Scopo del commutatore ad anello diviso

In quasi tutti gli schemi scolastici di un motore a corrente continua o di un generatore a corrente continua c'è una piccola etichetta che dice silenziosamente “commutatore ad anello diviso”... e il libro di testo va avanti. Eppure questo minuscolo anello di rame è il motivo per cui un motore a corrente continua continua a girare in una direzione e un generatore a corrente continua produce DC invece di AC. Senza anello diviso, non c'è macchina a corrente continua come la conosciamo. 

TL;DR – Cosa è realmente il commutatore ad anello diviso Fa

• In un motore a corrente continua:
  • Inverte la corrente attraverso la bobina rotante ogni mezzo giro (ogni 180°).
  • Mantiene il coppia nella stessa direzione di rotazione, in modo che il motore non “oscilli avanti e indietro” ma giri continuamente. 
• In un generatore di corrente continua:
  • Inverte i collegamenti della bobina rotante al circuito esterno ogni mezzo giro.
  • Inverte ogni semiciclo negativo della corrente alternata indotta, in modo che il la tensione di uscita è sempre nella stessa direzione (corrente continua pulsante). 
• Meccanicamente:
  • Agisce come un selettore rotativo costituito da due metà di rame.
  • Funziona insieme alle spazzole di carbone per fornire un collegamento elettrico scorrevole tra l'armatura rotante e l'esterno. 

1. Scopri il commutatore ad anello diviso

Immagina di tagliare un anello di rame in due semicerchi e posizionandoli sull'albero motore con un piccolo spazio e un isolamento tra loro. Ogni semianello è saldato a un'estremità della bobina dell'armatura. Due stazionari spazzole di carbone premere delicatamente su questi segmenti.

Mentre l'albero ruota, ogni spazzola scivola da una metà di rame all'altra. Quella semplice azione - le spazzole che passano da una metà all'altra - è ciò che silenziosamente inverte la corrente attraverso la bobina al momento giusto e mantiene tutto funzionante come una “corretta corrente continua”. L'intero gruppo costituito da anello diviso + spazzole è ciò che chiamiamo commutatore. 

In sintesi: come è costruito un commutatore ad anello diviso

• Forma: Un anello diviso in due (o più, nelle macchine reali) segmenti di rame isolati.
• Materiale: Segmenti di rame, isolati l'uno dall'altro e dall'albero con mica o altro materiale isolante.
• Posizione: Montato sul albero rotore/indotto, ruotando con la bobina.
• Connessioni:
  • Ogni segmento è collegato a un'estremità dell'avvolgimento dell'armatura.
  • Le spazzole di carbone fisse premono sulla parte esterna dell'anello.
• Curiosità: Nei motori e generatori CC reali, spesso si ha decine di segmenti stretti e bobine multiple per uniformare la coppia e la tensione di uscita.

2. Perché i motori CC necessitano di un commutatore ad anello diviso

Immagina una singola bobina rettangolare in un campo magnetico tra un polo nord e un polo sud. Quando la corrente attraversa la bobina:

• Un lato della bobina sembra un forzare.
• Il lato opposto prova un costringere a scendere.

Queste due forze formano un coppia di rotazione, quindi la bobina inizia a ruotare. Ma dopo mezzo giro, i lati si sono scambiati di posto. Se il direzione corrente nella bobina rimanesse invariata, le forze si invertirebbero e la coppia agirebbe ora nel di fronte direzione. Il motore oscillerebbe semplicemente tra due posizioni invece di ruotare.

Il commutatore ad anello diviso risolve la situazione invertire la corrente esattamente quando la bobina supera la posizione verticale (ogni mezzo giro). Poiché entrambi i orientamento della bobina e il direzione corrente inversione insieme, la direzione della coppia rimane la stessa e il rotore continua a girare senza intoppi. 

Cosa succede durante un giro completo (storyboard del motore)

• A 0° (posizione iniziale):
  • La bobina è orizzontale.
  • Il lato A porta la corrente “nella pagina”, il lato B “fuori dalla pagina”.
  • Utilizzando la regola della mano sinistra di Fleming, il lato A subisce una forza verso l'alto, il lato B verso il basso: la coppia è, per così dire, in senso orario.
• Avvicinandosi a 90°:
  • La coppia rimane nella stessa direzione, ma la sua intensità diminuisce (le forze agiscono più vicino al perno).
  • La bobina sfreccia attraverso la posizione in cui le forze temporaneamente non esercitano quasi alcun effetto di rotazione.
• Esattamente a 90° (verticale):
  • Il le spazzole perdono il contatto con una coppia di segmenti e collegarsi all'altra coppia.
  • Questo inverte la corrente nella bobina: il lato A ora ha una corrente opposta a quella che aveva prima.
• Da 90° a 180°:
  • La bobina si è capovolta fisicamente e anche la corrente si è invertita.
  • Risultato: il la coppia è ancora in senso orario. Il motore non inverte la marcia, ma continua nella stessa direzione.
• Dopo 180°:
  • Lo stesso processo si ripete: ogni mezzo giro, il commutatore inverte nuovamente la corrente, mantenendo sempre costante la direzione della coppia.

Quindi il scopo in un motore a corrente continua è:

“Invertire la corrente della bobina ogni mezzo giro in modo che la coppia del motore non cambi mai direzione.”

3. Scopo del commutatore ad anelli divisi nei generatori CC

Ora ribaltiamo la situazione: invece di alimentare elettricità per ottenere movimento, noi azionare meccanicamente l'albero (con una turbina, un motore, una manovella, ecc.) e ottenere elettricità. Quando la bobina dell'armatura attraversa il campo magnetico, un campo elettromagnetico alternato viene indotto nella bobina (semiciclo positivo, poi semiciclo negativo).

Se collegassimo questa bobina direttamente a un circuito esterno con anelli di contatto, otterremmo un'uscita CA standard. Ma i generatori CC dovrebbero fornire una tensione che non inverte la direzione.

Il commutatore ad anello diviso risolve questo problema invertendo l'estremità della bobina che si collega al terminali di uscita positivi e negativi ogni mezzo giro. Ciò significa che ogni volta che il campo elettromagnetico nella bobina diventa negativo, i collegamenti vengono invertiti in modo che il circuito esterno continui a vedere la stessa polarità. Il risultato è corrente continua pulsante: la tensione aumenta e diminuisce, ma non scende mai sotto lo zero. 

Passo dopo passo: vista generatore dell'anello diviso

• Input meccanico: L'armatura viene fatta ruotare attraverso un campo magnetico.
• Corrente alternata indotta nella bobina: All'interno della bobina, il campo elettromagnetico si alterna mentre ruota (un'onda sinusoidale se la velocità è costante).
• Commutatore: Ogni 180°, l'anello diviso inverte quale estremità della bobina si collega a quale spazzola.
• Uscita esterna: I semicicli negativi vengono capovolti: il carico vede impulsi unidirezionali (DC).

Quindi, nei generatori, lo scopo è fondamentalmente: “Trasforma la corrente alternata indotta nella bobina rotante in corrente continua fornita al circuito esterno.”

4. Anello diviso vs anello scorrevole: chiarire la confusione

Gli studenti (e molti adulti) spesso confondono questi due concetti, ma sono due cose ben distinte.

• A anello diviso fa parte di un commutatore, progettato per corrente inversa e producono un comportamento simile alla corrente continua nei motori e nei generatori.
• A anello di contatto è progettato per trasmettere potenza o segnali in modo continuo a una parte rotante, senza modificare la polarità — ideale per macchine CA. 

Tabella comparativa: anello diviso vs anello scorrevole

Ganci di memoria rapidi

• “SPLIT anello” → SPLIT la polarità → utilizzata dove si desidera DC.
• “SLIP anello” → SLIP alimentazione continua → utilizzabile dove si desidera AC o segnali ininterrotti.
• Se il diagramma mostra un anello con un divario → pensare commutatore / CC.
• Se l'anello sembra completo e scorrevole → pensare anello di contatto / CA.

5. Note di progettazione nel mondo reale (oltre il diagramma del libro di testo)

Nelle macchine reali, il commutatore ad anello diviso non è solo un grazioso anello in due parti. I motori e i generatori industriali a corrente continua utilizzano molti segmenti stretti di rame con bobine multiple. Questo design multisegmento rende la coppia più fluida e l'uscita CC più vicina a una linea piatta. Inoltre, distribuisce la corrente su diversi segmenti per ridurre il riscaldamento e l'usura.

Gli ingegneri sono anche preoccupati per scintillante, usura delle spazzole, e rumore. Ogni volta che una spazzola passa da un segmento all'altro, si verifica una piccola interruzione e riconnnessione della corrente. La geometria del commutatore, il materiale delle spazzole e persino la forma degli avvolgimenti della bobina sono regolati in modo tale che la commutazione avvenga nel momento in cui la forza elettromotrice indotta in quella bobina è minima, riducendo così la formazione di archi elettrici e la perdita di energia.

Compromessi di progettazione introdotti dall'anello diviso

• Pro
  • Consente semplice, robusto controllo della velocità per motori a corrente continua (modificando la tensione di alimentazione o l'intensità del campo).
  • Dà uscita CC diretta nei generatori senza bisogno di componenti elettronici.
  • Collaudato nel tempo, ampiamente compreso e relativamente economico per livelli di potenza moderati.
• Contro
  • Spazzole e segmenti del commutatore usura nel tempo → manutenzione necessaria.
  • Le scintille possono causare rumore elettrico e limitare l'uso in atmosfere esplosive.
  • A velocità molto elevate o correnti molto elevate, i commutatori meccanici diventano un anello debole, motivo per cui molti sistemi ora utilizzano motori CC senza spazzole e invece la commutazione elettronica.

6. Come ricordare lo scopo del commutatore ad anello diviso (per gli esami) e Vita reale)

Se si elimina tutto il gergo tecnico, un commutatore ad anello diviso è semplicemente un interruttore rotativo con autoscansione che inverte la direzione della corrente nella bobina del rotore ogni mezzo giro. Tale inversione:

• Mantiene il motore ruotando in una direzione mantenendo costante la direzione della coppia.
• Mantiene il generatore uscita che punta in una direzione capovolgendo le oscillazioni di tensione negativa in posizione verticale.