Come funziona un commutatore in un motore a corrente continua? 

Se ti è mai capitato di fissare lo schema di un motore a corrente continua e pensare:, “Ok, ma cosa fa realmente quella barra di rame?” — Questo è per te.

La maggior parte degli articoli dice: “A commutatore inverte la corrente ogni mezzo giro in modo che il motore continui a girare.” È vero... ma è come dire che “I polmoni ti aiutano a respirare” e fermarsi lì. In questa guida vedremo cos'è il commutatore, quale problema risolve e cosa succede nelle bobine millisecondo dopo millisecondo — in modo tale da poter visualizzare.

Daremo anche uno sguardo a problemi ingegneristici reali come le scintille, la reazione dell'armatura e come i progettisti li risolvono.

• TL;DR — La risposta in 10 secondi
  • Un motore a corrente continua ha una bobina (indotto) in un campo magnetico.
  • La corrente nella bobina crea forze che cercano di torcerla (coppia). 
  • Ad ogni mezzo giro, la bobina “reagirebbe” naturalmente e invertirebbe la coppia, a meno che non si inverta anche la corrente.
  • Il commutatore è un interruttore rotante in rame sull'albero che, insieme a quello fisso spazzole, capovolge automaticamente il lato della bobina collegato a + e – ogni mezzo giro. 
  • Questo mantiene la coppia nel stessa direzione, in modo che il rotore non si blocchi né vibri, ma continui semplicemente a girare.

1. Breve ripasso: cosa fa effettivamente un motore a corrente continua

Fondamentalmente, un motore a corrente continua è semplicemente un conduttore che trasporta corrente in un campo magnetico. Secondo la forza di Lorentz, un conduttore con corrente (I) in un campo magnetico (B) subisce una forza laterale e, se tale conduttore fa parte di un circuito, tali forze diventano una coppia che tende a ruotare il circuito. 

All'interno di un tipico motore CC a spazzole sono presenti:

• A statore che fornisce il campo magnetico (magneti permanenti o avvolgimenti di campo).
• A rotore/indotto che trasporta la corrente e ruota effettivamente.
• A commutatore + spazzole che fungono da interruttore di inversione automatico, sincronizzato con la posizione del rotore. 

La magia sta nel fatto che il rotore non ha mai alcuna possibilità per spingere all'indietro — il commutatore “ribalta la situazione” proprio al momento giusto.

• Le parti principali del motore in un colpo d'occhio
  • Statore – parte fissa, contiene i magneti/avvolgimenti di campo che creano il campo magnetico principale. 
  • Rotore (Armatura) – nucleo rotante in ferro con avvolgimenti in rame; è qui che viene prodotta la coppia.
  • Commutatore – Anello di rame segmentato sull'albero del rotore; collega le bobine dell'armatura al mondo esterno e inverte la corrente nei momenti opportuni. 
  • Pennelli – blocchi conduttivi fissi (grafite/carbonio o rame) che premono sul commutatore, trasportando la corrente in entrata e in uscita. 

2. Il commutatore: il “commutatore rotante” meccanico del motore”

Il commutatore è letteralmente un interruttore meccanico avvolto attorno all'albero.

È costruito come un anello cilindrico composto da numerosi segmenti di rame, ogni segmento è isolato dagli altri (e dall'albero) da sottili strati di mica. Ogni segmento è collegato all'estremità di una bobina dell'armatura. 

Mentre il rotore gira, spazzole fisse sedersi su questo cilindro come scarpe su un tapis roulant. Non si muovono attorno all'albero; il commutatore scivola sotto di loro. Scegliendo dove quei segmenti sono divisi e come sono collegati alle bobine, ci assicuriamo che la bobina che sta per superare la “zona morta” ha i collegamenti invertiti — il segno più e il segno meno cambiano effettivamente di lato.

• Cosa rende un commutatore... un commutatore?
  • Anello segmentato in rame: barre di rame multiple a forma di cuneo che formano un cilindro sull'albero. 
  • Isolamento: mica o materiale simile tra i segmenti e tra l'anello e l'albero, in modo che i segmenti non entrino in corto circuito tra loro. 
  • Collegamento alle bobine: ogni segmento è collegato a un'estremità di una bobina dell'armatura; lo schema dei collegamenti determina il modo in cui la corrente fluisce attraverso gli avvolgimenti. 
  • Contatto scorrevole con spazzole: le spazzole vengono premute con una forza elastica accuratamente regolata per mantenere il contatto ma limitare l'usura e le scintille. 

3. Il vero problema risolto dal commutatore

Immaginate un semplice motore a ciclo singolo: una bobina rettangolare posizionata tra due poli magnetici.

Quando un lato della bobina si trova sotto il polo nord e l'altro sotto il polo sud, le forze sui due lati spingono in direzioni opposte, creando una coppia che fa ruotare la bobina. Ottimo. Ma ora immaginate che la bobina abbia ruotato. mezza rivoluzione (180°).

• Senza toccare i collegamenti, la direzione della corrente nella bobina rispetto al campo rimane invariata.
• Ma la bobina è orientamento è invertito.
• Ciò significa che le forze su ciascun lato sarebbero direzione opposta — la tua “spinta” diventa una “trazione” e il motore cercherebbe di andare all'indietro o si bloccherebbe.

Per evitare ciò, vogliamo che il corrente nella bobina per capovolgersi esattamente quando la bobina ha ruotato di 180°. Se invertiamo la corrente nello stesso momento in cui la bobina cambia posizione, le forze continuano a puntare nella direzione stessa direzione fisica, e la coppia continua ad aiutare la rotazione invece di contrastarla. 

Questo è esattamente il compito di sincronizzazione svolto dal commutatore e dalle spazzole.

• Senza e con un commutatore
  • Senza:
    • La bobina supera i 90°... la coppia diminuisce.
    • A 180°, le forze si invertono e cercano di spingere indietro il rotore.
    • Risultato: oscillazione o stallo, non rotazione continua. 
  • Con un commutatore:
    • Proprio quando la coppia sta per invertirsi, i collegamenti vengono scambiati.
    • La corrente nella bobina si inverte; le direzioni della forza magnetica rimangono utili.
    • Risultato: coppia fluida e unidirezionale e rotazione continua. 

4. Un giro completo: cosa fa il commutatore ad ogni angolo

Esaminiamo un giro completo di un motore CC molto semplice con un commutatore ad anello diviso in due segmenti.

Supponiamo che:

• Due spazzole: una collegata al +, l'altra al –.
• Una bobina rettangolare, le cui estremità sono collegate alle due metà in rame del commutatore.

Posizioni del rotore rispetto all'azione del commutatore

In realtà, le macchine a corrente continua utilizzano molti segmenti e molte bobine, quindi la coppia è molto più regolare rispetto a quanto mostra questa immagine molto semplificata. 

• Come immaginarlo nella tua mente (senza bisogno di diagrammi)
  • Immagina la bobina come un rettangolo: lato sinistro e lato destro.
  • A 0°, il lato sinistro è sotto il polo nord, il lato destro sotto il polo sud. La corrente entra dal lato sinistro ed esce dal lato destro:
    • Il lato sinistro è spinto giù, il lato destro è spinto su → coppia in senso orario.
  • Quando la bobina raggiunge verticale (90°), è perpendicolare al campo, quindi le forze diminuiscono: questo è un punto naturale di “coppia zero”.
  • A quasi 180°, la bobina cercherebbe ora di produrre una coppia nella direzione opposta...
    • Ma Poco prima, i segmenti del commutatore scambiano le spazzole: ciò che prima era collegato a + ora è su –, e viceversa. 
  • Questo capovolgimento significa che la direzione della corrente nella bobina si inverte, quindi le forze continuano ad agire nella direzione di rotazione originale.

Prova questo: disegna un rettangolo, segna la direzione attuale sui lati, quindi ruota il foglio e capovolgi le frecce attuali quando la bobina passa in posizione “verticale”. Questo è fondamentalmente ciò che fa meccanicamente il commutatore.

5. Ingrandimento: l'intervallo di commutazione e la scintilla

L'azione davvero interessante avviene durante il brevissimo intervallo di tempo in cui un pennello è collegando due segmenti del commutatore contemporaneamente.

In quell'istante:

• La bobina collegata tra questi due segmenti è effettivamente cortocircuitato con il pennello.
• La corrente in quella bobina deve invertirsi da +I a –I durante questo breve “periodo di commutazione”. 
• Poiché la bobina ha induttanza, essa non piace cambiamenti improvvisi nella corrente, quindi il proprio EMF indotto può contrastare l'inversione.

Se la corrente non si inverte completamente nel momento in cui il segmento lascia la spazzola, otteniamo sottocomutazione — la vecchia direzione della corrente è ancora parzialmente presente. Questo disallineamento produce scintillante all'interfaccia spazzola-commutatore, riscalda il rame e lo consuma. 

Una buona progettazione del commutatore e il corretto posizionamento delle spazzole cercano di garantire che:

• La bobina commuta quando è vicina al asse neutro magnetico (dove il flusso netto è minimo), quindi l'EMF indotto e la variazione di corrente richiesta sono minori. 
• La tempistica del contatto meccanico è in linea con la necessità elettrica di inversione.

• Fattori che rendono più difficile la commutazione (e causano scintille)
  • Corrente elevata e induttanza nella bobina → maggiore energia per capovolgere, maggiore campo elettromagnetico indotto che resiste al cambiamento. 
  • Piano neutro magnetico spostato a causa della reazione dell'armatura (il campo dell'armatura distorce il campo principale). 
  • Posizione errata della spazzola (non allineato con l'asse neutro al carico operativo).
  • Scarsa pressione di contatto della spazzola – troppo leggero: contatto instabile e scintille; troppo pesante: usura eccessiva e surriscaldamento. 
  • Superficie del commutatore sporca o ruvida, rendendo il trasferimento di corrente irregolare.

6. Come i progettisti aiutano il commutatore a svolgere il proprio lavoro

Man mano che le macchine a corrente continua diventavano più grandi e più pesanti, gli ingegneri dovevano ingegnarsi per mantenere sotto controllo la commutazione.

Usano diversi trucchi:

1. Interpoli (poli commutanti) Piccoli poli ausiliari posizionati tra i poli principali, alimentati in modo da creare un campo magnetico locale che aiuta la corrente nella bobina di commutazione a invertire la direzione in modo più fluido. 
2. Avvolgimenti di compensazione Avvolgimenti supplementari incorporati nelle facce dei poli, che trasportano corrente proporzionale alla corrente dell'armatura. Questi annullano gran parte del campo proprio dell'armatura (reazione dell'armatura), mantenendo stabile l'asse neutro in tutte le condizioni di carico. 
3. Materiale ottimizzato delle spazzole Le spazzole di carbone sono molto diffuse perché:
   • Si consumano più rapidamente dei segmenti in rame (sacrificabili, più facili da sostituire).
   • Hanno una resistenza maggiore, che limita leggermente i picchi di corrente durante la commutazione. 
4. Molti piccoli segmenti del commutatore Più segmenti significano più bobine in serie lungo la circonferenza e variazioni minori di corrente per bobina, il che rende più uniforme la coppia e rende ogni fase di commutazione meno violenta. 

• Regole pratiche di progettazione/manutenzione spesso utilizzate sul campo
  • Conserva spazzole posizionate correttamente rispetto al piano neutro per il carico operativo tipico.
  • Monitor usura delle spazzole, temperatura e colore del commutatore; modelli insoliti spesso indicano problemi di commutazione. 
  • Utilizza il materiale giusto per le spazzole per i livelli di tensione e corrente (ad esempio, carbonio rispetto al rame). 
  • Per i motori CC industriali ad alta potenza, considerare interpolatori e avvolgimenti di compensazione essenziale, non facoltativo. 

7. Commutatore vs. Brushless: perché questa vecchia tecnologia è ancora importante

I sistemi moderni utilizzano sempre più spesso motore brushless CC (BLDC) e altri motori a commutazione elettronica. In questo caso, gli interruttori a semiconduttore svolgono il ruolo di commutatore, azionati da un controller che rileva la posizione del rotore (tramite sensori o forza controelettromotrice). 

Tuttavia, i motori CC a spazzole con commutatori sono ancora estremamente rilevanti perché sono:

• Facile da controllare (basta applicare tensione CC).
• Economico da produrre.
• Ottimo per applicazioni a bassa-media potenza e sensibili ai costi (giocattoli, utensili elettrici, piccoli elettrodomestici).

In quei motori, il Il commutatore meccanico è letteralmente il “controllore in rame e carbonio”.” — integra la logica di commutazione nell'hardware.

• Motore a corrente continua con commutatore vs motore CC senza spazzole — confronto rapido
  • Commutatore (CC con spazzole):
    • Commutazione meccanica (commutatore + spazzole).
    • Maggiore manutenzione: usura delle spazzole, pulizia del commutatore.
    • Elettronica di azionamento molto semplice (può essere semplice come una batteria + interruttore). 
  • CC senza spazzole:
    • Commutazione elettronica (inverter + controller).
    • Nessuna spazzola → minore manutenzione, maggiore durata, spesso maggiore efficienza. 
    • Elettronica più complessa e costosa, ma con enormi vantaggi in termini di prestazioni e affidabilità.

8. Mettere tutto insieme

Se si elimina il gergo tecnico, un commutatore in un motore a corrente continua è un commutatore di polarità automatico a temporizzazione precisa.

• È posizionato sull'albero del rotore come un cilindro di rame suddiviso in segmenti isolati.
• Le spazzole scorrono su di esso, alimentando corrente continua a un rotore le cui bobine si muovono costantemente sotto i poli magnetici.
• Quando ogni bobina supera la posizione in cui la coppia si invertirebbe, il commutatore scambia silenziosamente il segmento che tocca la spazzola, in modo che la direzione della corrente in quella bobina si inverte esattamente quando si inverte la sua geometria. 
• In quel momento, la commutazione è una gara tra induttanza, EMF indotto e un design intelligente del motore; quando è fatta bene, tutto ciò che si vede è un albero che gira senza intoppi.