Quale dispositivo elettromagnetico utilizza spazzole e un commutatore?
Risposta breve: la risposta classica all'esame è il generatore di corrente continua, ma nell'hardware reale si incontra un'intera famiglia di macchine a corrente continua - generatori e motori - che vivono o muoiono grazie alla coppia di spazzole e al commutatore.
Indice
La chiave dell'esame contro il banco di laboratorio
Se avete familiarità con i quiz e i libri sui test di ammissione, lo schema è quasi prevedibile. La domanda elenca “altoparlante, generatore CC, relè, solenoide” e la risposta indica chiaramente “generatore CC”.
Dal punto di vista di un progettista di macchine, questa visione è un po' limitata. L'anello di rame segmentato e le spazzole di carbone non sono fedeli solo alla generazione. Si tratta dello schema di commutazione meccanica standard per le macchine rotanti a corrente continua: dinamo e molti motori a corrente continua, nonché motori universali presenti in apparecchi come i vecchi aspirapolvere.
Quindi, se stai rispondendo a una domanda a scelta multipla, cerchi “generatore CC” e vai avanti. Quando ti trovi davanti a una macchina reale senza coperture, dici: questa è una macchina CC a spazzole, che può essere configurata come generatore o motore, e il commutatore e le spazzole sono ciò che la fa funzionare come CC ai terminali.
Perché esistono le spazzole e il commutatore
Conosci già Faraday, il flusso, il campo elettromagnetico indotto e l'intera struttura formale. Non c'è bisogno di ripeterlo. La parte più interessante qui è il vincolo. Vuoi un'armatura rotante con conduttori che tagliano le linee del campo magnetico mentre il circuito esterno vede la corrente in una sola direzione.
Il commutatore è un raddrizzatore meccanico montato sull'albero. Divide l'avvolgimento dell'indotto in segmenti e inverte ogni mezzo giro il segmento collegato al circuito esterno. Le spazzole sono semplici contatti scorrevoli, spesso in carbonio, che rimangono fissi nel telaio e premono sul commutatore per far passare la corrente.
Tutto il resto della macchina esiste affinché questa configurazione non si distrugga troppo rapidamente: geometria del piano neutro, rigidità delle molle delle spazzole, finitura superficiale del rame, raffreddamento, accesso per la sostituzione. La teoria elettromagnetica è quasi la parte più facile rispetto al far funzionare per anni quei pochi millimetri quadrati di contatto scorrevole.
Generatore CC: il dispositivo classico con spazzole e commutatore
Se qualcuno chiede “quale dispositivo elettromagnetico utilizza spazzole e un commutatore?” nello stile di un test di fisica, di solito sta pensando al generatore di corrente continua. Immagina un anello di filo che ruota tra i poli, un commutatore ad anello diviso, e due spazzole collegate a un carico. Quell'immagine domina ancora oggi i diagrammi di molti appunti scolastici.
In questa modalità, il commutatore campiona la forza elettromotrice alternata indotta nelle bobine rotanti e inverte i collegamenti in modo che i terminali di uscita vedano sempre la stessa polarità. Si tratta di un raddrizzatore azionato direttamente dall'albero, non dai diodi. Le spazzole non svolgono alcuna funzione particolare: si limitano a rimanere nella posizione corretta, a entrare in contatto con il segmento giusto al momento giusto e a cercare di non bruciarsi a causa della corrente e delle vibrazioni.
Il punto chiave che spesso viene tralasciato: il generatore non “sa” di essere un generatore. È una macchina a corrente continua azionata meccanicamente. Invertite i ruoli e, con lo stesso commutatore e le stesse spazzole, otterrete un motore.
Motore a corrente continua: stessi componenti, prospettiva diversa
In un motore CC a spazzole, il commutatore continua a invertire i collegamenti ogni mezzo giro, ma ora l'obiettivo è quello di mantenere la coppia elettromagnetica approssimativamente nella stessa direzione di rotazione del rotore. Le spazzole alimentano la corrente dell'armatura dalla fonte di alimentazione esterna alle bobine giuste nella posizione angolare corretta.
La maggior parte delle note introduttive sui motori menzionano brevemente il commutatore e poi dedicano la maggior parte del tempo alla regola della mano sinistra di Fleming. Tuttavia, l'interfaccia commutatore-spazzola è solitamente il punto in cui si manifestano i problemi sul campo: scintille sotto carico, usura irregolare, rumore, reazione dell'armatura che costringe a spostare leggermente le spazzole dalla posizione geometrica neutra.
Quindi, anche se l'esame potrebbe indicare come risposta “generatore CC”, molte persone entrano in contatto per la prima volta con le spazzole e il commutatore all'interno dei motori CC presenti in utensili, giocattoli e piccoli elettrodomestici. Stesso principio, diversa direzione del flusso di energia.
Cosa ha spazzole e un commutatore — e cosa no
La principale fonte di confusione deriva dal fatto che nella stessa domanda vengono mescolati dispositivi elettromagnetici ordinari e macchine a corrente continua rotanti. Altoparlanti, relè e solenoidi utilizzano tutti bobine e campi magnetici, ma non hanno bisogno di invertire le correnti mediante rotazione, quindi non hanno commutatori.
È utile disporre i dispositivi principali uno accanto all'altro.
| Dispositivo | Usa i pennelli? | Utilizza un commutatore? | Uso tipico | Come riconoscerlo rapidamente |
| Generatore CC (dinamo) | Sì | Sì | Sistemi di alimentazione CC, caricabatterie e banchi di prova di vecchia generazione | Macchina cilindrica, campana terminale pesante, grande anello commutatore in rame |
| Motore CC a spazzole | Sì | Sì | Strumenti, giocattoli, azionamenti, attuatori | Due spazzole fisse, arcuate sotto carico, segmenti distinti del commutatore |
| Motore universale | Sì | Sì | Trapani, miscelatori, aspirapolvere alimentati dalla rete elettrica | Telaio piccolo, alta velocità, spazzole, commutatore, campo in serie |
| Altoparlante | No | No | Uscita audio | Bobina mobile in un'apertura, senza segmenti rotanti in rame |
| Relè elettromagnetico | No | No | Circuiti di commutazione | Bobina più contatti mobili, ma senza armatura rotante |
| Solenoide | No | No | Azionamento lineare | Pistone che entra ed esce da una bobina |
| Motore a induzione | Nessuna spazzola* | No | Azionamenti industriali, ventilatori, pompe | Rotore a gabbia di scoiattolo, anelli di contatto assenti nella versione standard |
| Motore CC senza spazzole | No | No | Azionamenti con controllo elettronico | Magneti permanenti sul rotore, solo commutazione elettronica |
*I motori a induzione con anelli di contatto utilizzano effettivamente anelli e spazzole, ma si tratta di anelli continui, non di commutatori, e la loro funzione è diversa.
Una volta che si osserva tale disposizione, la risposta a scelta multipla non risulta più misteriosa. Tra “altoparlante, generatore CC, relè, solenoide”, solo una macchina dispone di un rotore che necessita di un'inversione di corrente temporizzata.
La realtà della manutenzione: quando la questione diventa improvvisamente pratica
Le spazzole e i commutatori non sono solo elementi scenografici degli esami. Si usurano, generano archi elettrici e polvere di carbonio. Quando la superficie si scanalata o vetrificata, il contatto diventa irregolare, aumenta il riscaldamento locale e il motore o il generatore iniziano a emettere rumori e a produrre una coppia irregolare.
Un manuale di manutenzione solitamente richiede di controllare: la lunghezza delle spazzole rispetto a un valore minimo, la pressione delle molle, l'allineamento nei supporti e le condizioni della superficie del commutatore. La pulizia potrebbe richiedere un solvente specifico e un panno privo di pelucchi; la riparazione della superficie potrebbe comportare il taglio della mica tra i segmenti o la tornitura del commutatore in un tornio.
Nulla di tutto ciò emerge da una domanda di fisica di una sola riga. Eppure è tutto implicito, una volta che si sa che quei due contatti scorrevoli e quell'anello stanno effettuando una commutazione ad alta corrente ad alta velocità, in un campo magnetico che non è mai perfettamente simmetrico.
Perché molte nuove macchine evitano silenziosamente spazzole e commutatori
I progetti moderni spesso abbandonano completamente i commutatori. I motori a induzione, le macchine sincrone e i motori CC senza spazzole utilizzano alimentazione CA o commutazione elettronica, in modo che nessun contatto elettrico scorrevole debba trasportare grandi correnti durante la commutazione di polarità.
La logica è semplice. Eliminando le spazzole e il commutatore, si eliminano le perdite dovute alla caduta delle spazzole, l'usura meccanica, la polvere delle spazzole e i limiti di tensione e densità di corrente che derivano dal contatto con archi elettrici. Si migliora anche l'affidabilità in ambienti sigillati o pericolosi dove le scintille potrebbero rappresentare un problema.
Tuttavia, gli esami e molti corsi introduttivi continuano a basarsi sul generatore e sul motore a corrente continua con spazzole perché rendono molto evidente l'inversione di polarità. È possibile indicare letteralmente il rame, le spazzole, e dire: è qui che cambia la direzione. Questa concretezza mantiene la vecchia macchina nel programma di studi anche se l'industria va avanti.
Allora, cosa dovresti rispondere in realtà?
Se qualcuno ti pone la domanda esattamente come è scritta — “Quale dispositivo elettromagnetico utilizza spazzole e un commutatore?” — tu rispondi “un generatore di corrente continua” e accetti il punteggio. È così che la formulano i comuni banchi di domande.
Se scrivi o parli al di fuori di quel formato ristretto, dici qualcosa di leggermente più ricco: le macchine a corrente continua che si basano sulla commutazione meccanica, principalmente generatori a corrente continua e motori a corrente continua con spazzole, utilizzano spazzole e un commutatore per gestire la corrente tra il circuito fisso e l'armatura rotante. Questa affermazione corrisponde a ciò che si vede effettivamente quando si apre l'involucro, non solo a ciò che appare nella chiave di risposta.
