Commutatori nei motori CC per autoveicoli: alzacristalli, ventilatori e pompe

Commutatori nelle automobili raramente si guastano da un giorno all'altro; invecchiano fino a creare problemi. Negli alzacristalli, nelle ventole e nelle pompe, lo stesso rame e lo stesso carbonio decidono la sensazione di utilizzo del veicolo, la sua rumorosità e la frequenza dei rientri in garanzia. Questo articolo riguarda queste decisioni, non i diagrammi del manuale.

Perché i commutatori nelle auto sono ancora ovunque

Le auto moderne montano un numero sorprendente di motori CC spazzolati con commutatori: alzacristalli, regolatori di sedili, soffiatori, attuatori di specchietti, piccole pompe. Alcuni fornitori fanno notare apertamente che un'auto di fascia media può ospitare decine di commutatori, ciascuno legato a una funzione di comfort o di sicurezza.

Anche con l'espansione degli azionamenti brushless, i motori a spazzole rimangono interessanti nelle funzioni a 12 volt di bassa potenza perché l'elettronica è semplice, il controllo è banale e il motore è economico da imballare. Gli articoli tecnici sulle macchine in c.c. trattano ancora il commutatore come il modo standard per invertire la corrente di armatura nei motori di piccole dimensioni, anche se gli azionamenti ad alta potenza hanno fatto passi avanti.

Quindi la vera domanda per un ingegnere automobilistico non è “commutatore o non commutatore?”. È “che cosa deve fare questo piccolo anello di rame per sopravvivere in questo ruolo?”

Gli alzacristalli, i soffiatori HVAC e le piccole pompe sono buoni esempi perché hanno in comune l'alimentazione a 12 volt e la topologia di base del motore, ma i loro commutatori subiscono sollecitazioni meccaniche, termiche e ambientali molto diverse.

Stesso rame, tre lavori

La maggior parte dei commutatori automobilistici destinati a queste funzioni è costituita da modelli stampati a segmenti di rame: diverse barre di rame disposte su un mozzo di plastica, isolate con sistemi di mica o resina, fissate a un albero di acciaio e collegate agli avvolgimenti dell'armatura.

Le spazzole sono quasi sempre a base di carbonio, a volte con contenuto di rame, caricate da molle per mantenere il contatto su alcuni segmenti contemporaneamente. L'interfaccia di scorrimento è il punto in cui si verificano tutte le cose spiacevoli: archi elettrici, polvere di spazzole, riscaldamento locale, chimica con vapori e umidità. Le guide pratiche sulla durata delle spazzole non hanno peli sulla lingua: la maggior parte dei guasti dei motori CC è riconducibile a questa zona.

Ciò che differisce tra le tre applicazioni non è il disegno, ma la vita che il disegno deve vivere.

Gli alzacristalli funzionano a brevi intervalli, spesso vicino allo stallo, e a volte vengono utilizzati come “maniglie supplementari”. Le ventole funzionano per lunghi periodi a carico parziale, raramente in stallo, con un flusso d'aria che aumenta il raffreddamento ma diffonde anche polvere di carbone. Le pompe si trovano all'interno o in prossimità di fluidi e possono registrare lunghi periodi di inattività, quindi avviamenti bruschi in un'atmosfera umida e talvolta chimicamente aggressiva.

Il design del commutatore finisce per riflettere queste vite più di qualsiasi scheda tecnica di marketing.

Motorini degli alzacristalli: brevi scatti, stalli brutali

I commutatori per alzacristalli sono compatti, spesso con un diametro esterno relativamente piccolo per essere inseriti in moduli porta affollati. I produttori specializzati li descrivono come componenti su misura per i sistemi di alzacristalli elettrici, concentrandosi sul movimento controllato piuttosto che sul servizio continuo.

Il ciclo di lavoro sembra delicato sulla carta. Pochi secondi in alto, pochi secondi in basso, molto tempo libero. La realtà è diversa. Il motore viene regolarmente spinto verso arresti meccanici, schiacciato dal ghiaccio in inverno, trascinato dalle guarnizioni delle finestre che si irrigidiscono con l'età. I regolatori intelligenti limitano la corrente e rilevano il pizzicamento, ma lo fanno dopo il commutatore ha già visto l'evento di corrente elevata.

Arcing e NVH

Le ricerche condotte sui motoriduttori per alzacristalli dimostrano che il contatto tra le spazzole di carbone e il commutatore genera un rumore a banda larga che si ripercuote direttamente sulle vibrazioni dell'ingranaggio e sulla sensazione della maniglia.

Il rumore ha due componenti. Una è di tipo meccanico: lo sfregamento delle setole delle spazzole, i bordi dei segmenti, il gioco degli ingranaggi. L'altra è elettrica: rapidi passaggi di corrente sui segmenti di commutazione. Ogni microarco mal temporizzato lascia un segno sul rame, e questi segni modificano lentamente il suono del meccanismo.

Lo si può vedere sui pezzi di prova a lungo termine. I commutatori freschi presentano una finitura liscia, quasi a specchio. Dopo una lunga durata, un alzacristalli che ha visto molti eventi ad alto carico presenta tracce scure e irregolari, barre ad alta energia distinte vicino alla tipica posizione di stallo e spesso un leggero scalino dove le spazzole hanno consumato una scanalatura. Tutto ciò si ripercuote sul rumore e sull'usura delle spazzole.

Conteggio delle barre e compromesso sulla direzione

Gli alzacristalli devono funzionare in modo silenzioso in entrambe le direzioni. Sembra un'operazione di routine, ma l'angolo di trascinamento della spazzola che garantisce una commutazione pulita in una direzione non è mai perfetto nell'altra.

Un numero maggiore di barre può ridurre l'ondulazione della coppia e la tensione da barra a barra, favorendo l'arco elettrico, ma riduce anche ogni segmento. Se è troppo piccolo, si rischia di incorrere in tolleranze di fabbricazione, problemi di posizionamento delle spazzole e ponti di contaminazione. Se è troppo grande, la finestra è ruvida e gli arresti sono bruschi. Il punto di forza è specifico per l'applicazione e spesso viene individuato empiricamente, non con le equazioni ordinate nel capitolo sulla teoria del motore.

Inoltre, gli stalli ripetuti tendono a verificarsi in posizioni simili del rotore. Ciò significa che le stesse poche barre subiscono un abuso sproporzionato. In fase di smontaggio, è comune trovare due o tre barre bruciate su un commutatore altrimenti sano di un motore per finestre che i clienti lamentano essere “lento” o “rumoroso”, molto prima che le spazzole arrivino a fine vita.

Umidità e durata della porta

Gli ambienti delle porte sono umidi, sporchi e meccanicamente brutali. Percorsi d'acqua attraverso la guarnizione del vetro, condensa nella cavità della porta, sbalzi di temperatura tra il garage e la strada invernale: tutto ciò influisce sull'interfaccia spazzola-commutatore. I riferimenti generali ai motori in corrente continua evidenziano che l'umidità, la polvere e l'olio aumentano l'usura del commutatore e possono destabilizzare le pellicole delle spazzole.

In pratica, ciò si manifesta con motori che funzionano perfettamente su un banco a temperatura ambiente, ma che si comportano male all'interno della porta dopo una notte fredda. Sul commutatore si forma un sottile strato di ossido o di contaminazione che il primo movimento della giornata elimina con un arco maggiore del solito. Se le molle delle spazzole sono marginali, si verificano rimbalzi, micro-pitting e un po' più di polvere di rame nell'alloggiamento ogni volta.

Soffiatori HVAC e ventole di raffreddamento: lunghe ore a stress moderato

I motori delle ventole e dei soffiatori hanno una vita diversa. Di solito girano liberamente, raramente vanno in stallo e spesso funzionano per lunghi periodi quando il sistema di climatizzazione è attivo. Il tempo a temperatura, e non la corrente di picco, è alla base della loro progettazione.

Le guide sull'usura delle spazzole parlano di tre grandi leve: densità di corrente, condizioni della superficie e ambiente. In un motore soffiante, la densità di corrente è moderata, la superficie rimane relativamente pulita e l'aria che fluisce attraverso l'alloggiamento fornisce un po' di raffreddamento gratuito. L'attenzione si sposta quindi sulla garanzia di un film di spazzole stabile e sull'evitare schemi che causano rumori di risonanza.

Durata termica e geometria del commutatore

Poiché le soffianti trascorrono ore a carico parziale, il commutatore deve tollerare un flusso costante di riscaldamento modesto anziché brevi raffiche di riscaldamento intenso. I segmenti di rame presentano meno punti caldi estremi, ma una maggiore diffusione e ossidazione cumulativa. Il mozzo in plastica e l'isolamento in resina invecchiano a causa della temperatura più che degli urti meccanici.

Le scelte geometriche riflettono questo aspetto. Il numero di barre è spesso superiore a quello dei piccoli motori per finestre, per supportare una coppia più fluida a velocità più elevate e ridurre il rumore elettrico. I segmenti possono essere obliqui o accoppiati a slot di armatura obliqui per evitare il cogging e ridurre i picchi di ampiezza nello spettro acustico.

Alle alte velocità del ventilatore, la pista delle spazzole è in realtà un test di usura scorrevole a diverse migliaia di metri di superficie al minuto. Qualsiasi discrepanza tra il tipo di spazzola e la durezza della superficie del commutatore si manifesta rapidamente come striature, rigature o rapida perdita di diametro.

Priorità del rumore

I sistemi HVAC producono già il rumore del flusso d'aria. Il contributo acustico del motore viene quindi mascherato. D'altra parte, i clienti sentono il “tic tac” e il “lamento” proprio dietro il cruscotto, quindi le caratteristiche tonali risaltano ancora.

Il sibilo a banda larga dovuto al rumore delle spazzole è generalmente accettabile se rimane nel sottofondo della corrente d'aria. I toni distinti dovuti al passaggio delle fessure e alle irregolarità di commutazione sono meno accettabili. Ciò impone un controllo più rigoroso della rotondità del commutatore, dell'altezza del segmento e della simmetria della molla della spazzola. Il compito dell'NVH per le soffianti non è quello di essere silenziose, ma quello di essere omogenee.

Pompe: fluidi, contaminazione e sopravvivenza del commutatore

Le piccole pompe automobilistiche coprono il liquido di lavaggio, alcuni booster del liquido di raffreddamento, alcuni ruoli di alimentazione del carburante e molti dispositivi aftermarket. Molte utilizzano ancora motori a spazzole in c.c. con commutatori, anche se la tendenza, almeno per quanto riguarda l'erogazione del carburante, si sta spostando verso unità brushless per garantire efficienza, durata e migliore compatibilità con il carburante.

In questo caso, il nemico del commutatore non è solo la corrente e il calore, ma anche i fluidi e la chimica.

Pompe del carburante e motori a umido

Le discussioni tecniche sulla progettazione delle pompe del carburante evidenziano una semplice regola: il funzionamento dei motori a spazzole in c.c. immersi in alcuni carburanti, in particolare il diesel a bassa lubrificazione, può accelerare l'usura delle spazzole e del commutatore.

Il carburante può lavare via la delicata pellicola di grafite che normalmente stabilizza il contatto, lasciando il metallo più esposto. In alcuni carburanti, la scarsa lubrificazione e gli additivi si combinano con le sollecitazioni elettriche per erodere i bordi delle spazzole e bucare il rame. Se il motore non è immerso, sono le guarnizioni a farne le spese; quando perdono, il carburante raggiunge il commutatore in un modo che il progetto non aveva previsto.

Il risultato è uno scambio di progettazione. O si progetta il sistema spazzola-commutatore per operare in un ambiente semi-umido e si accetta che la chimica del carburante determini l'usura, oppure si isola il motore e si punta maggiormente sulle guarnizioni che il carburante invecchiato attaccherà lentamente.

Pompe di lavaggio e del liquido di raffreddamento

Le pompe di lavaggio e le piccole pompe del liquido di raffreddamento sono solitamente intermittenti, ma con il tempo l'acqua e la miscela di glicole riescono a penetrare negli alloggiamenti. Le riparazioni delle pompe di sentina nei forum di hobbistica danno un'immagine cruda ma onesta: alberi grippati dalla corrosione, spazzole ancora lunghe ma che hanno perso la qualità del contatto, commutatori con una macchia di ruggine pesante o sali di rame verdi vicino a una fessura dell'alloggiamento.

In questi ruoli, il design del commutatore deve prevedere una contaminazione occasionale. Barre più larghe, sottosquadri robusti e spazzole che tollerano un ambiente sporco valgono più di una minima riduzione del rumore elettrico. La pulizia e l'autolucidazione contano più della perfetta efficienza.

Anche i lunghi periodi di inattività fanno male. Una pompa può rimanere inutilizzata per mesi e poi funzionare a vuoto per pochi secondi in condizioni di gelo. Qualsiasi instabilità del film, corrosione o condensa sul commutatore viene punita in un singolo avvio ad alta corrente. Il primo avvio dopo un lungo periodo di stoccaggio è spesso l'evento di contatto più duro della vita del motore.

Una famiglia di motori, tre diverse esigenze di progettazione

Le differenze si notano affiancando i tre modelli. I numeri variano a seconda del fornitore, ma le indicazioni di progettazione sono coerenti.

La fisica sottostante è la stessa. Il commutatore risponde solo a tre diverse esigenze.

Scelte di materiali e geometrie che raramente compaiono nelle schede tecniche

I fornitori parlano di rame e materiali isolanti nel linguaggio del marketing, ma le loro note interne di progettazione sono più pratiche. Recenti panoramiche sulla struttura dei commutatori descrivono la combinazione di segmenti di rame, materiali isolanti e gusci di plastica come un gioco di equilibri tra sicurezza, conduzione di corrente, resistenza meccanica e peso.

Alcune decisioni sono molto importanti per gli attuatori automobilistici, anche quando non sono esplicitate.

Materiale del segmento e placcatura. Il rame di elevata purezza è lo standard, ma gli additivi o i trattamenti superficiali possono cambiare il modo in cui si forma la pellicola di scorrimento con una determinata spazzola e un determinato ambiente. Nei moduli per porte, ad esempio, una superficie che forma un film robusto nonostante l'umidità e i piccoli cicli di tensione vale più di un piccolo aumento di conduttività che aiuta solo a pieno carico.

Sistema di mozzi in plastica. Il mozzo deve sopportare le sollecitazioni di pressione dell'albero, le forze centrifughe del funzionamento ad alta velocità e i cicli termici dalla cabina all'interno del veicolo impregnato di calore. I commutatori automobilistici devono anche tollerare l'esposizione chimica a causa del degassamento delle plastiche, dei vapori della cavità della portiera e, occasionalmente, del carburante o del liquido di lavaggio. Il mozzo non è solo un supporto; se si muove o si incrina, l'allineamento dei segmenti e gli spazi di isolamento cambiano nel tempo.

Isolamento tra i segmenti. I documenti sull'analisi dei guasti dei commutatori parlano spesso di mica o resina degradata tra i segmenti che è diventata conduttiva o fisicamente rotta. Nel motore di una pompa, questo fenomeno può essere accelerato dall'umidità e dai contaminanti; nelle soffianti, dai cicli termici. Il risultato è una perdita da barra a barra che aumenta il rumore e riduce l'efficienza molto prima che il motore smetta di funzionare.

Disposizione delle spazzole e sistema di molle. Il piano di commutazione è un concetto familiare; gli ingegneri pratici si preoccupano anche di come invecchiano le molle, se i portaspazzole si intasano di polvere e se il movimento delle spazzole sotto le vibrazioni porta a un'accelerazione intermittente dell'usura. Lo stesso commutatore può funzionare bene o male a seconda che le molle mantengano la spazzola sul segmento con una pressione costante durante l'effettivo profilo di vita della macchina, non solo nei test di laboratorio.

Cosa rivelano i fallimenti in panchina sulla vita in auto

I tecnici esperti in riparazioni e gli ingegneri motoristi tendono a considerare i commutatori come libri di storia. Gli articoli tecnici sulle spazzole di carbone descrivono le condizioni superficiali tipiche - pellicola marrone uniforme, striature, scanalature, bruciature delle barre - e le collegano a problemi specifici di fondo.

Per le tre applicazioni qui descritte, i modelli si ripetono.

I motori per alzacristalli mostrano spesso barre nere o blu localizzate che corrispondono alle posizioni di stallo, insieme a una lunghezza complessiva delle spazzole accettabile. Se il motore è stato sottoposto a infiltrazioni d'acqua e corrosione nei cuscinetti, può essere presente un leggero modello di usura eccentrica. I clienti segnalano finestre lente o rumorose, non un guasto completo.

I motori dei soffiatori mostrano un rame uniforme e leggermente ruvido con una pellicola uniforme, ma le spazzole sono usurate fino alla fine della corsa. I disturbi tendono a presentarsi poco prima del guasto elettrico, quando la spazzola usurata diventa meccanicamente instabile e le vibrazioni aumentano.

Le pompe sono più varie. Le pompe di lavaggio a volte arrivano con commutatori che presentano un'usura normale, ma con alberi grippati o guarnizioni che perdono. Le pompe del carburante possono mostrare un'usura sorprendente delle spazzole rispetto all'età, se la qualità del carburante è scarsa. I segmenti dei commutatori con corrosione a chiazze o depositi verdi spesso rivelano che l'acqua si è introdotta in alloggiamenti che non avrebbero dovuto vederla, attraverso plastiche incrinate o guarnizioni invecchiate.

L'analisi di questi schemi nelle prime fasi del programma di un veicolo, su test accelerati piuttosto che sui resi dei clienti, consente al team di progettazione di regolare la qualità della spazzola, la forza della molla o la finitura del commutatore prima che il danno venga inserito nelle statistiche della garanzia.

Abitudini di progettazione che invecchiano bene

Partendo dal presupposto che si conoscono già il diagramma delle spazzole, i limiti di densità di corrente e la modellazione termica di base, la maggior parte delle abitudini utili relative ai commutatori in questi piccoli ruoli automobilistici riguardano l'osservazione e la riflessione sui limiti.

Nei sollevatori per finestre, trattare i casi peggiori di stallo e di avvio a bassa temperatura come casi di progettazione di prima classe, non come rari abusi. Se i banchi di prova mostrano una costante bruciatura delle barre in posizioni specifiche, è necessario esaminare sia il software (limiti di corrente, algoritmi di pinch) sia l'allineamento meccanico che potrebbe bloccare il vetro sempre nello stesso orientamento del rotore.

Per quanto riguarda le soffianti e le ventole, non bisogna solo tenere conto della potenza e dell'efficienza, ma anche del modo in cui lo spettro acustico si modifica con l'età. Un commutatore che all'inizio è silenzioso, ma che sviluppa toni con l'usura delle spazzole, indica la rotondità, la variazione dell'altezza della barra e forse una mancata corrispondenza dell'espansione termica tra mozzo e rame.

Sulle pompe, soprattutto quando i fluidi possono raggiungere il commutatore, le decisioni di progettazione devono essere basate sulla chimica reale del carburante e del fluido, non su campioni idealizzati. Le segnalazioni sul campo relative all'usura delle spazzole o alla corrosione di particolari carburanti sono solitamente riconducibili a decisioni sull'immergibilità, la tenuta e la compatibilità dei materiali prese in anticipo e poi dimenticate.

Non si tratta di un lavoro affascinante. Si tratta di tempo di laboratorio, di smontaggio di porte e di un paziente controllo incrociato delle parti di resistenza. Eppure, per pochi grammi di rame e di carbonio per motore, si può determinare l'affidabilità, la silenziosità e la prevedibilità delle funzioni automobilistiche di tutti i giorni nell'arco di un decennio.

E in un'auto piena di elettronica, quel piccolo interruttore meccanico sul rotore ha ancora una grande responsabilità.