Come funziona un commutatore ad anello diviso per invertire la corrente?

A commutatore ad anello diviso inverte la corrente agendo come un interruttore rotante temporizzato: ogni mezzo giro (180°), ciascuna estremità della bobina dell'armatura scambia la spazzola che tocca, quindi la polarità di alimentazione vista dalla bobina si inverte, mentre la polarità vista dal circuito esterno rimane costante. Questo è tutto il trucco.

L'idea centrale: un'inversione meccanica della polarità

Dimenticate per un momento la linea dell'esame e consideratelo come un dispositivo molto semplice: due semianelli di rame sull'albero, separati da uno spazio isolante, con spazzole fisse che premono su di essi. I semianelli ruotano con la bobina. Le spazzole no.

Ogni semianello è collegato in modo permanente a un'estremità della bobina. Le spazzole sono collegate in modo permanente all'alimentazione CC. Quando il rotore gira, le spazzole scivolano da un semianello all'altro. A un certo angolo, ogni spazzola attraversa lo spazio e cambia il semianello (e quindi l'estremità della bobina) a cui è collegata. Questo scambio è l'inversione di corrente nella bobina. I libri di testo riassumono questo concetto in una sola frase: “Il commutatore ad anello diviso inverte la corrente ogni mezzo giro per mantenere la coppia nella stessa direzione”.”

In altre parole, il commutatore non genera nulla di intelligente. Si limita a ricollegare le stesse due estremità della bobina alle stesse due spazzole con angoli molto specifici.

Due punti di vista: spazzole vs bobina

La parte confusa è che la “direzione della corrente” dipende da chi fingi di essere.

Dal punto di vista delle spazzole e dell'alimentazione CC, non accade nulla di speciale. Una spazzola è “sempre” positiva, l'altra “sempre” negativa. Rimangono fisse. La corrente esce dal terminale positivo, passa attraverso la bobina seguendo un determinato percorso e ritorna al terminale negativo. Non vi è alcuna alternanza: il circuito esterno rileva sempre una polarità fissa.

Dal punto di vista dei conduttori della bobina (AB e CD nei diagrammi standard), la situazione è diversa. Quando il commutatore ruota, il conduttore che prima si trovava sul lato “positivo” della bobina viene collegato alla spazzola negativa, mentre quello che prima si trovava sul lato “negativo” viene collegato alla spazzola positiva. Quindi, all'interno del telaio rotante, la corrente che attraversa AB e CD cambia effettivamente direzione ogni mezzo giro.

Stesso hardware. Due descrizioni. È proprio questa discrepanza nelle descrizioni che causa molta confusione durante l'esame.

Tempistica: perché il ribaltamento avviene a 90° o 180° nei diagrammi

Nel diagramma scolastico standard, la bobina è orizzontale quando la coppia è massima e verticale quando la coppia cambierebbe naturalmente segno. Se lasciata sola, la forza magnetica su ciascun lato della bobina si invertirebbe mentre attraversa questa posizione verticale e il motore esiterebbe o addirittura si fermerebbe.

Il commutatore è costruito in modo tale che le spazzole attraversino gli spazi vuoti proprio intorno a questa posizione “pericolosa”. Durante quel breve istante, il contatto è scarso o quasi nullo; la bobina è effettivamente in circuito aperto. Quando la bobina supera leggermente la posizione verticale, ciascuna spazzola si posiziona sull'anello opposto. A questo punto la corrente che attraversa la bobina si inverte, quindi anche la forza su ciascun lato della bobina si inverte. Invece di trascinare indietro la bobina, la spinge nella stessa direzione di rotazione.

Quindi la sequenza su mezzo giro è approssimativamente:

La bobina si avvicina alla posizione verticale, la corrente continua a fluire nella direzione originale, la coppia diminuisce. In posizione quasi verticale, il contatto si interrompe quasi completamente; la coppia è comunque minima, quindi questa breve perdita non ha importanza. Appena superata la posizione verticale, la corrente ricompare, invertita nella bobina. La coppia aumenta nuovamente, spingendo ora la bobina nel senso di rotazione originale.

A rigor di termini, i motori reali hanno spesso molti segmenti e bobine, quindi la transizione è più fluida rispetto a quella rappresentata in questo cartone animato. Ma il principio è lo stesso.

Una mappa compatta di ciò che sta cambiando

È utile individuare cosa cambia segno e cosa no. Consideriamo AB e CD come i due lati attivi della bobina e ipotizziamo un campo bipolare semplice.

Le etichette di direzione (A → B, ecc.) sono solo una scelta contabile. La chiave è che:

Il pennello che è “positivo” nel circuito mantiene il suo segno. Il lato della bobina che “sale” trasporta sempre corrente nella direzione necessaria per creare una forza ascensionale, anche se la corrente in quel particolare pezzo di rame si è invertita rispetto a mezzo giro prima.

Il gioco è tutto qui: riassegnare quale conduttore fisico è collegato a ciascuna spazzola, in modo che le forze rimangano costanti anche se il rotore ha compiuto mezzo giro.

Perché questo mantiene la coppia unilaterale

Se si esprime la forza magnetica su un conduttore rettilineo come F = I L × B, il segno della coppia dipende dal segno di I in ciascun lato attivo. Senza un commutatore, dopo mezzo giro la geometria si inverte, quindi la stessa corrente produrrebbe ora una coppia nella direzione opposta.

Invertendo la corrente in ciascun conduttore esattamente quando la geometria si capovolge, il prodotto “segno della geometria × segno della corrente” rimane lo stesso. Nelle note didattiche di base questo viene solitamente indicato come “Il commutatore ad anello diviso inverte la corrente ogni mezzo giro in modo che la bobina continui a ruotare nella stessa direzione”.”

Quindi il commutatore non aumenta la coppia. Si limita a impedire che la coppia cambi segno. Molto semplice, molto utile.

Collegamento ai generatori CC: lo stesso meccanismo, invertito

In un motore a corrente continua, si immette corrente continua e si ottiene una rotazione meccanica; il commutatore inverte la corrente interna per mantenere fissa la direzione della coppia.

In un generatore CC, la fisica si inverte. La bobina rotante nel campo crea una forza elettromotrice indotta che alterna naturalmente. Se lasciata da sola, con gli anelli di contatto, si otterrebbe un'uscita CA. Sostituendo gli anelli di contatto con un commutatore ad anello diviso, ora, proprio come la forza elettromotrice indotta nella bobina cambia segno, anche i collegamenti alle spazzole esterne si scambiano, quindi il circuito esterno vede ancora un'uscita unidirezionale.

All'interno della bobina, la forza elettromotrice indotta è CA. Ai spazzole, dopo la commutazione meccanica, l'uscita è una forma d'onda rettificata, sempre dello stesso segno. Quindi, in un generatore, il commutatore non “inverte la corrente nella bobina” per motivi di coppia, ma “inverte quale estremità della bobina è collegata a quale spazzola” per regolarizzare l'uscita.

Stesso hardware, ruolo diverso. Questo aspetto solitamente non viene sottolineato, ma contribuisce a rendere l'idea meno arbitraria.

Anello di contatto vs anello diviso: perché preoccuparsi di dividerlo?

Un anello di contatto continuo è un semplice contatto rotante utilizzato nei casi in cui non si desidera che la polarità cambi rispetto alla parte rotante: ad esempio, per trasferire energia o segnali a un'antenna rotante, a un rotore CA o a un giradischi. Si tratta semplicemente di un anello.

Un anello diviso è un anello tagliato in due metà isolate, ciascuna delle quali è collegata a un'estremità diversa dell'armatura. Poiché è tagliato, ciascuna spazzola può scorrere da una metà all'altra mentre l'albero ruota. Questo scorrimento crea lo scambio periodico delle connessioni e quindi l'effettiva inversione di corrente nell'armatura, che è ciò di cui hanno bisogno i motori e i generatori a corrente continua.

Quindi la “fessura” non è estetica. Incorpora la sincronizzazione nel metallo solido.

Punti comuni di confusione

Molti studenti confondono quattro affermazioni leggermente diverse tra loro. Considerale come separate:

“La corrente nel circuito esterno è continua.” Vero per un motore a corrente continua o un generatore a corrente continua con anello diviso; le spazzole vedono una polarità fissa, anche se la forma d'onda può presentare ondulazioni.

“La corrente in ciascun conduttore dell'armatura si inverte ogni mezzo giro.” Vero come descrizione nel telaio del rotore; cambia quale conduttore è collegato a quale spazzola.

“Il commutatore inverte la direzione della corrente nella bobina ogni mezzo giro.” Uno slogan didattico conciso, solitamente inteso nel senso del rotore.

“Il commutatore inverte la direzione della coppia ogni mezzo giro.” Non è corretto; impedisce l'inversione della coppia invertendo la polarità della bobina al momento giusto.

Mescolando questi concetti si ottengono frasi vaghe come “mantiene il motore in funzione” senza un meccanismo chiaro alla base. Una volta separate le opinioni, la logica diventa meno misteriosa.

Le stranezze del mondo reale che il semplice diagramma nasconde

I motori reali raramente utilizzano un singolo circuito e due segmenti di commutatore. Utilizzano molte bobine distanziate attorno all'armatura, con molte barre di commutatore. Ciò distribuisce la commutazione sull'angolo, rendendo la corrente e la coppia più uniformi. In qualsiasi istante, alcune bobine stanno entrando nella regione attiva, alcune sono al picco di coppia e altre vengono commutate. La stessa regola di base di commutazione ogni 180° viene applicata per ogni bobina, ma l'effetto viene mediato.

Le spazzole sono solitamente in carbonio e presentano resistenza di contatto, archi elettrici e usura. L'immagine perfetta da manuale, in cui il contatto è pari a zero esattamente in posizione verticale, è in realtà una transizione graduale su un angolo ridotto. Gli ingegneri se ne preoccupano, ma le domande d'esame solitamente no.

I progettisti possono anche spostare leggermente la posizione della spazzola dal piano neutro geometrico ideale per compensare la reazione dell'armatura nelle macchine più grandi. Ciò modifica l'angolo esatto in cui avviene l'inversione, ma mantiene la stessa regola di base: commutare quando i conduttori si trovano in una regione in cui la forza elettromotrice indotta è piccola, in modo che la commutazione sia più pulita.

Breve sintesi

Un commutatore ad anello diviso è semplicemente un anello di contatto con un taglio accuratamente posizionato e due spazzole in contatto. Quando il rotore gira, quel taglio fa sì che ogni spazzola cambi l'estremità della bobina che tocca ogni mezzo giro. Visto dall'esterno, la polarità ai terminali rimane fissa. Visto dall'interno del rotore, la corrente nei conduttori continua a invertirsi per adattarsi alla loro posizione mutevole nel campo, quindi la coppia sull'albero continua a spingere nella stessa direzione.