Qual è la differenza tra armatura e commutatore?
Se si smonta una macchina a corrente continua con spazzole fino a ridurre i componenti che determinano effettivamente il suo funzionamento o il suo malfunzionamento, l'indotto e il commutatore si trova proprio al centro. L'armatura è il punto in cui avviene la conversione di energia nel campo magnetico. Il commutatore è il trucco meccanico che mantiene la matematica fingendo che tutto sia corrente continua. Stesso albero, funzioni molto diverse.
Indice
Un modello mentale rapido
Pensa all'armatura come al regione della macchina che interagisce con il flusso e trasporta i conduttori, mentre il commutatore è solo il interfaccia che periodicamente scambia i conduttori con cui stai comunicando. L'armatura ti fornisce EMF indotto e coppia. Il commutatore ti fornisce una tensione terminale unidirezionale e correnti di spazzola utilizzabili tagliando e riorganizzando quel disordine.
La maggior parte delle schede tecniche confonde le idee utilizzando il termine generico “armatura” quando in realtà si riferiscono al gruppo “rotore”: nucleo, scanalature, avvolgimenti, albero e, sì, anche il commutatore situato a un'estremità. In senso stretto, il commutatore è geometricamente collegato all'armatura, ma concettualmente separato.
Dove si trova ciascuno nel percorso energetico
Se conosci già la storia raccontata nei libri di testo, conosci anche la catena:
Potenza meccanica dell'albero → conduttori dell'armatura che si muovono nel campo → campo elettromagnetico alternato indotto nelle bobine → commutatore e spazzole → corrente continua ai terminali o corrente continua negli avvolgimenti, a seconda che si tratti di un generatore o di un motore.
L'armatura si trova nella seconda parte della frase. È costituita dalla pila di ferro rotante e dai conduttori incorporati, che tagliano il flusso e producono (o consumano) energia elettrica. Il commutatore si trova nella quarta parte. Non produce energia. Modifica il modo in cui le tensioni e le correnti delle singole bobine si collegano al mondo esterno, in modo che il circuito esterno veda una polarità quasi costante.
Quindi la differenza non è che “uno è meccanico e l'altro è elettrico”. Entrambi sono elettromeccanici. La differenza è che l'armatura partecipa direttamente all'induzione elettromagnetica, mentre il commutatore partecipa solo all'instradamento e alla temporizzazione.
Costruzione fisica: stesso albero, logica diversa
Nella maggior parte delle macchine a corrente continua, l'armatura costituisce l'intera struttura magnetica rotante. Comprende un nucleo di ferro laminato fissato o serrato all'albero, delle fessure nella periferia e l'avvolgimento dell'armatura inserito in tali fessure. Le lamine sono fogli sottili isolati che limitano le perdite per effetti Eddy.
Il commutatore, al contrario, è un cilindro di rame segmentato sullo stesso albero, solitamente situato a un'estremità dell'armatura. È costituito da barre di rame a forma di cuneo, separate l'una dall'altra e dall'albero da mica o da un isolante simile, con ciascun segmento collegato a un'estremità (o a una coppia di estremità) di una bobina dell'armatura.
È possibile rimuovere un commutatore da un rotore e riconoscere comunque il pezzo rimanente come “un nucleo di armatura con avvolgimenti”. Rimuovendo il nucleo e le bobine ma mantenendo il commutatore e l'albero, ciò che rimane è solo un tamburo di commutazione senza nulla da commutare.
Armatura e commutatore in sintesi
Ecco un confronto sintetico, più pratico che accademico:
| Aspetto | Armatura | Commutatore |
| Scopo principale | Si trova nel campo magnetico e trasporta conduttori in modo da produrre EMF e coppia. | Inverte o ricollega periodicamente le correnti delle bobine in modo che il circuito esterno o gli avvolgimenti dell'armatura vedano una corrente prevalentemente unidirezionale. |
| Posizione | Occupa il corpo principale del rotore, correndo sotto i poli attraverso il traferro. | Si trova sullo stesso albero, solitamente a un'estremità dell'armatura, di fronte alle spazzole. |
| Di cosa è fatto | Si tratta in genere di una pila di lamierini in acciaio al silicio con avvolgimenti in rame disposti nelle fessure. | Si tratta in genere di un anello composto da segmenti di rame isolati con mica o materiale simile e fissati all'albero. |
| Ruolo diretto nelle equazioni | Appare direttamente in E = kΦω e T = kΦIₐ attraverso il collegamento di flusso e la corrente nei suoi conduttori. | È invisibile in quelle equazioni; rende valide solo le ipotesi di base sulla direzione corrente e sulla commutazione. |
| Tipo di quantità gestita | Gestisce l'EMF distribuito e la corrente nello spazio; i valori variano da bobina a bobina lungo la periferia. | Gestisce correnti e tensioni di collettore a livello terminale su singoli segmenti di rame. |
| Segni tipici di guasto | Tende a guastarsi a causa di rotture dell'isolamento, punti caldi, cortocircuiti tra le spire o bobine aperte nelle fessure. | Tende a guastarsi a causa dell'usura delle barre, delle parti piatte, dell'elevata presenza di mica, della combustione, del tracciamento o delle forti scintille delle spazzole in determinate posizioni delle barre. |
| Sostituire o riavvolgere | Di solito viene riavvolto o sostituito come gruppo rotore completo quando è gravemente danneggiato. | Spesso viene sottoposto a sottosquadro, rifacimento della superficie o, nel caso di macchine di grandi dimensioni, persino ricostruito segmento per segmento. |
| Interazione con i pennelli | Le spazzole lo toccano solo indirettamente attraverso il commutatore; il flusso reagisce con la corrente dell'armatura provocando la reazione dell'armatura. | Le spazzole premono direttamente su di esso e definiscono la zona di commutazione e la direzione della corrente in ciascuna bobina al suo passaggio. |
Sforzo progettuale: dove si svolge la vera ingegneria
Quando si progetta o si seleziona una macchina a corrente continua, non si considerano l'indotto e il commutatore con lo stesso approccio.
La progettazione dell'armatura riguarda le prestazioni elettromagnetiche. È necessario prestare attenzione alla geometria degli slot, alla densità di flusso dei denti, al materiale di laminazione, alla disposizione degli avvolgimenti, al passo delle bobine e alla distorsione del campo principale sotto carico causata dalla reazione dell'armatura. Queste scelte determinano la perdita di rame, la perdita di ferro, la saturazione, la risposta transitoria e il rumore. Inoltre, determinano il numero di bobine da collegare al commutatore.
La progettazione del commutatore riguarda la qualità della commutazione nella peggiore combinazione possibile di corrente, velocità e ambiente. In questo caso occorre prestare attenzione al numero di segmenti, alla larghezza dei segmenti rispetto alla larghezza delle spazzole, alla profondità del sottosquadro della mica, alla finitura superficiale, all'eccentricità e al comportamento nel tempo del materiale delle spazzole e della pressione delle molle. L'obiettivo è semplice sulla carta: mantenere il trasferimento di corrente tra i segmenti sufficientemente regolare da contenere gli archi e impedire che le barre si erodano più rapidamente di quanto il modello di business possa tollerare.
Quindi, ancora una volta, la differenza sta nel focus. L'armatura è dimensionata in base ai limiti magnetici e termici; il commutatore è dimensionato in base allo stress di commutazione e al contatto scorrevole.
Come la differenza si manifesta nella matematica senza essere evidente
Nel modello standard della macchina a corrente continua, l'indotto è presente ovunque. La forza elettromotrice indotta è spesso espressa come:
Eₐ = kΦω
e la coppia come:
T = kΦIₐ
dove Φ è il flusso nel traferro, ω è la velocità meccanica e Iₐ è la corrente dell'armatura. Ogni termine è legato all'azione dei conduttori dell'armatura nel campo.
Il commutatore non è esplicito in queste equazioni. È nascosto nell'ipotesi che ogni bobina dell'armatura abbia la corrente invertita proprio nel punto in cui l'asse della bobina attraversa il piano neutro, in modo che la coppia netta rimanga in una direzione e i terminali esterni vedano una tensione unidirezionale.
Se la commutazione è scadente, si scrivono comunque le stesse equazioni, ma ora si aggiungono alcuni elementi extra: reattanza di commutazione, induttanza parassita, scintille, aumento della resistenza effettiva. Quindi la “differenza” del commutatore è che risiede nei casi limite del modello piuttosto che nelle equazioni fondamentali.
Modalità di guasto: chi si guasta per primo, l'armatura o il commutatore?
Su una macchina usurata, il commutatore spesso è il primo a dare segni evidenti che possono essere notati dall'uomo. Archi elettrici visibili, scolorimento delle barre, segni irregolari lasciati dalle spazzole, odore pungente. Si tratta solitamente di un problema del commutatore o delle spazzole, anche se la causa principale risiede nel design dell'armatura o in un sovraccarico.
I guasti all'armatura sono meno evidenti finché non diventano molto evidenti. Punti caldi locali, tensioni delle barre disuguali in un test growler, degrado dell'isolamento nelle fessure o vibrazioni anomale perché una parte del rotore si è surriscaldata più delle altre. Quando il rame si è fuso, il commutatore è innocente e colpevole allo stesso tempo: ha solo commutato le correnti che l'armatura e l'utente hanno insistito nel fornire.
In questo caso la differenza è importante dal punto di vista pratico. Se si nota un'usura progressiva della barra ma le resistenze delle bobine sono ancora uniformi, si tende a trattare il commutatore e le spazzole. Se si notano irregolarità di tensione da segmento a segmento o ripetuti scarichi elettrici nella stessa posizione meccanica, si inizia a sospettare un particolare gruppo di bobine dell'armatura, non solo la finitura superficiale.
Punti di vista relativi alla produzione e alla manutenzione
Dal punto di vista della fabbrica, la costruzione di un'armatura consiste principalmente in un processo di laminazione, impilaggio, isolamento delle fessure, avvolgimento e impregnazione. L'allineamento all'albero e il bilanciamento sono fondamentali, ma i rischi principali sono i difetti di isolamento, il posizionamento del rame e l'impregnazione incompleta.
La costruzione di un commutatore è un processo di lavorazione e assemblaggio. I segmenti devono essere bloccati, isolati, pressati, torniti in modo da ottenere un cilindro preciso, sottosquadrati e talvolta controllati dinamicamente per verificare il movimento delle barre sotto l'effetto della temperatura. Si tratta di competenze piuttosto diverse.
Durante la manutenzione in officina, l'armatura viene ispezionata tenendo conto dei test elettrici e della storia termica. Si cercano cortocircuiti, interruzioni, dispersioni e bobine allentate. Il commutatore viene sottoposto innanzitutto a un controllo visivo e meccanico: controllo dell'eccentricità, profondità della mica, rugosità superficiale, traccia delle spazzole e comportamento delle scintille sotto carico.
Quindi la differenza nella vita quotidiana è semplice: gli indotti vengono testati, i commutatori vengono “osservati e ascoltati” ed entrambi finiscono per essere incolpati a seconda di chi tiene in mano il misuratore.
Idee sbagliate comuni, chiarite brevemente
Un errore comune è quello di utilizzare i termini “indotto” e “rotore” come sinonimi perfetti. In molti modelli di macchine a corrente continua, l'avvolgimento dell'indotto si trova sul rotore e i termini coincidono casualmente. In altri modelli, come alcune macchine a corrente alternata e alcune topologie specializzate a corrente continua, l'indotto può trovarsi sullo statore. In questi modelli il commutatore non si muove perché non è presente; al suo posto viene utilizzato un commutatore elettronico.
Un altro malinteso è pensare che il commutatore “crei corrente continua”. Esso non raddrizza magicamente nulla, ma semplicemente riorganizza i collegamenti delle bobine in modo che quella che era già una distribuzione alternata delle tensioni delle bobine intorno alla periferia appaia come un'uscita a polarità approssimativamente costante alle spazzole. L'indotto è il luogo in cui ha origine quella forza elettromotrice alternata.
Un malinteso meno diffuso è che un commutatore più grande implichi sempre una maggiore potenza. Spesso implica solo un numero maggiore di segmenti, che può essere determinato dal desiderio di ottenere una commutazione più fluida a un determinato livello di potenza, oppure da vincoli di tensione e velocità, non solo dalla potenza nominale.
Breve sintesi
Quindi la differenza tra armatura e commutatore non è così sottile una volta che si guarda a ciò che ciascuno di essi effettivamente “possiede”. L'armatura possiede l'interazione del flusso, l'EMF e la coppia. Il commutatore possiede la direzione della corrente, la commutazione dei segmenti e il contatto delle spazzole. Uno si trova all'interno del campo e fa sì che la fisica avvenga; l'altro si trova all'estremità dell'albero e rende la fisica utilizzabile come corrente continua. Tutto il resto sono solo abitudini di denominazione e scorciatoie di catalogo.
