Che cos'è un motore a commutatore? Una guida approfondita e pratica
Se avete mai premuto il grilletto di un trapano, sentito il rumore di un frullatore che si accende o visto un aspirapolvere muoversi sul tappeto, probabilmente avete utilizzato un motore a commutatore senza rendervene conto. Questi motori sono piccoli, rumorosi, leggermente soggetti a scintille e presenti ovunque negli strumenti e negli elettrodomestici di uso quotidiano.
Questa guida illustra cosa è un commutatore cos'è realmente un motore, come funziona in parole semplici, dove eccelle, dove ha difficoltà e come si confronta con le più recenti tecnologie brushless. L'obiettivo non è solo quello di definire alcuni termini, ma di fornirvi sufficienti intuizioni affinché possiate guardare un motore e capire bene perché è stato progettato in quel modo.
Indice
Definizione semplice: cos'è un motore a commutatore?
Un motore a commutatore è un motore elettrico che utilizza un commutatore meccanico e delle spazzole per alimentare corrente nella parte rotante della macchina e per invertire tale corrente al momento giusto, in modo che l'albero continui a girare in una sola direzione. Il commutatore è un anello di rame segmentato montato sul rotore (armatura), su cui premono delle spazzole di carbone per creare un contatto elettrico scorrevole. Mentre il rotore gira, diversi segmenti si collegano al circuito esterno, che inverte la direzione della corrente nelle bobine ogni mezzo giro e mantiene una coppia continua.
In altre parole, un motore a commutatore è definito meno dalla sua alimentazione (CA o CC) e più dal suo metodo di commutazione della corrente: utilizza un interruttore fisico rotante, non elettronico. I classici motori CC, i motori universali negli utensili elettrici e alcuni motori CA specializzati rientrano tutti in questa famiglia di “motori a commutatore”.
I componenti principali: statore, rotore, commutatore, spazzole
Per comprendere perché i motori a commutatore si comportano in questo modo, è utile immaginare le loro parti principali che lavorano insieme come una piccola orchestra meccanica.
Lo statore è la parte fissa del motore. Fornisce il campo magnetico, tramite magneti permanenti o bobine di filo chiamate avvolgimenti di campo.
Il rotore, chiamato anche armatura, è la parte rotante montata sull'albero. Il rotore trasporta bobine di filo che attraversano il campo magnetico e producono coppia quando la corrente li attraversa.
Il commutatore è un cilindro di rame suddiviso in segmenti isolati. Ogni bobina sul rotore è collegata a una coppia di questi segmenti.
Le spazzole sono blocchi di carbonio o grafite premuti contro il commutatore da molle. Trasportano la corrente tra il mondo esterno e i segmenti rotanti del commutatore.
Insieme, questi quattro elementi creano un ingegnoso meccanismo: cambiano costantemente quale bobina viene alimentata e in quale direzione scorre la corrente, proprio nel momento in cui il rotore ha bisogno di una “spinta” per continuare a girare.
Come funziona effettivamente un motore a commutatore
Immaginate un motore molto semplice: una singola bobina rettangolare di filo metallico posizionata tra i poli nord e sud di un magnete. Quando la corrente attraversa la bobina, un lato dell'anello subisce una forza verso l'alto e l'altro lato subisce una forza verso il basso. Questa coppia di forze crea una coppia motrice e la bobina inizia a ruotare.
Molto rapidamente, però, la bobina ruoterebbe fino ad allinearsi con il campo magnetico, a quel punto le forze scomparirebbero. Peggio ancora, se la corrente continuasse a fluire nella stessa direzione, le forze si invertirebbero man mano che la bobina supera questo punto e la coppia cercherebbe di far girare il motore all'indietro.
Il commutatore e le spazzole risolvono elegantemente questo problema. Quando il rotore si avvicina alla posizione “morta” in cui la coppia si invertirebbe, le spazzole scivolano da una coppia di segmenti del commutatore alla successiva. Il cablaggio interno delle bobine del rotore fa sì che in questo momento la corrente che attraversa la bobina attiva inverta la direzione. Il campo magnetico della bobina si inverte con essa, quindi la coppia continua a spingere nella stessa direzione di rotazione invece di invertirsi.
Durante questa commutazione avvengono due cose importanti. Innanzitutto, la bobina viene brevemente cortocircuitata tra due barre adiacenti del commutatore sotto la spazzola. In secondo luogo, la corrente si inverte mentre anche la tensione indotta nella bobina cambia segno. Un buon design del commutatore cerca di sincronizzare questi due eventi in modo da ridurre al minimo le scintille e gli archi elettrici e garantire un funzionamento regolare del motore.
Estendendo questa idea a molte bobine distribuite attorno al rotore e a molti segmenti del commutatore, si ottiene un motore che produce una coppia quasi continua e funziona in modo molto più fluido rispetto alla versione giocattolo a bobina singola.
Tipi di motori a commutatore
Gli ingegneri utilizzano l'espressione “motore a commutatore” in modi leggermente diversi, ma in pratica ne esistono tre grandi famiglie.
Motori a corrente continua con commutatore
Si tratta dei classici motori CC a spazzole in cui l'alimentazione è a corrente continua, il campo può essere fornito da magneti permanenti o avvolgimenti di campo CC e il commutatore gestisce tutte le commutazioni sul rotore. Sono disponibili in configurazioni shunt, serie e composte, a seconda di come sono collegati gli avvolgimenti di campo, il che consente ai progettisti di trovare un compromesso tra la regolazione della velocità e la coppia di avviamento.
I motori CC a magneti permanenti con spazzole sono comunemente utilizzati nei sistemi automobilistici, nei giocattoli, nelle piccole pompe e negli azionamenti a bassa potenza. I motori CC a campo avvolto sono utilizzati nella trazione, nei paranchi e negli azionamenti industriali, dove il controllo preciso della velocità era fondamentale prima dell'avvento dell'elettronica moderna.
Motori universali (motori a corrente alternata con commutatore)
Un motore universale è un motore a commutatore progettato in modo tale da poter funzionare sia con alimentazione CA che CC. Internamente è molto simile a un motore in serie CC, ma presenta alcune modifiche, come nuclei laminati e, talvolta, avvolgimenti di compensazione per gestire la corrente alternata senza perdite eccessive o commutazione scadente.
Poiché gli avvolgimenti di campo e gli avvolgimenti dell'armatura sono in serie, quando la corrente alternata inverte la direzione, entrambi i campi magnetici si invertono insieme. La coppia rimane quindi nella stessa direzione e il motore continua a girare invece di “vibrare” con la frequenza di rete. Questi motori possono funzionare a velocità estremamente elevate e hanno una coppia di avviamento enorme rispetto alle loro dimensioni, che è esattamente ciò che si desidera in strumenti come trapani, smerigliatrici, motori di frullatori e aspirapolvere.
Motori speciali a commutatore CA (tipi a repulsione)
Prima che i condensatori e l'elettronica moderni diventassero economici, gli ingegneri svilupparono ingegnosi motori monofase a corrente alternata che utilizzavano ancora commutatori per ottenere una coppia di avviamento elevata. Ne sono un esempio i motori a repulsione e i motori a induzione con avviamento a repulsione. In un motore a repulsione, lo statore assomiglia a un motore a induzione a corrente alternata, ma il rotore è avvolto come un'armatura a corrente continua e collegato a un commutatore le cui spazzole sono cortocircuitate tra loro anziché collegate all'alimentazione. L'azione del trasformatore induce correnti nel rotore e la geometria delle spazzole crea una forte coppia di avviamento grazie alla repulsione tra i campi del rotore e dello statore. Una volta raggiunta la velocità, alcuni modelli sollevano le spazzole e il motore funziona come un motore a induzione standard.
Questi motori specializzati con commutatore CA sono oggi meno diffusi, ma rimangono importanti dal punto di vista storico e in alcune applicazioni di nicchia.
Confronto tra motori a commutatore, motori a induzione e motori brushless
Per capire quando un motore a commutatore è la scelta giusta, è utile confrontarlo con due grandi alternative: i motori a induzione e i motori CC senza spazzole.
Ecco un breve confronto.
| Caratteristica | Motore CC con commutatore | Motore universale (con commutatore CA) | Motore a induzione o motore brushless |
| Come viene alimentato il rotore | Il commutatore meccanico e le spazzole forniscono corrente alle bobine sul rotore. | Stesso sistema con commutatore e spazzole, ma progettato per funzionare con corrente alternata e continua. | Il rotore è alimentato da magneti permanenti o a induzione; la commutazione della corrente avviene elettromagneticamente o elettronicamente. |
| Alimentazione tipica | Alimentazione CC o CC raddrizzata proveniente dall'elettronica di potenza. | Rete CA o CC; spesso utilizzato direttamente sulla rete CA domestica. | Principalmente CA per induzione; CC a controllo elettronico per motori brushless. |
| Capacità di velocità | Velocità da moderate ad elevate, limitate dal commutatore meccanico. | Velocità molto elevate, spesso ben superiori alla frequenza di rete, ideali per utensili compatti ad alta velocità. | Elevate velocità sia per i motori a induzione che per quelli brushless, con minori limiti meccanici nei modelli brushless. |
| Coppia di avviamento | Può essere molto elevato, specialmente nei modelli con avvolgimento in serie. | Coppia di avviamento molto elevata per le dimensioni, eccellente per elettrodomestici e utensili. | I motori a induzione hanno una buona coppia di avviamento con un design adeguato; i motori brushless possono essere ottimizzati nel software per quasi tutti i profili di coppia. |
| Efficienza | Inferiore rispetto alle macchine brushless o alle moderne macchine AC a causa delle perdite delle spazzole e del commutatore. | Efficienza generalmente modesta, soprattutto nei modelli di piccole dimensioni; parte dell'energia viene dispersa sotto forma di calore e rumore. | I motori a induzione e brushless possono raggiungere elevate efficienze poiché non presentano contatti elettrici scorrevoli e la commutazione può essere ottimizzata elettronicamente. |
| Manutenzione e durata | Usura delle spazzole e del commutatore, che richiedono una sostituzione o una riparazione periodica. | Le spazzole si consumano e i motori possono essere rumorosi e produrre scintille, rendendoli meno adatti a un uso intensivo e continuo. | Manutenzione minima; nessuna spazzola e rotore spesso privo di avvolgimenti. I cuscinetti sono solitamente i componenti soggetti a maggiore usura. |
| Applicazioni tipiche | Azionamenti a trazione, sistemi di controllo industriali di vecchia generazione, attuatori automobilistici, piccoli azionamenti CC. | Utensili elettrici, frullatori, miscelatori, aspirapolvere, asciugacapelli e altri apparecchi portatili. | Ventilatori, pompe, compressori, motori elettrici moderni, sistemi HVAC e quasi tutti gli azionamenti industriali ad alta affidabilità. |
La tabella mette in evidenza un tema importante: i motori a commutatore sacrificano efficienza e manutenzione in cambio di semplicità, coppia di avviamento elevata e potenza elevata in un contenitore di dimensioni ridotte.
All'interno del commutatore stesso
Se si ingrandisce il commutatore, si nota che non è solo un semplice “cilindro” di rame. Ogni segmento è una barra di rame isolata dalle altre, tradizionalmente con mica e ora anche con varie materie plastiche nelle macchine più piccole. Ogni bobina dell'armatura è saldata o fissata a uno o più di questi segmenti.
Con l'aumentare delle dimensioni e della tensione del motore, vengono utilizzati più segmenti. Le grandi macchine industriali a corrente continua possono avere centinaia di segmenti per mantenere bassa la tensione tra le barre adiacenti e rendere più fluida l'inversione di corrente. I segmenti sono tenuti insieme meccanicamente come mattoni a coda di rondine e l'intero assemblaggio deve essere estremamente rotondo e bilanciato, altrimenti le spazzole rimbalzano e producono scintille.
Le spazzole stesse sono solitamente realizzate con miscele di carbonio o grafite. La loro resistenza è minima ma non nulla, e quella leggera resistenza aiuta ad attenuare l'inversione di corrente durante la commutazione e a ridurre la formazione di archi elettrici. Con il tempo, le spazzole si consumano come le gomme delle matite e depositano una patina scura sul commutatore, che può effettivamente aiutare la conduzione se è uniforme e non bruciata.
Gli ingegneri prestano attenzione anche al “piano di commutazione”, ovvero la posizione angolare esatta in cui le spazzole toccano il commutatore rispetto al campo magnetico. Sotto carico, il campo magnetico del rotore distorce il campo principale e il punto di commutazione ideale si sposta. Nelle macchine più vecchie, i tecnici ruotavano letteralmente il gruppo spazzole mentre il motore era in funzione per ridurre al minimo le scintille, un processo noto come “oscillazione delle spazzole”.”
Perché i motori a commutatore sono rumorosi e producono scintille
Se avete mai guardato nelle fessure di ventilazione di un trapano elettrico mentre è in funzione, potreste aver assistito a uno spettacolo pirotecnico in miniatura. Quelle scintille sono direttamente collegate al funzionamento dei motori a commutatore.
Durante la commutazione, la spazzola collega brevemente due segmenti adiacenti del commutatore. La bobina collegata tra questi segmenti è attraversata da corrente e il processo di commutazione cerca di forzare una rapida inversione di tale corrente. L'induttanza della bobina resiste a questo cambiamento, creando picchi di tensione e causando piccoli archi elettrici nel punto in cui la spazzola interrompe il contatto.
Con un buon design, un materiale corretto per le spazzole e una superficie liscia del commutatore, gli archi sono piccoli e regolari e il motore emette un leggero “bagliore delle spazzole”. Se la superficie è ruvida, le spazzole sono usurate o il piano di commutazione è errato, gli archi diventano molto più grandi. Ciò produce:
In primo luogo, il rumore elettrico che può interferire con le radio o i dispositivi elettronici sensibili nelle vicinanze.
In secondo luogo, maggiore usura delle spazzole e del commutatore, con conseguenti problemi di manutenzione.
In terzo luogo, una potenziale fonte di accensione in atmosfere polverose o esplosive, motivo per cui i motori a commutatore sono generalmente evitati in tali ambienti.
Il rumore udibile proveniente da un motore universale è in parte dovuto a queste scintille, in parte all'attrito delle spazzole e in parte al ronzio ad alta frequenza del rotore che gira a migliaia di giri al minuto.
Dove i motori a commutatore sono ancora la risposta giusta
Nonostante le loro peculiarità, i motori a commutatore rimangono la soluzione più adatta in diversi scenari in cui un semplice motore a induzione avrebbe difficoltà e un sistema brushless sarebbe eccessivo o troppo costoso.
Sono ideali quando serve una coppia di avviamento molto elevata in un dispositivo compatto ed economico. Un trapano o una smerigliatrice portatile devono essere leggeri e piccoli, ma devono anche fornire una coppia elevata nell'istante in cui si preme il grilletto. Un motore a commutatore universale è in grado di farlo funzionando tranquillamente con la normale alimentazione CA.
Sono ottimi quando è richiesta una velocità variabile con un controllo semplice ed economico. Il controllo della velocità di un motore universale tramite un circuito a tiristori o triac di base è semplice ed è stato utilizzato per decenni in dispositivi quali robot da cucina e controlli motore di tipo dimmer.
Possono essere interessanti per apparecchiature portatili o alimentate a batteria, dove un semplice motore CC a spazzole offre prestazioni sufficienti senza il costo di un controller brushless. Ecco perché molti attuatori automobilistici tradizionali, piccole pompe e motori per hobby utilizzano ancora costruzioni CC a spazzole.
La tendenza: dal commutatore al brushless
In molte applicazioni di grandi dimensioni o di lunga durata, i motori a commutatore vengono progressivamente sostituiti da modelli brushless CC e a induzione CA. Ci sono diversi motivi alla base di questo cambiamento.
In primo luogo, il contatto scorrevole tra la spazzola e il commutatore provoca attrito, calore, caduta di tensione e usura. Limita l'efficienza e la durata del motore e rende difficile o impossibile realizzare progetti sigillati altamente affidabili.
In secondo luogo, l'elettronica di potenza moderna è economica e potente. Anziché lasciare che sia un commutatore meccanico a commutare la corrente, i progettisti utilizzano dispositivi a stato solido come MOSFET o IGBT insieme ad algoritmi di rilevamento della posizione del rotore o senza sensori. Il risultato è un motore CC senza spazzole in cui lo statore trasporta tutti gli avvolgimenti e il rotore è solo un magnete. L'efficienza migliora, la manutenzione quasi scompare e il controllo della velocità e della coppia diventa estremamente preciso.
In terzo luogo, le normative e le richieste dei clienti che desiderano elettrodomestici più silenziosi, efficienti e durevoli favoriscono la tecnologia brushless. Lo si può notare nella commercializzazione di lavatrici “inverter”, compressori “digitali” per frigoriferi e utensili cordless di fascia alta, quasi tutti dotati di un motore brushless e dei relativi componenti elettronici al loro interno.
Ciononostante, i motori a commutatore continueranno probabilmente a essere utilizzati ancora a lungo negli utensili e nelle piccole macchine sensibili ai costi e utilizzati in modo intermittente, dove la loro semplicità continua a essere un vantaggio.
Domande pratiche comuni
Un motore a commutatore è uguale a un motore a corrente continua?
Ogni motore CC classico a spazzole è un motore a commutatore, ma non tutti i motori a commutatore funzionano solo con corrente continua. Anche i motori universali e alcuni motori a repulsione CA sono motori a commutatore, poiché utilizzano lo stesso principio di commutazione meccanica sul rotore. Il termine “motore a commutatore” è quindi più ampio rispetto al semplice “motore CC”.”
Perché i motori a commutatore si usurano più rapidamente rispetto ad altri tipi?
Essi includono componenti il cui unico compito è quello di sfregare l'uno contro l'altro: le spazzole e il commutatore. Nel corso di migliaia di ore, tale sfregamento erode le spazzole, irruvidisce la superficie del commutatore e può eventualmente danneggiare i segmenti di rame se il motore è sovraccarico o sporco. I motori a induzione e brushless evitano questo contatto elettrico scorrevole, quindi il loro principale elemento soggetto a usura è solitamente costituito solo dai cuscinetti.
Posso sostituire direttamente un motore a commutatore con un motore brushless?
Dal punto di vista elettrico e meccanico, non si tratta di una sostituzione diretta. Un motore brushless richiede un controller elettronico dedicato invece di un semplice collegamento alla rete elettrica o in corrente continua, e la curva velocità-coppia può essere molto diversa da quella del motore universale o in corrente continua originale. Tuttavia, molti elettrodomestici e utensili elettrici moderni sono progettati da zero con sistemi brushless per imitare o superare il comportamento dei vecchi motori a commutatore, guadagnando in efficienza e durata.
Conclusione
Il motore a commutatore è una di quelle invenzioni che sono allo stesso tempo meravigliosamente semplici e leggermente brutali. Utilizza un interruttore rotante in rame e alcuni blocchi di carbonio per gestire amperaggi e campi magnetici a migliaia di giri al minuto, trasformando l'elettricità in lavoro meccanico concreto e utilizzabile.
Comprendere lo statore, il rotore, il commutatore e le spazzole, insieme alla logica alla base dell'inversione di corrente, consente di capire perché queste macchine sono compatte, potenti e rumorose e perché il mondo si sta lentamente ma inesorabilmente orientando verso modelli senza spazzole.
