogo della trazione ad accumulatori. L'unico appunto che il Kapp fa al sistema è l'incertezza della presa di corrente a rulli, che darebbe luogo, in alcune condizioni, a forte scintillio; consiglia al Lineff di prevedere delle spazzole di contatto, lasciando ai rulli la sola funzione di supporto del chariot. In sostanza il Kapp promuove senza alcun dubbio l'invenzione del Lineff e ciò appare quanto meno singolare: ad un tecnico di esperienza quale era non potevano sfuggire i numerosi punti deboli del sistema, in particolare la sicurezza per le persone garantita dal buon funzionamento del dispositivo di contatto, tutto da dimostrare.

Da un commento del Ledeboer si hanno alcuni dati sull'isolamento della linea Lineff, che sembrano però ricavati con calcoli errati. Il Ledeboer arriva a considerare accettabile una resistenza di dispersione tra nastro flessibile e rotaie di corsa pari a 115 ohm/km, il che per una linea lunga solo 5 km darebbe circa 23 ohm, valore semplicemente ridicolo: con alimentazione a 250 V occorrerebbero circa 10 A solo per tenere in tensione la linea, dissipandovi 2,5 kW. Resterebbe poi da considerare la dispersione tra rotaia di contatto e terra al momento dell'alimentazione di una sezione.

Allo scopo di aumentare l'isolamento dei conduttori di alimentazione il Lineff elaborò una seconda versione del sistema, sostituendo ai due conduttori una barra opportunamente sagomata che, a causa della sua notevole rigidità verticale, potè essere appoggiata in modo discontinuo su adatti supporti isolati in bagno d'olio; c'è solo da immaginare quanto affidamento desse questo tipo di isolamento, chiuso nel caniveau, sottoposto agli effetti dell'umidità e delle variazioni di temperatura e praticamente non controllabile dall'esterno. Non è noto se questa variante sia stata applicata o no alla linea di Hammersmith.

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(¹) L'aver costruito un elettromagnete avvolgendone completamente il nucleo e non limitandosi alle parti prossime alle espansioni polari è una ulteriore dimostrazione di quanto confuse fossero le idee del costruttore sul magnetismo.

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Ultimo aggiornamento: mercoledì 06 dicembre 2023