Un motore monofase ha un commutatore?

Di solito no. Se si considerano i motori monofase che azionano ventilatori, pompe, soffianti e compressori, si tratta quasi sempre di macchine a induzione con rotore a gabbia di scoiattolo e senza commutatore affatto. Le eccezioni sono specifici motori monofase “di tipo commutatore” come quelli universali, in serie CA e a repulsione.

Cosa intendono realmente la maggior parte delle persone con “motore monofase”

Sul posto, quando qualcuno dice “sostituisci quel motore monofase”, di solito intende un motore a induzione monofase a 220-240 V CA. Avviamento con condensatore, funzionamento con condensatore, divisione permanente, polo schermato: diversi trucchi di avviamento, stessa idea di base: statore sulla rete elettrica, rotore come gabbia chiusa, nessuna spazzola. Il rotore non necessita mai di un collegamento elettrico diretto all'alimentazione, quindi il commutatore non ha alcuna funzione.

Storicamente, questo è il modello che ha sostituito le precedenti macchine a commutatore, una volta che gli ingegneri hanno imparato a costruire un motore a induzione monofase senza commutatore pratico, economico e robusto.

Quindi, se la tua domanda è in realtà: “Un tipico motore a induzione monofase ha un commutatore?”, la risposta onesta e noiosa è semplicemente no.

Ma “motore monofase” è un'espressione poco chiara.

La frase stessa è imprecisa. Si riferisce all'alimentazione, non alla costruzione. Non appena si passa dalle domande d'esame all'hardware reale, “motore monofase” può significare almeno quattro famiglie diverse:

Un motore a induzione monofase alimentato da corrente alternata. Un motore universale alimentato da corrente alternata monofase o corrente continua rettificata. Un motore a repulsione o a repulsione-induzione, anch'esso alimentato da corrente alternata monofase. Un motore a corrente continua collegato a un raddrizzatore, anch'esso alimentato da una linea monofase.

Solo gli ultimi tre si appoggiano su un commutatore. Non è il termine “monofase” a determinarlo, bensì il design del rotore.

Se lo tieni bene a mente, sia i trucchi per gli esami che le schede tecniche dei prodotti saranno più facili da leggere.

Immagine mentale veloce: cosa fa realmente il commutatore

Il commutatore è un interruttore rotante. Segmenti di rame sull'albero. Spazzole che premono su tali segmenti. Quando il rotore gira, i collegamenti delle bobine dell'armatura vengono scambiati in modo che la coppia rimanga approssimativamente in una direzione, invece di oscillare avanti e indietro con la polarità della linea.

Questa funzione è fondamentale nei motori a corrente continua e nei motori universali. Consente alla corrente del rotore di mantenere il corretto rapporto di fase con il campo dello statore anche quando l'alimentazione inverte la polarità ogni mezzo ciclo. Senza questo accorgimento si otterrebbero solo vibrazioni e calore. O un fermacarte molto paziente che ronza.

In un normale motore a induzione, la corrente del rotore viene ottenuta per induzione, non tramite contatti scorrevoli, quindi si “esternalizza” quel lavoro difficile alle leggi dell'elettromagnetismo. Non è necessario alcun commutatore.

Dove i motori monofase hanno effettivamente un commutatore

Ci sono alcuni casi ben definiti in cui la risposta diventa sì.

Innanzitutto, il motore universale. Dal punto di vista elettrico, si tratta di un motore CC in serie costruito con ferro laminato e progettato per funzionare sia con corrente alternata che continua. Gli avvolgimenti dello statore e del rotore sono in serie e il rotore utilizza un commutatore in modo che, quando l'alimentazione si inverte, sia il campo che l'armatura si invertono insieme. La coppia netta non si inverte, quindi continua a girare nella stessa direzione.

Si tratta dei motori presenti nei trapani portatili, in molti aspirapolvere, nei piccoli elettrodomestici da cucina e in molti utensili economici e rumorosi. Elevata velocità, coppia di avviamento elevata, struttura compatta e commutatore soggetto a usura.

In secondo luogo, la famiglia dei motori a repulsione e induzione-repulsione. Lo statore assomiglia a uno statore a induzione monofase. Il rotore assomiglia a un'armatura CC con un commutatore e spazzole, ma le spazzole sono cortocircuitate tra loro anziché collegate all'alimentazione. Le correnti indotte nel rotore che ne risultano creano una coppia grazie alla repulsione tra i sistemi polari dello statore e del rotore.

Alcune versioni utilizzano il commutatore solo durante l'avvio, quindi cortocircuitano tutti i segmenti o sollevano le spazzole, lasciando che la macchina funzioni come un normale motore a induzione una volta raggiunta la velocità.

Quindi, se vedete un telaio motore monofase con spazzole e un commutatore sull'albero, quasi certamente si tratta di uno di quei modelli con commutatore, non di un'unità standard con avviamento a condensatore.

Un semplice confronto

Ecco un modo sintetico per tenere a mente le varianti quando ti trovi di fronte a una scheda tecnica confusa o a un motore impolverato su un banco di lavoro.

Una volta classificato il motore in una di queste categorie, la questione del commutatore trova quasi da sola una risposta.

Perché i tipi a induzione evitano intenzionalmente i commutatori

I progettisti evitano i commutatori ogni volta che possono. Le ragioni sono banali ma convincenti.

I commutatori e le spazzole causano usura, polvere di carbonio, perdite di contatto scorrevole e scintille. Aggiungono fasi di lavorazione, fasi di assemblaggio e istruzioni di manutenzione.

I rotori a induzione sono costituiti solo da barre e anelli terminali, solitamente in alluminio o rame fuso. Non presentano segmenti isolati né spazzole. Il rotore è meccanicamente più semplice e più facile da bilanciare. Ecco perché i motori a poli schermati di piccole dimensioni e i motori a condensatore di dimensioni più consistenti sono diventati lo standard per gli azionamenti monofase “ordinari”.

Quindi, quando qualcuno chiede: “Potremmo usare un commutatore qui?”, la domanda silenziosa che segue è: “Cosa guadagniamo che giustifichi il costo?”.”

Quando un motore monofase a commutatore ha davvero senso

Non è solo la nostalgia a mantenere in uso i motori universali e a repulsione. Essi risolvono infatti in modo ragionevolmente efficace una serie specifica di problemi.

I motori universali offrono una coppia di avviamento elevata e una velocità molto alta in un formato leggero e compatto su una semplice linea CA. È esattamente ciò che si desidera in un trapano portatile. Si desidera una coppia elevata fin dall'avvio e si preferisce lasciare che la velocità diminuisca sotto carico piuttosto che spendere soldi per un inverter. Il rumore è accettabile. La sostituzione delle spazzole è accettabile. Il commutatore si guadagna il suo posto lì.

I motori a repulsione e a induzione di repulsione sono più che altro una risposta storica alla domanda: “Come ottenere una coppia di avviamento elevata in monofase prima di disporre di condensatori economici e di grandi dimensioni e di azionamenti a stato solido?”. Svolgevano tale funzione utilizzando la geometria del commutatore e delle spazzole per modellare le correnti del rotore durante l'avviamento. Successivamente, i progettisti hanno potuto cortocircuitare il commutatore una volta che la macchina era in funzione e lasciare che il rotore si comportasse più come una gabbia.

Nei cataloghi moderni se ne vedono meno, sostituiti da soluzioni con avviamento a condensatore e azionamento elettronico, ma vale comunque la pena comprenderne il principio, perché gli impianti vecchi non si aggiornano da soli.

Come capire a colpo d'occhio se il tuo motore monofase ha un commutatore

In panchina o in campo, spesso non servono strumenti. Bastano gli occhi e le orecchie.

Se il telaio presenta portaspazzole, tappi di accesso o un'apertura molto evidente intorno alla linea dell'albero dove è possibile effettuare la manutenzione delle spazzole, questo è un indizio significativo. Se attraverso una presa d'aria vicino all'albero sono visibili segmenti di rame, si tratta di un commutatore. Se il produttore lo definisce “universale”, “serie CA”, “repulsione” o “repulsione-induzione” direttamente sulla targhetta o nella documentazione, la risposta è già chiara.

Al contrario, se il telaio è liscio con solo una scatola terminale o un cavo volante, senza spazzole, e sulla targhetta è indicato “shaded-pole”, "capacitor-start", "capacitor-run" o semplicemente "motore a induzione monofase", si può presumere che all'interno non sia presente alcun commutatore.

Il rumore è un altro indizio. I motori universali tendono ad avere un ronzio più acuto e ad alta frequenza e un rumore delle spazzole più udibile. I motori a induzione a 50/60 Hz producono un ronzio più basso, oltre al rumore meccanico della ventola e dei cuscinetti.

Alcuni casi limite sottili

A volte capita di imbattersi in un motore che sembra un semplice motore a induzione monofase, ma il sistema di azionamento davanti ad esso complica le cose.

Un esempio è un motore a corrente continua alimentato da un raddrizzatore monofase e un chopper. Dal punto di vista dell'alimentazione si tratta di un “carico motore monofase”. Dal punto di vista costruttivo è ovviamente una macchina a corrente continua e, se a spazzole, utilizzerà un commutatore.

Un altro esempio è un motore a induzione con avviamento a repulsione, in cui i segmenti del commutatore vengono cortocircuitati o le spazzole vengono sollevate una volta raggiunta la velocità. Se lo si apre a riposo, si vedrà un commutatore. Se si modella il suo comportamento di funzionamento in condizioni di stabilità, lo si tratterà in modo molto simile a un rotore a induzione a gabbia. Entrambe le descrizioni sono corrette, ciascuna nei propri limiti.

Ecco perché il modo più sicuro per rispondere alla domanda iniziale è sempre: di quale motore monofase specifico stiamo parlando?

Risposte brevi e dirette alle varianti più comuni della domanda

Quindi, la sintesi onesta è semplice ma leggermente imbarazzante: la maggior parte dei motori monofase di uso quotidiano non ha un commutatore. Alcuni motori monofase specializzati lo hanno invece. Non è il termine “monofase” a determinarlo, ma la struttura del rotore e il metodo di produzione della coppia.