tram e trasporto pubblico a Roma

Note di trazione elettrica; sistemi inconsueti di captazione di corrente

Il sistema a contatti superficiali Griffiths-Bedell

Storia di un'invenzione, un fallimento e un mistero

Da The Electrician (genn. 1906 e genn. 1907); Tramway and Railway World (marzo 1908); un articolo di J.R. Prentice.

Retrocediamo agli inizi del secolo XX, al tempo in cui le invenzioni, non tutte felici a dire il vero, si succedevano una dopo l'altra. Nel 1902, un certo Benjamin Harry Bedell che di professione si qualificava inventore, per risolvere il problema dell'avversione delle amministrazioni comunali verso il filo aereo (avversione che, dopo essere stata dimenticata per vari decenni, è risorta oggi con rinnovata violenza) proponeva un sistema di presa di corrente da terra, sul tipo degli innumerevoli che già erano stati proposti e che lo saranno negli anni seguenti, almeno per un decennio. Il sistema Bedell si poteva classificare tra quelli a contatto superficiale discontinuo, cioè quelli nei quali la corrente è fornita al rotabile da una serie di contatti presenti sulla superficie stradale; già esisteva un esempio di un tale sistema in funzione a Parigi, il Diatto, al quale si rimproveravano però numerosi difetti che il Bedell si riprometteva, appunto, di eliminare. L'inventore si trovava un socio, probabilmente per reperire capitale, in William Griffiths, un signore che al momento commerciava in pietrami e nel 1903 i due, costituita la Griffiths-Bedell & Co. Ltd., presentavano il sistema di presa di corrente ufficialmente denominato G.B. Surface Contact System (che abbrevieremo in seguito con G.B.), una prova del quale era eseguita nel 1904 su un tratto di linea tramviaria lungo 320 metri, costruito nella cittadina di Ilford (¹) nel giardino posteriore dell'abitazione del direttore della Griffiths-Bedell, sul quale percorso circolava una vettura a due assi.

Nel novembre del 1905 una delegazione della città di Lincoln, sulla costa nord-est dell'Inghilterra, visitò l'impianto di Ilford e pare che i visitatori ne rimanessero tanto impressionati, che subito a Lincoln si iniziò la costruzione di una linea tramviaria col sistema G.B. lunga quasi 3 km, a scartamento normale e alimentazione a 500 V: incredibilmente, sembra che la linea di Lincoln, dopo qualche iniziale incertezza, funzionasse talmente bene da restare in servizio fino al 1919, ossia per ben 14 anni. Ma, ancora più incredibilmente, quando lo stesso sistema sarà adottato su una linea di Londra nel 1907, il risultato sarà talmente fallimentare da dover abbandonare l'esperimento dopo soli 23 giorni di esercizio.

Ad un esame anche superficiale il sistema G.B. mostra tanti e tali punti deboli da far concludere, a priori, che non non avrebbe dovuto mai funzionare, nè a Lincoln, nè a Londra, nè in alcuna altra parte del mondo. Ma come si spiega allora il successo dell'installazione di Lincoln, visto che un successo anche parziale dovrà pur esserci stato, se come appare certo la linea restò in esercizio per 14 anni? Ed è mai possibile che lo stesso sistema, applicato a distanza di soli due anni in altra località abbia dato un risultato assolutamente opposto? Una domanda alla quale la storia non ha ancora dato una risposta.

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Il sistema G.B. è del tipo discontinuo a contatti superficiali posti a livello della superficie stradale, al centro del binario, con i quali entra in contatto un organo di presa di corrente che, in mancanza di un nome più adatto, chiameremo slitta, anche se di slitta non avrà proprio niente; denoteremo i contatti con stud, per usare la parola inglese dell'epoca e ci riferiremo nel seguito all'impianto di Lincoln. L'intervallo tra due successivi stud dipende dalla lunghezza che è possibile dare alla slitta di presa di corrente, dal momento che la stessa deve essere sempre in contatto con almeno uno stud; nell'installazione di Lincoln era di 2,7 metri. L'alimentazione è data agli stud da un conduttore che corre sotto gli stessi e ogni stud si connette allo stesso solo quando si trova ad di sotto di una slitta; il tutto si ottiene, come in molti analoghi sistemi dell'epoca, a mezzo dell'azione magnetica esercitata su un meccanismo interno allo stud da un elettromagnete collegato alla slitta; la tensione di lavoro del sistema sarà sempre di 500 V anche perchè si pensava sempre ad un esercizio promiscuo, ad es., stud e linea aerea, con le stesse vetture.

La figura sopra riportata schematizza l'impianto: Q è il conduttore di alimentazione, una treccia in ferro galvanizzata di 30 mm di diametro appoggiata su isolatori R in forma di puleggia, fissati all'interno di un tubo di cotto P di sezione ovale di circa 12x15 cm; in corrispondenza di ogni isolatore il tubo presenta una apertura superiore, entro la quale penetra la parte inferiore di uno stud. Questo è formato da una testa superiore A in ferro, la superficie superiore della quale, di circa 6x25 cm, risulta a filo della superficie stradale e, circondata da blocchi in pietra E, è destinata a entrare in contatto con le slitte di presa di corrente dei rotabili Nella figura a fianco si possono osservare i blocchi in posizione con l'apertura per ricevere gli stud. Un nucleo laminato in ferro F, collegato alla testa A, penetra entro la parte tubolare dello stud ed all'estremo inferiore è foggiato a forchetta G; entro la forchetta, le pareti della quale sono foderate da una lastra in ottone, può scorrere verticalmente l'armatura H in ferro dolce, guidata dal perno N; in assenza di altre azioni, H è trattenuta nella parte superiore della forchetta dalla molla a spirale L e la sua estremità inferiore risulta quindi a breve distanza del conduttore di alimentazione, a 8 mm circa.

L'armatura H è la parte mobile del contatto che mette sotto tensione la testa dello stud quando, abbassandosi, venga portata a contatto del conduttore; l'abbassamento di H dovrebbe ottenersi a mezzo dell'attrazione magnetica che si manifesta tra H e Q quando un magnete venga appoggiato sulla superficie superiore della testa; il magnete, ovviamente, farà parte della slitta che costituisce l'organo di presa di corrente, così come in molti altri simili sistemi. Per garantire un contatto esente da ossidazione, la parte inferiore di H è munita di inserti in carbone K, mentre due conduttori flessibili L collegano l'armatura col nucleo F e di conseguenza con la testa dello stud. All'atto pratico, il contatto tra la superficie degli inserti di carbone e il conduttore risulterà però tanto labile, da dover chiudere i tratti liberi di quest'ultimo in guaine in ferro galvanizzato di sezione tale da offrire al contatto una superficie piana.

Veniamo ora alla slitta di presa di corrente, schematizzata nelle figure sottostanti (la fig. di destra è un particolare ingrandito dell'altra). E' costituita da un certo numero di scarpe (è la denominazione data dall'inventore a questi elementi) B in ferro di circa 6x12 cm, assicurate con viti di pressione X ad una corda metallica U mantenuta in tensione dagli attacchi D con l'aiuto delle molle Y, ottenendo una sorta di sospensione elastica della serie di scarpe; scarpe e corda sono montati in un contenitore, al di sopra del quale sono posti alcuni elettromagneti C (quattro nell'edizione originaria, poi sembra ridotti a tre); contenitore ed elettromagneti sono rigidamente collegati al telaio del rotabile. Ogni scarpa, quando non si trova sopra uno stud, assume la posizione alta che si nota nella figura a sinistra in B; le scarpe che si trovano invece sopra uno stud, in figura in numero di tre, con gli elettromagneti eccitati, sono attratte dallo stud ed entrano in contatto con la sua superficie superiore; simultaneamente il flusso magnetico che attraversa lo stud chiude (o dovrebbe chiudere...) il contatto tra la sua armatura inferiore e il conduttore. La distanza tra estremità polare degli elettromagneti e la superficie stradale sarebbe di soli 5 cm. La corrente è portata quindi dal conduttore allo stud, da questo alle scarpe e da queste, attraverso una connessione elettrica non mostrata nelle figure del brevetto ma che necessariamente deve esserci, al circuito di trazione del rotabile; le scarpe sono quindi gli elementi che chiudono il circuito tra il conduttore, gli stud e l'apparecchiatura elettrica del rotabile.

E' da osservare che, anche se non esplicitamente citato dalle fonti consultate, la parte superiore T del contenitore non può essere in ferro, dato che una parete sufficientemente spessa in materiale ferromagnetico tra elettromagneti e scarpe schermerebbe queste ultime dall'azione del campo magnetico rendendo impossibile il loro spostamento. In effetti, in una discussione sul funzionamento dell'impianto di Londra (The Electrician, l.c.) si lamenta l'alterazione per umidità della superficie superiore del dispositivo di presa di corrente.

Come in tutti i sistemi a contatti superficiali, anche il G.B. prevede un rilevatore di stud rimasti indebitamente sotto tensione dopo il passaggio della slitta, consistente in due slitte ausiliarie poste una in coda e l'altra in testa (per la marcia nella direzione opposta) al rotabile che, se in contatto con uno stud sotto tensione, danno luogo all'apertura del circuito di trazione, avvisando allo stesso tempo il personale a mezzo di una suoneria.

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Durante la marcia gli elettromagneti sono alimentati dalla corrente del circuito di trazione, ma naturalmente, come in altri sistemi di questo tipo, deve essere presente anche una batteria di accumulatori per alimentare gli stessi a rotabile fermo. La figura sottostante riporta, in modo semplificato, lo schema elettrico del circuito: la slitta alimenta il circuito di trazione (schematizzato dal motore M) attraverso i contatti c del controller e un contatto r di un contattore, la bobina R del quale è inserita tra le slitte ausiliarie f e la terra; uno stud indebitamente sotto tensione dà luogo all'eccitazione di R e all'apertura in r del circuito di trazione. Per l'alimentazione degli elettromagneti a rotabile fermo è presente la batteria di accumulatori b che può collegarsi alle bobine della slitta dall'interruttore c', che è probabilmente azionato dal controller. Infine, secondo le descrizioni del sistema, in marcia normale la caduta di tensione sulle bobine dovrebbe provvedere alla carica dell'accumulatore.

In ogni caso, il circuito non può essere stato quello semplicissimo riportato nella figura precedente, fornito dalla documentazione disponibile; sembra che all'avviamento la corrente assorbita dal circuito di trazione si aggirasse sui 60 A ed è evidente che la stessa corrente non potrebbe mai essere fornita, a rotabile fermo, da una batteria di accumulatori di dimensioni ragionevoli; è quindi probabile che, come nel sistema Diatto, gli elettromagneti fossero dotati di due avvolgimenti, l'uno di poche spire per il funzionamento normale e l'altro di un maggior numero di spire con filo di minore sezione, per l'alimentazione da batteria. Per l'impianto di Londra, che poi non ha mai funzionato regolarmente, i dati disponibili danno una corrente nelle bobine di 11 A sotto 18 V, evidentemente per l'alimentazione da accumulatori.

Sul funzionamento del sistema

Ad una analisi anche superficiale, il sistema si presenta di funzionamento quanto meno dubbio. La figura seguente schematizza, a sinistra, il circuito magnetico che dovrebbe portare alla chiusura del contatto elettrico tra stud e conduttore, dove NS è l'elettromagnete montato sulla slitta di presa di corrente; valutando in 40 cm (dal dato noto di 12 cm del diametro verticale del tubo contenente il conduttore) la distanza tra conduttore e testa dello stud, il circuito magnetico (tratteggiato nel disegno) avrebbe una lunghezza di almeno 80 cm, una buona metà del quale svolgentesi in aria o comunque in materiali non ferromagnetici. E in tali condizioni, l'intensità di campo nel traferro τ dovrebbe essere tale da dar luogo ad una forza che, vincendo l'azione antagonista della molla, portasse l'armatura a contatto con il conduttore?

Oltre a ciò, si osservi nella figura a destra una schematizzazione del dispositivo dal punto di vista magnetico: NS è un magnete dotato, ad una estremità, di una cavità di traccia a, b, c, d, che simula la parte terminale dello stud; A è un pezzo mobile, corrispondente all'armatura mobile; B è una superficie fissa che simula la superficie del conduttore. A e B sono naturalmente costituiti da materiale ferromagnetico.

In queste condizioni A è soggetto a due forze di senso opposto: l'azione F' della superficie del magnete di traccia bc e la mutua attrazione F" di A e di B conseguente alla magnetizzazione per induzione di B; su A è quindi attiva la differenza F'-F" delle due forze e solo rendendo la distanza di A dal magnete molto maggiore di quella da B l'azione risultante potrà diventare efficace per lo scopo del dispositivo. Anche per il movimento delle scarpe verso gli stud si possono ripetere considerazioni analoghe: una scarpa entrerà in contatto con uno stud solo se la sua superficie inferiore disterà dallo stesso meno di quanto la sua superficie superiore disterà dal polo dell'elettromagnete.

Durante la marcia del rotabile, le scarpe che si trovano sotto un elettromagnete eccitato strisciano sulla superficie dello stud e, superato questo, per la cessazione dell'azione magnetica, riprendono la posizione rialzata. Considerando la distanza citata di 5 cm circa (2 inch) tra superficie superiore della scarpa (estremità polare degli elettromagneti) e superficie stradale, con una valutazione approssimativa mediante i disegni del brevetto, si deduce una corsa delle scarpe di appena 6-8 mm, valore assurdamente piccolo, dato che qualsiasi asperità del selciato, una pietra staccata o altro, interferirebbe con le scarpe della slitta in passaggio tra uno stud e il successivo; d'altronde la corsa delle scarpe non può essere molto maggiore, proprio per i motivi citati in riguardo all'azione magnetica. Nel normale funzionamento le scarpe strisciano sulla superficie degli stud, ma secondo gli inventori l'usura delle stesse è tanto ridotta che garantiscono che ogni gruppo di scarpe avrà un durata da 28.000 a 32.000 vettura.km.

Ma anche l'impianto fisso non può essere esente da critiche. Tutte le parti sono montate con l'interposizione, dove occorra un giunto stagno, di bitume (le zone colorate in nero delle immagini precedenti) ed è noto che col il tempo bitume tende a cristallizzarsi producendo delle crepe; di questo i geniali inventori devono essere consci, se hanno provveduto a collegare il tubo che porta il conduttore a tubazioni di scarico afferenti a pozzetti di raccolta ed anche se ad un certo punto affermano essere inutile collegare i pozzetti alla fognatura cittadina tanto è poca l'acqua raccolta (si sarebbe dovuta aspirare mediante pompe!), nella tubazione e negli stud si trova certamente una buona umidità. E anche questo è stato certamente previsto, visto che tutti i perni di fissaggio degli isolatori di sostegno del filo sono collegati da una barra in rame collegata a terra; con ciò, come racconta il brevetto, si pretende di drenare a terra la corrente di dispersione dovuta all'umidità superficiale sugli isolatori. In corrispondenza di scambi ed incroci, per evitare il corto circuito tra rotaie di corsa e stud, nell'alimentazione di questi ultimi è inserita una resistenza; la trovata è la stessa utilizzata a Parigi per i plots Diatto, che fallì il suo scopo dato che la resistenza prendeva letteralmente fuoco al passaggio di una vettura.

Gli stud, montati a filo della superficie stradale, sono sottoposti all'azione di tutte le porcherie che riempiono le strade per il gran numero di cavalli che vi transitano ed oltre a ciò in inverno si fa largo uso di sale per evitare la formazione di ghiaccio; di conseguenza ogni stud è stabilmente in dispersione verso terra, ciò che porta alla formazione di un arco all'apertura del suo contatto, arco che seguita ad essere alimentato dalla dispersione e pone lo stud sotto tensione; nell'impianto di Londra si constaterà che questi stud restati alive, cioè attivi, saranno decine, cioè quasi tutti. Su suggerimento di un elettricista dell'epoca, W.M. Mordey, fu trovata una soluzione con una ulteriore piccola spazzola seguente il captatore, che inserisce tra quest'ultimo e lo stud un condensatore da 5-10 microfarad che, caricandosi, spegne l'arco (figuriamoci, a quei tempi, un condensatore di tale capacità per 500 V sarà stato un cubo di 20 cm di lato pesante una decina di chili).

William Morris Mordey (1856-1938) fu un eminente tecnico dell'epoca, presidente della Institution of Electrical Engineers, al quale si devono approfondite ricerche sui circuiti magnetici delle dinamo e la scoperta dell'effetto Mordey, consistente in una modifica del ciclo di isteresi nei nuclei di macchine a corrente continua al variare del carico.

W.M. Mordey; formazione e spegnimento dell'arco su uno stud.

 La figura a destra riporta come avrebbe funzionato la soluzione proposta dal Mordey per lo spegnimento dell'arco sugli stud in dispersione. In A la slitta S è sopra lo stud P attivo, R è la resistenza di dispersione a terra; in B la slitta ha lasciato lo stud, il contatto si è aperto, ma sull'apertura si è formato un arco dato dalla corrente verso terra; in C il condensatore portato dalla spazzola ausiliaria X cortocircuita l'arco, spegnendolo. Non è chiaro come poi si scarichi il condensatore: dopo due o tre stud, essendo carico non dovrebbe più avere alcun effetto sull'arco. Il Mordey condusse poi una serie di esperienze presso l'East London College di Londra miranti a chiarire i fenomeni e a trovare una sicura disposizione per correggerli.

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(¹) Ilford è una località nei pressi di Londra, un nome ben noto a chi si dilettava di fotografia (quella vera, non quella digitale), per gli innumerevoli prodotti fotografici prodotti da una ditta locale.

rev. A2 12/09/21