Tipi di motori a commutatore
Se conosci già le schede tecniche e gli standard, la scelta tra i tipi di motori a commutatore si riduce a tre domande: quale forma di coppia ti serve, quanto è instabile la tua alimentazione e quanto sei disposto a tollerare la manutenzione delle spazzole. Tutto il resto riguarda principalmente dettagli di implementazione e argomenti relativi ai costi relativi a questi tre aspetti.
Indice
La vera differenza: motori a corrente continua contro motori a corrente alternata con commutatore
La maggior parte delle discussioni sul “tipo di motore a commutatore” si perdono nella tassonomia storica. Dal punto di vista della progettazione o della selezione, è possibile partire in modo molto più diretto: il vostro commutatore seduto in una macchina a corrente continua, o lo stai costringendo a sopravvivere anche con la corrente alternata.
Sul lato CC si trovano motori a spazzole in serie, shunt, composti e a magneti permanenti, con varianti a eccitazione separata quando qualcuno desidera un banco di prova con manopole. Sul lato CA, nel lavoro moderno si incontrano solo quattro famiglie: motori universali, motori a repulsione, motori a repulsione-induzione e una nicchia in contrazione di macchine a commutatore trifase.
Una volta accettata questa distinzione, il termine “tipo” diventa sinonimo di tre cose: come viene prodotto e collegato il campo, come reagisce la velocità al carico e quanto è tollerante il commutatore quando lo si maltratta con transitori e sporcizia.
Tipi di motori a corrente continua con commutatore così come si presentano effettivamente
I libri di testo elencano separatamente eccitati, autoeccitati, shunt, serie, composti cumulativi, composti differenziali e magneti permanenti. Nei progetti reali, la maggior parte degli ingegneri si trova a gestire solo tre profili e due casi limite.
Il motore a corrente continua in serie è uno strumento poco preciso. Il campo e l'armatura condividono la stessa corrente, quindi la coppia a bassa velocità è forte e la velocità a carico leggero tende ad aumentare se non viene controllata. Ciò lo rende adatto per requisiti di avviamento ad alto impatto in cui è possibile impedire meccanicamente la velocità eccessiva, ma molto scomodo in qualsiasi situazione in cui un carico guasto potrebbe scollegare l'albero. Quando qualcuno dice “motore CC ad alta coppia di avviamento” senza specificare ulteriori dettagli, spesso si riferisce a questo tipo di motore e di solito pensa a gru, paranchi o retrofit di trazione.
Il motore CC in derivazione svolge il ruolo opposto. La corrente di campo è per lo più fissata dall'alimentazione, la corrente dell'indotto oscilla con il carico, la velocità rimane pressoché invariata se si rimane entro i limiti termici. Questo è noioso nel miglior modo possibile: azionamenti a velocità costante, ventilatori e pompe in impianti più vecchi, banchi di prova dove è sufficiente una regolazione di pochi punti percentuali e nessuno vuole pagare per sofisticati azionamenti elettronici. Il suo punto debole è la coppia di avviamento; se il carico richiede una forte accelerazione da zero, è necessario sovradimensionare il telaio o scegliere un tipo diverso.
I motori CC composti si collocano tra questi due tipi e sono quelli più spesso specificati in modo errato. Essi combinano avvolgimenti in serie e in derivazione, che si rinforzano a vicenda (cumulativi) o si oppongono (differenziali). Le macchine compatte cumulative offrono un regime di funzionamento normale simile a quello in derivazione con una spinta supplementare a bassa velocità, che spesso è tutto ciò che serve per trasportatori, presse e azionamenti industriali per uso generico. Le macchine compound differenziali sembrano interessanti sulla carta, ma diventano instabili in molti regimi e raramente sopravvivono al contatto con specificatori conservatori.
I motori CC a magneti permanenti comprimono il circuito di campo nei magneti. Ciò elimina il rame, elimina le perdite di campo e garantisce una coppia costante, una velocità costante e pochissimo da compensare. Ottimo quando si desidera compattezza ed efficienza e si è soddisfatti di controllare la velocità con l'elettronica o una semplice variazione della tensione dell'armatura. Molto meno flessibile quando si desiderano trucchi di indebolimento del campo per un intervallo di velocità esteso.
I motori a eccitazione separata continuano ad essere utilizzati quando si desidera la struttura meccanica semplice e lineare di una macchina CC a spazzole, ma con la libertà tipica dei laboratori in termini di campo e armatura. Si pensi ai banchi di prova, alle attrezzature didattiche o alle installazioni che hanno visto la luce prima dell'avvento dell'elettronica di potenza e che vengono mantenute in funzione perché funzionano ancora e nessuno vuole toccarle.
Se avete letto tutto questo e avete pensato “si tratta solo di quattro curve di coppia-velocità con manopole diverse”, avete letto correttamente.
Tipi di motori a commutatore CA: quando la rete non è favorevole
Con la corrente alternata, il commutatore è sottoposto a sollecitazioni maggiori, il che, ironicamente, riduce il numero di tipi disponibili. La maggior parte dei prodotti di consumo moderni che utilizzano ancora spazzole si sono orientati verso un unico tipo: il motore universale. Si tratta essenzialmente di una macchina a commutatore con avvolgimento in serie progettata per funzionare in modo accettabile sia con corrente alternata che continua, con campo e armatura che si invertono insieme ad ogni semiciclo in modo che la coppia rimanga nella stessa direzione. La sua gamma di frequenze è ristretta, ma questo va bene per trapani, miscelatori e aspirapolvere alimentati dalla rete elettrica. Alta velocità, buona coppia di avviamento, pessimo comportamento acustico e durata limitata a pieno carico.
I motori a repulsione sono ormai una specie industriale storica e di nicchia. Utilizzano uno statore con campo CA monofase e un rotore con commutatore e spazzole in cortocircuito, funzionando in modo simile a un trasformatore con correnti del rotore sfalsate. Il vantaggio è una coppia di avviamento elevata con un fattore di potenza discreto rispetto ai primi motori a induzione. Lo svantaggio è la complessità, i problemi di regolazione delle spazzole e l'incompatibilità con le moderne aspettative di bassa manutenzione.
I motori a repulsione-induzione combinano un rotore a repulsione con una gabbia a induzione. Il comportamento all'avvio è simile a quello di un motore a repulsione; una volta raggiunta una velocità quasi sincrona, la gabbia prende il sopravvento e la macchina si comporta più come un motore a induzione. Questa combinazione ha offerto ai progettisti più anziani un modo per ottenere sia un avvio potente che un'efficienza di funzionamento accettabile da linee monofase prima che i motori azionati da inverter diventassero lo standard.
I motori trifase a commutatore sono presenti nei documenti dell'industria pesante e in alcuni macchinari obsoleti. Si tratta essenzialmente di macchine a induzione o sincroniche a rotore avvolto con commutatori che forniscono una resistenza variabile o un controllo EMF nel circuito del rotore. Offrivano un controllo della velocità fluido e ad ampio raggio da alimentatori a frequenza costante. Il prezzo da pagare è la complessità meccanica e la manutenzione che pochi impianti moderni accettano ora che gli azionamenti elettronici possono eseguire trucchi elettrici simili senza spazzole.
Visione comparativa: dove ogni tipo tende ad avere senso
Le solite guide online classificano ogni tipo in una piccola casella. È più utile confrontarli in base ai criteri che determinano effettivamente la scelta: alimentazione, comportamento della coppia, esigenze di controllo e problemi che il commutatore può causare nel corso degli anni.
| Tipo di motore | Fornitura e disposizione sul campo | Fascia di valutazione tipica | Comportamento della coppia e della velocità nell'uso reale | Approccio di controllo solitamente scelto | Rumore, interferenze elettromagnetiche e tendenza alla manutenzione | Modelli di utilizzo comuni oggi |
| Serie DC | DC, campo in serie con l'armatura | Da piccole unità di trazione fino a grandi gru | Coppia di avviamento elevata, aumento repentino della velocità al diminuire del carico; rischio di accelerazione incontrollata in caso di perdita del carico sull'albero | Controllo semplice della tensione più limiti meccanici, o reostati tradizionali; talvolta abbinati a chopper elettronici rudimentali in retrofit. | Elevata usura delle spazzole in caso di ripetuti avviamenti a carico elevato; notevoli scintille se la commutazione non viene mantenuta entro la corrente nominale; rumore udibile delle spazzole. | Vecchie gru, paranchi, conversioni di trazione, banchi di prova dove la meccanica è già progettata intorno a questa curva |
| Shunt CC | DC, campo in parallelo con l'armatura | Telai industriali di piccole e medie dimensioni | Caratteristiche di velocità-coppia ragionevolmente piatte nell'intervallo normale, coppia di avviamento modesta | Controllo della tensione dell'armatura o regolatori di base a circuito chiuso; indebolimento del campo per un leggero superamento della velocità quando necessario | Le spazzole funzionano in modo relativamente delicato se l'ondulazione di corrente è controllata; le interferenze elettromagnetiche sono accettabili se il cablaggio e la soppressione sono eseguiti correttamente. | Azionamenti industriali tradizionali, piccole macchine utensili, pompe e ventilatori di vecchia generazione, impianti didattici |
| DC composto cumulativo | DC, rinforzo degli avvolgimenti in serie e in derivazione | Dimensioni industriali medie | Tra serie e shunt: coppia di avviamento migliorata con una stabilità di velocità superiore rispetto alla serie pura | Controllori tradizionali a più stadi o moderni azionamenti CC che utilizzano sia il controllo dell'armatura che quello del campo | Sistema di campo più complesso da mantenere; per il resto simile allo shunt o alla serie a seconda del carico | Trasportatori, presse, applicazioni di laminazione che mantengono ancora in servizio vecchi impianti a corrente continua |
| Motore a corrente continua a magneti permanenti | DC, campo da magneti permanenti | Da pochi kilowatt fino a qualche kilowatt, talvolta anche di più in telai specializzati | Coppia lineare costante, velocità proporzionale alla tensione meno le cadute; nessun indebolimento del campo a meno che non si accetti il rischio di smagnetizzazione. | Semplice controllo della tensione dell'armatura PWM con feedback; facile da integrare in dispositivi elettronici a basso costo | Nessun guasto al rame o sul campo, ma i magneti sono sensibili al calore e all'uso improprio; le spazzole continuano a usurarsi. | Piccoli azionamenti, robotica, attuatori, utensili compatti dove la tecnologia a commutatore è ancora accettabile |
| Motore universale | CA o CC, avvolgimento in serie efficace per CA | Progetti prevalentemente sub-kilowatt e ad alta velocità | Velocità di base molto elevata, coppia di avviamento elevata, velocità che diminuisce con il carico; può essere pericoloso a vuoto se non vincolato | Spesso non controllato, tranne che per i semplici regolatori di fase; feedback solo negli apparecchi di qualità superiore. | Elevato rumore acustico e usura delle spazzole; EMI sostanziale senza componenti di soppressione adeguati | Utensili manuali, elettrodomestici, piccole macchine dove il peso e le dimensioni contano più della durata o del rumore |
| Motore a repulsione | Corrente alternata monofase, campo statore con commutatore rotore e spazzole cortocircuitate | Principalmente motori di media potenza più vecchi | Coppia di avviamento molto elevata e fattore di potenza ragionevole, velocità più vicina a quella sincrona | Cambio marce meccanico con spazzola per il controllo nelle installazioni più vecchie; usato raramente nei nuovi modelli | La regolazione delle spazzole e del commutatore è fondamentale; manutenzione più complessa rispetto ai motori a induzione. | Installazioni monofase legacy, alcune applicazioni specializzate mantenute per motivi di compatibilità |
| Motore a induzione a repulsione | Alternata monofase, rotore a repulsione con gabbia a induzione incorporata | Simile ai motori a repulsione | Buona coppia di avviamento, poi transizione verso un funzionamento simile all'induzione con velocità più stabile | Funzionamento prevalentemente a velocità fissa con comandi semplici, basato sulle caratteristiche intrinseche | Leggermente meno impegnativo per le spazzole in funzionamento continuo rispetto ai tipi a repulsione pura; comunque non a bassa manutenzione | Macchinari più vecchi che richiedono sia un avvio potente che un funzionamento stabile con alimentazione monofase |
| Motore trifase a commutatore | Corrente alternata trifase con circuiti a rotore commutato | Macchine industriali di medie e grandi dimensioni | Controllo della velocità ad ampio intervallo con coppia o potenza quasi costanti, a seconda della configurazione del circuito del rotore | Regolazione meccanica o elettromeccanica della resistenza del rotore o della forza elettromotrice; oggi spesso sostituita da azionamenti elettronici. | Sistemi commutatori complessi, modalità di guasto più elevate, requisiti di manutenzione più elevati rispetto ai motori a induzione a gabbia. | Unità pesanti legacy la cui sostituzione è costosa o limitata dai requisiti di processo |
La tabella non è accademica. Riflette semplicemente il modo in cui gli ingegneri e i manutentori parlano di queste macchine quando si parla di soldi e tempi di inattività.
Come avviene realmente la selezione nei progetti
Una volta che qualcuno ha dichiarato “useremo un motore a commutatore” invece di una macchina a induzione o brushless, il resto viene solitamente deciso da tre vincoli: l'alimentazione, il profilo di coppia e l'atteggiamento nei confronti della manutenzione.
Se la vostra alimentazione è solo monofase e avete bisogno di una coppia di avviamento elevata con comandi semplici, la storia vi spinge verso motori universali o motori più vecchi della famiglia a repulsione. I primi dominano gli utensili domestici e leggeri perché sono economici e compatti, anche se rumorosi e soggetti a rapida usura. I secondi persistono solo dove le sostituzioni sono difficili o gli standard sono congelati.
Se disponete già di un'infrastruttura CC, la scelta tra serie, shunt, composto e magnete permanente tende a seguire la forma della curva di coppia del carico. Picchi elevati e funzionamento intermittente spesso portano alla scelta di serie o composto cumulativo. Coppia piatta e funzionamento costante prolungato favoriscono lo shunt o il magnete permanente, con lo shunt utilizzato quando si desidera robustezza termica e il PM quando le dimensioni e l'efficienza sono più importanti della flessibilità.
Le aspettative relative al controllo della velocità sono molto più importanti di quanto molti introducono ammettano. Quando il requisito è “circa questa velocità, con una tolleranza di qualche punto percentuale”, è sufficiente una macchina a corrente continua shunt o composta con un semplice regolatore. Quando è necessario un ampio intervallo di velocità e una regolazione fine, ma si insiste comunque sull'uso di un commutatore, si preferiscono configurazioni a eccitazione separata perché consentono di intervenire indipendentemente sul campo e sull'indotto senza dover riprogettare il telaio della macchina.
La filosofia di manutenzione elimina silenziosamente le opzioni. Gli impianti che mirano a un intervento di routine minimo evitano completamente i motori a commutatore CA e li mantengono solo finché una retrofit è più complicata della manutenzione continua delle spazzole. Gli impianti che accettano ancora una manutenzione manuale regolare, spesso perché gli operatori sono comunque presenti in loco 24 ore su 24, sono quelli in cui rimangono macchine a commutatore complesse.
Fattori meno evidenti: rumore, interferenze elettromagnetiche e conformità
Gli standard e la conformità non tengono conto dell'eleganza della curva coppia-velocità. Si concentrano invece sulle emissioni condotte e irradiate, sui margini di sicurezza e sul comportamento termico. I motori a commutatore sono naturalmente rumorosi dal punto di vista elettrico perché la commutazione avviene meccanicamente sul rotore, con imperfezioni geometriche e usura che aggiungono variabilità.
I motori universali, in particolare, necessitano di reti di soppressione, pratiche di schermatura e talvolta spazzole speciali per mantenere i limiti EMC interni sugli apparecchi moderni. Ciò aggiunge componenti, volume e calore, motivo per cui i modelli brushless compatti hanno conquistato gran parte della loro quota di mercato iniziale.
Nelle macchine a corrente continua, la scelta del tipo di spazzole, il design dei segmenti del commutatore e il raffreddamento influiscono sul comportamento prevedibile del motore durante tutta la sua vita utile. Un design che sembra valido su un banco di prova nuovo può diventare problematico dopo migliaia di ore se le spazzole si vetrificano, la mica si solleva o il percorso di raffreddamento si intasa. Non si tratta solo di problemi di manutenzione, ma influiscono anche sull'idoneità di un tipo per i nuovi progetti nei settori regolamentati.
C'è anche l'aspetto della sicurezza legato alla velocità eccessiva. I motori in serie CC e i motori universali possono accelerare rapidamente in caso di perdita del carico meccanico. Questo rischio non scompare semplicemente specificando correttamente la targhetta; è necessaria una protezione meccanica o elettronica e talvolta influisce sulla valutazione degli auditor in merito all'idoneità del tipo in determinate applicazioni.
Coesistenza con i moderni azionamenti
Data la diffusione dei motori a induzione alimentati da inverter e delle macchine brushless, la domanda ovvia è: perché si parla ancora dei motori a commutatore?.
A volte si tratta semplicemente di eredità. Una vecchia gru o linea di produzione progettata intorno alla forma della coppia e alla risposta di una macchina CC in serie può funzionare in modo accettabile per decenni, con un regime di manutenzione noto e pezzi di ricambio disponibili. Una riprogettazione completa con induzione e inverter è sensata nel lungo termine, ma costosa nel breve termine, quindi la macchina a commutatore rimane, magari abbinata a un moderno azionamento CC invece che a reostati.
A volte si tratta della densità di potenza di picco in piccoli utensili di consumo, dove i motori universali offrono ancora un modo semplice per ottenere un'elevata velocità dell'albero da una semplice alimentazione rettificata o controllata in fase. In questi casi, l'architettura del prodotto circostante presuppone già che la sostituzione delle spazzole sia accettabile o che la durata del prodotto sia breve.
Esistono anche schemi ibridi: l'uso di motori a commutatore come azionamenti ausiliari in sistemi altrimenti azionati da convertitori elettronici, o in ambienti in cui le interferenze elettromagnetiche derivanti dalla commutazione ad alta frequenza sono più difficili da gestire rispetto al rumore delle spazzole.
Note conclusive
Se si ignorano le denominazioni storiche e le lunghe tassonomie, i “tipi” di motori a commutatore sono semplicemente risposte diverse a tre domande: come alimentare il campo, come accettare il comportamento coppia-velocità risultante e quanta attenzione si è disposti a prestare alle spazzole e al commutatore nel tempo.
Una volta date risposte sincere a queste domande, la lista dei candidati finali di solito si compila da sola. Il resto dello sforzo non va dedicato a discutere su lavagna bianca se sia meglio una serie o uno shunt, ma ad assicurarsi che il tipo scelto sia effettivamente adatto all'ambiente elettrico, meccanico e normativo in cui verrà inserito.
