Funzione del commutatore ad anello diviso in un motore elettrico

Se ti è mai capitato di fissare un semplice schema di un motore a corrente continua e pensare:, “Ok, ma cosa significa in realtà quello strano anello di rame rotto?" fare?” — Questo è per te.

Il commutatore ad anello diviso è minuscolo, ma decide silenziosamente se il tuo motore:

• continua a girare senza intoppi in una direzione, oppure
• si limita a muoversi goffamente avanti e indietro e poi rinuncia.

Alla fine di questo articolo non solo conoscerai la risposta da manuale, ma avrai anche un'immagine mentale di ciò che sta accadendo. ogni mezzo giro all'interno del motore.

• In questa guida imparerai:
  • Che cos'è fisicamente un commutatore ad anello diviso
  • Come mantiene la coppia nel stesso direzione nonostante le attuali inversioni di tendenza
  • Perché un motore a corrente continua non funziona correttamente senza di esso
  • In che cosa differisce dagli anelli di contatto nelle macchine a corrente alternata

1. Breve ripasso: come funziona un semplice motore a corrente continua

Prima di concentrarci sull'anello diviso, prepariamo il terreno.

Un motore CC di base ha:

• A bobina (armatura) di filo metallico che può ruotare
• A campo magnetico, solitamente da magneti permanenti
• A Fonte di alimentazione CC (batteria o alimentazione CC)
• Spazzole e un commutatore per far passare la corrente nella bobina rotante

Quando la corrente attraversa la bobina in un campo magnetico, ogni lato della bobina subisce una forza in direzioni opposte (grazie all'effetto motore / regola della mano sinistra di Fleming). Un lato viene spinto verso l'alto, l'altro verso il basso, quindi la bobina ruota.

Il problema: senza qualche astuto stratagemma, dopo mezzo giro le forze direzione di rotazione e la bobina oscillerebbe avanti e indietro invece di ruotare continuamente.

Quel “trucco ingegnoso” è il commutatore ad anello diviso.

• Un semplice motore a corrente continua comprende tipicamente:
  • Bobina (armatura) su un albero rotante
  • Magnete permanente (o elettromagnete di campo)
  • Alimentazione CC (batteria o fonte CC)
  • Commutatore ad anello diviso
  • Spazzole di carbone che premono sul commutatore

2. Cosa esattamente è un commutatore ad anello diviso?

Fisicamente, un commutatore ad anello diviso è:

• A anello di rame tagliato in due metà, montato sull'albero motore
• Ogni metà è collegata a un'estremità della bobina
• Due spazzole di carbone riposano su queste metà, collegate all'alimentazione CC esterna

Mentre l'albero (e la bobina) ruotano, le spazzole rimangono ferme ma toccano sempre una o l'altra metà dell'anello.

Pensalo come un selettore rotativo oppure un “invertitore di polarità” meccanico sincronizzato con la rotazione della bobina.

• Caratteristiche fisiche principali di un commutatore ad anello diviso:
  • Realizzato con segmenti di rame (due segmenti nel motore più semplice)
  • I segmenti sono isolato gli uni dagli altri
  • Fissato al albero rotore
  • Ogni segmento si collega a un estremità della bobina dell'armatura
  • Le spazzole premono sulla superficie esterna per alimentare la corrente

3. Funzione principale: inversione della corrente ogni mezzo giro

Ecco il punto cruciale:

La funzione del commutatore ad anelli divisi in un motore a corrente continua è quella di invertire la direzione della corrente nella bobina ogni mezzo giro, in modo che la coppia sulla bobina agisca sempre nella stessa direzione di rotazione, consentendo una rotazione continua. 

Esaminiamo un giro completo al rallentatore.

1. Posizione iniziale (0°):
   • Il lato AB della bobina trasporta la corrente “in avanti”, mentre il lato CD la trasporta “indietro”.
   • Nel campo magnetico, AB viene spinto verso il basso, CD viene spinto verso l'alto → la bobina inizia a ruotare.
2. Avvicinandosi a 90°:
   • La bobina si sposta verso la posizione verticale.
   • La coppia è momentaneamente ridotta quando la bobina è perfettamente verticale, ma l'inerzia la mantiene in movimento.
3. A 90° (mezzo giro):
   • La bobina è verticale.
   • Le spazzole ora attraversano gli spazi tra i segmenti del commutatore e iniziano a toccare il metà opposte.
   • Questo in modo ordinato inverte la direzione corrente nella bobina.
4. Da 90° a 180°:
   • La corrente in AB e CD si è invertita, ma anche l'orientamento della bobina.
   • Risultato: le forze su ciascun lato continuano a spingere nello stesso senso di rotazione complessivo. La direzione della coppia viene mantenuta.

Quindi, anche se la corrente si inverte, il commutatore assicura che il la coppia non. Ecco perché il motore gira senza vibrazioni.

• In parole semplici, come in un esame, l'anello diviso:
  • Inverte la corrente nella bobina dell'indotto ogni mezzo giro
  • Mantiene la coppia sulla bobina nella stessa direzione
  • Garantisce rotazione continua in una direzione
  • Mantiene un'uscita/ingresso CC ai terminali esterni (rispettivamente per generatori/motori)

4. Con o senza anello di separazione (e rispetto agli anelli di contatto)

È più facile comprenderne lo scopo confrontando diversi scenari.

Tabella comparativa

In breve:

• Anello diviso → “Invertirò la corrente della bobina al momento giusto, in modo che la coppia rimanga unidirezionale.”
• Anello di contatto → “Trasferisco semplicemente la corrente che mi dai; non sono qui per invertire la polarità.”

• Il ruolo del commutatore ad anello diviso, in sintesi:
  • Agisce come un inverter meccanico per la corrente dell'armatura
  • Sincronizza l'inversione di corrente con l'angolo del rotore (ogni mezzo giro)
  • Converte il naturale effetto “avanti e indietro” in rotazione costante
  • Fa funzionare un motore a corrente continua nel modo previsto: in modo fluido e direzionale.

5. Approfondimento: quale problema risolve l'anello diviso?

Immaginiamo di rimuovere il commutatore ad anello diviso e in qualche modo collegare la bobina direttamente all'alimentazione CC attraverso anelli di contatto.

All'inizio, le forze sui lati della bobina ne provocano la rotazione. Ma dopo aver compiuto mezzo giro:

• Il lato che prima era sotto il polo nord ora si trova sotto il polo sud.
• La direzione attuale di ciascuna parte non ha è stato capovolto (perché non c'è commutatore).
• Le forze magnetiche ora agiscono nel direzione opposta → la coppia si inverte.

Il motore agirebbe come una persona che cerca di spingere una porta. prima in avanti, poi indietro, poi in avanti, fermandosi sempre a metà. Ecco perché la bobina oscillava o si bloccava semplicemente intorno alla posizione verticale invece di ruotare.

Il commutatore ad anello diviso interviene e dice:

“Ogni volta che la bobina raggiunge quel punto intermedio scomodo, scambierò i suoi collegamenti in modo che le forze non cambino la loro direzione complessiva.”

È questa la magia. Non serve alcuna matematica avanzata, basta solo inversione di polarità tempestiva.

• Immagine concettuale da ricordare:
  • Senza commutatore → la direzione della coppia si inverte ad ogni mezzo giro → movimento oscillatorio
  • Con commutatore ad anello diviso → la corrente si inverte → la coppia rimane unidirezionale → rotazione completa
  • Nei generatori, lo stesso meccanismo agisce come un raddrizzatore meccanico per fornire corrente continua da una tensione indotta simile alla corrente alternata

6. Struttura + spazzolatura: come avviene effettivamente il contatto

Nei motori reali, il commutatore non è costituito solo da due brutti pezzi di rame. È progettato:

• Multiplo segmenti di rame sono fissati attorno all'albero.
• I segmenti sono isolati l'uno dall'altro utilizzando materiali come mica o plastica.
• Spazzole in carbonio con molla premere sulla superficie esterna e far scorrere sui segmenti mentre l'albero ruota.
• Ogni segmento è collegato a una particolare bobina dell'armatura.

In un motore CC molto semplice di livello scolastico:

• Il “commutatore” è semplicemente due semianelli di rame (l'anello diviso)
• Ogni semianello è collegato a un'estremità di una singola bobina.
• Due spazzole alimentano corrente continua in queste due metà, consentendo alla bobina di ruotare pur rimanendo collegata elettricamente.

È tutto ciò che serve: un'interfaccia rotante che scambia periodicamente quale estremità della bobina è collegata a quale terminale di alimentazione.

• Perché utilizzare spazzole e un commutatore?
  • Non è possibile torcere i fili all'infinito mentre il rotore gira.
  • È necessario un contatto scorrevole tra il fisso mondo e il rotante mondo.
  • Il commutatore e le spazzole formano quell'interfaccia e gestire l'attuale operazione di inversione.

7. Anello diviso vs anello scorrevole: come spiegare chiaramente la differenza

Si tratta di una classica trappola da esame/colloquio, quindi chiariamo bene questo punto.

• A anello diviso è:
  • Un anello di rame tagliare a pezzi (di solito due nei motori a corrente continua semplici).
  • Utilizzato come commutatore: inverte la direzione della corrente negli avvolgimenti del rotore ogni mezzo giro.
  • Comune in Motori e generatori a corrente continua.
• A anello di contatto è:
  • A anello continuo (non diviso) utilizzato solo per trasferire potenza/segnali a una parte rotante.
  • Sì, lo fa. non invertire la corrente da solo.
  • Comune in Generatori CA, motori a induzione con anelli di contatto e sistemi rotanti come le turbine eoliche.

In una riga:

Anello diviso = commutatore, inverte la corrente. Anello di contatto = connettore, trasmette la corrente.

• Facili ganci mnemonici:
  • “Divisione anello” → dividere le connessioni, invertire la corrente
  • “Scivolare anello” → lasciare passare la corrente in modo continuo
  • Divisione → Motori CC; Scivolamento → Macchine CA (principalmente)

8. Note tecniche relative al mondo reale: limiti della commutazione meccanica

I commutatori meccanici, compresi quelli a anello diviso, sono eccellenti ma non perfetti:

• Soffrono di attrito e usura dove le spazzole sfregiano sui segmenti di rame.
• Ci può essere scintille e rumore elettrico, specialmente ad alta velocità o corrente elevata.
• Hanno bisogno di manutenzione periodica e sostituzione delle spazzole.

Questo è uno dei motivi per cui molte unità moderne ora utilizzano motori CC senza spazzole (BLDC) o motori a induzione CA:

• I motori BLDC eliminano completamente il commutatore meccanico e lo sostituiscono con commutazione elettronica delle correnti nello statore.

Ma nell'ambito dell'istruzione, dei motori da laboratorio di base, dei giocattoli e dei semplici azionamenti CC, il commutatore ad anello diviso rimane ancora il modo più chiaro e tangibile per vedere come possiamo trasformare l'elettricità in un movimento rotatorio unidirezionale.

• Per ricordare il quadro generale:
  • Commutatore = “gestore di corrente” del rotore
  • Anello diviso = forma fisica più semplice di quel commutatore in un motore a corrente continua
  • Il suo compito non è solo quello di collegare, ma anche di connettersi nella giusta direzione al momento giusto

9. Breve riassunto

Il funzione del commutatore ad anello diviso in un motore elettrico (CC) è:

• Invertire la direzione della corrente nella bobina dell'armatura ogni mezzo giro.
• Mantenere la coppia sulla bobina che agisce in una direzione di rotazione costante
• Assicurarsi che il motore non oscilli semplicemente avanti e indietro, ma ruoti. continuamente
• Fornire il collegamento elettrico scorrevole tra l'alimentazione fissa e l'armatura rotante.

Se riesci a immaginare quel piccolo anello di rame che inverte la polarità della bobina come un interruttore della luce azionato con perfetto tempismo, capirai più di quanto possano mai spiegare i paragrafi dei libri di testo.