Armatura vs Commutatore: non confondere il motore con l'interruttore

Quando si apre per la prima volta un motore o un generatore a corrente continua, due parti sono solitamente fonte di grande confusione: l'armatura e il commutatore. Sono vicini tra loro, ruotano insieme e sono collegati tra loro, quindi si è portati a pensare che siano sostanzialmente la stessa cosa.

Non lo sono.

Se l'armatura è il muscolo della macchina, il commutatore è il cambio di cervello che mantiene quel muscolo in funzione nella giusta direzione. Mescolarli rende più difficile risolvere i problemi, progettare o anche solo parlare chiaramente delle macchine a corrente continua.

In questa guida andremo oltre le semplici nozioni di base riportate nei libri di testo e svilupperemo una comprensione approfondita e intuitiva di ciò che fa ciascuna parte, di come interagiscono tra loro e di come distinguerle immediatamente, sia in teoria che nell'hardware.

• Ne sai già qualcosa e vuoi solo una versione breve?
  • Armatura = parte con gli avvolgimenti/bobine che convertono l'energia (elettrica ↔ meccanica) nel campo magnetico. 
  • Commutatore = interruttore meccanico sull'albero che inverte o devia regolarmente la corrente in modo che la coppia o la corrente di uscita rimangano in una sola direzione. 
  • Nei motori a corrente continua: l'armatura genera la coppia; il commutatore mantiene la coppia in rotazione in una direzione costante. 
  • Nei generatori CC: l'armatura genera corrente alternata nei suoi avvolgimenti; il commutatore la “rettifica” in corrente continua per il mondo esterno. 

Panoramica generale: dove si trovano l'armatura e il commutatore in una macchina a corrente continua

Allontaniamoci un po'. A macchina a corrente continua (motore o generatore) ha due principali componenti magnetici:

• A statore (sistema di campo) che fornisce un campo magnetico.
• A rotore, solitamente chiamato il armatura nelle macchine a corrente continua, che ruota all'interno di quel campo e trasporta avvolgimenti dell'armatura. 

Il armatura è dove avviene effettivamente la conversione dell'energia:

• In un motore, l'energia elettrica nell'avvolgimento dell'armatura si trasforma in rotazione meccanica.
• In un generatore, la rotazione meccanica nell'armatura si trasforma in energia elettrica. 

Ma c'è un problema: quando l'armatura ruota attraverso il campo magnetico, la corrente indotta o richiesta nelle sue bobine naturalmente cambia direzione ogni mezzo giro. Se non trattato, ciò ci darebbe:

• Coppia inversa in un motore → si muoverebbe a scatti avanti e indietro invece di ruotare in modo fluido.
• Tensione alternata nell'armatura di un generatore CC → ma noi vogliamo corrente continua ai terminali.

Entra in gioco il commutatore: un cilindro di rame segmentato il cui unico compito è quello di capovolgere o instradare i collegamenti tra le bobine rotanti dell'armatura e il circuito esterno al momento giusto, mantenendo la coppia o la corrente di uscita unidirezionale. 

• Immagina la macchina in questo modo:
  • Campo = il “campo magnetico” (statore).
  • Armatura = il “bambino sull'altalena” che converte l'energia all'interno di quel parco giochi.
  • Commutatore + spazzole = il “sistema di sincronizzazione intelligente” che spinge o raccoglie energia nei momenti giusti affinché lo swing continui nella stessa direzione.

Che cos'è realmente un'armatura? (Non solo “alcune bobine”)

L'armatura è molto più di un semplice filo di rame. È un insieme accuratamente progettato per trasportare corrente in un campo magnetico. in modo efficiente e in modo affidabile.

In una macchina a corrente continua, l'indotto è solitamente costituito da:

• Un nucleo in ferro laminato, realizzato con sottili fogli di acciaio al silicio per ridurre le perdite per correnti parassite. 
• Slot sulla superficie per contenere gli avvolgimenti dell'armatura (bobine).
• L'albero, che trasmette la potenza meccanica e sostiene il rotore.
• A un'estremità dell'albero è montato il commutatore, che però è considerato un componente separato.

Dal punto di vista funzionale, l'armatura svolge due compiti principali:

1. Trasportare corrente nel campo magnetico
   • In un motore, la corrente negli avvolgimenti dell'armatura interagisce con il campo per produrre una coppia (tramite la forza di Lorentz). 
   • In un generatore, il movimento attraverso il campo magnetico induce un campo elettromagnetico negli avvolgimenti dell'armatura (legge di Faraday). 
2. Fornire la “zona di conversione energetica”
   • Tutta la conversione di energia elettrica ↔ meccanica avviene all'interno o in prossimità dei conduttori dell'armatura.
   • Ecco perché gli indotti sono progettati con speciali schemi di avvolgimento (avvolgimento sovrapposto, avvolgimento ondulato) e nuclei laminati per ridurre le perdite e controllare le prestazioni. 

In breve:

L'armatura è il luogo in cui avviene il fenomeno fisico, dove i campi magnetici e le correnti si incontrano per creare coppia o tensione.

• Panoramica sull'armatura (macchine a corrente continua)
  • Ubicazione: Parte rotante (rotore) nella maggior parte delle macchine a corrente continua.
  • Materiale principale: Nucleo in ferro laminato + avvolgimenti in rame.
  • Ruolo chiave nei motori: Converte l'energia elettrica in coppia meccanica. 
  • Ruolo chiave nei generatori: Induce campi elettromagnetici e fornisce energia elettrica (prima della commutazione). 
  • Tipo di corrente negli avvolgimenti: Fondamentalmente di natura CA, anche nelle macchine “CC”, poiché la direzione si inverte con la rotazione. 
  • Trucchi di progettazione: Laminazioni per ridurre le correnti parassite, diversi schemi di avvolgimento (lap/wave) per ottimizzare l'alta corrente o l'alta tensione. 

Che cos'è esattamente un commutatore? (E perché tutti lo disegnano in modo sbagliato?)

Se l'armatura è il muscolo, il commutatore è il dispositivo di commutazione meccanico che mantiene il muscolo nella stessa direzione utile.

Fisicamente, un commutatore è:

• Un tamburo cilindrico montato sull'albero.
• Costruito con molti segmenti di rame, disposti attorno all'albero come spicchi di un'arancia.
• Ogni segmento è isolato dai segmenti adiacenti con materiali come la mica (isolante sottile e resistente alle alte temperature). 
• Ogni segmento è collegato alle estremità delle bobine dell'armatura.

Le spazzole fisse (solitamente blocchi di carbonio/grafite) premono contro la superficie del commutatore e lo collegano al circuito esterno o all'alimentazione CC. Quando il rotore gira, la combinazione di segmenti rotanti e spazzole fisse cambia la polarità a cui è collegata ciascuna bobina: questo è il processo di commutazione. 

Cosa fa effettivamente il commutatore

1. Nei motori a corrente continua:
   • Inverte la direzione corrente in ciascuna bobina dell'armatura ogni mezzo giro.
   • Questa inversione mantiene costante la direzione della coppia, quindi il motore continua a girare invece di oscillare avanti e indietro. 
2. Nei generatori CC:
   • Gli avvolgimenti dell'armatura generano naturalmente corrente alternata quando tagliano il campo magnetico.
   • Il commutatore funge da raddrizzatore meccanico, invertendo i collegamenti in modo che l'uscita ai pennelli sia corrente continua unidirezionale. 
3. In entrambi i casi:
   • Costituisce l'interfaccia tra gli avvolgimenti rotanti dell'armatura e il circuito esterno fisso. 

Quindi, mentre l'armatura è il luogo in cui avviene la conversione di energia, il commutatore è ciò che rende tale conversione utilizzabile come corrente continua o coppia utilizzabile.

• Il commutatore in breve
  • Ubicazione: Sul albero, adiacente al nucleo dell'armatura, ruotando con esso.
  • Materiale principale: Rame segmentato, isolato con mica o materiale simile. 
  • Funzione primaria nei motori: Invertire la corrente negli avvolgimenti dell'armatura al momento giusto per mantenere una coppia continua. 
  • Funzione primaria nei generatori: Convertire la corrente alternata generata internamente in corrente continua ai terminali (raddrizzatore meccanico). 
  • Funziona con: Spazzole fisse che raccolgono o forniscono corrente.
  • Sintomi di guasto: Forti scintille, segmenti scheggiati o bruciati, usura irregolare, surriscaldamento eccessivo della spazzola. 

Armatura vs Commutatore: confronto diretto

Ora mettiamo tutto questo in un unico confronto ad alto contrasto a cui potrai fare riferimento.

Tabella di confronto rapido

Notate come i loro ruoli non si sovrappongano:

• L'armatura gestisce la fisica e la potenza.
• Il commutatore gestisce la temporizzazione e la direzione della corrente.

Se stai risolvendo un problema o progettando, mescolare questi ruoli rende molto più difficile capire cosa non funziona.

Mettere tutto insieme

Se dovete ricordare solo una cosa, che sia questa:

Il armatura è dove tu creare coppia o EMF; il commutatore è ciò che genera quella coppia o quella forza elettromotrice utile come corrente continua e rotazione continua.

Una volta che li vedi come un squadra — muscoli + commutazione cerebrale — tutto il resto delle macchine a corrente continua va al suo posto: problemi di commutazione, scintille, ondulazione di coppia e persino il motivo per cui i moderni motori brushless hanno eliminato il meccanico commutatore e lo ha sostituito con componenti elettronici.