I motori a spazzole AC (comunemente noti come motori universali monofase) sono ampiamente utilizzati negli elettrodomestici ad alta velocità come aspirapolvere e asciugacapelli. I loro avvolgimenti di statore e rotore sono collegati in serie. Anche quando sono alimentati con corrente alternata (AC) che inverte costantemente la direzione, i poli magnetici dello statore e del rotore cambiano polarità simultaneamente, mantenendo così una direzione costante della coppia di rotazione.
A differenza degli magneti permanenti dei motori a spazzole DC, lo statore di un motor a spazzole AC è costituito da un set di bobine elettromagnetiche. Quando viene applicata corrente alternata, la polarità (poli N/S) dell'elettromagnete dello statore si alterna con la direzione dell'AC.
La struttura di «avvolgimento in serie (eccitazione in serie)» del motore significa che la corrente proveniente dalla sorgente di alimentazione AC scorre prima attraverso le bobine elettromagnetiche dello statore, poi attraverso le spazzole di carbone e i segmenti del collettore nelle bobine del rotore, e infine ritorna all'alimentazione. Ciò significa che les correnti che scorrono attraverso lo statore e il rotore cambiano in perfetta sincronia.
Quando l'AC cambia da positiva a negativa, il campo magnetico dello statore si inverte (ad esempio, il lato sinistro cambia da N a S). Nello stesso istante, anche la corrente che scorre attraverso le bobine del rotore si inverte, facendo cambiare polarità ai poli magnetici del rotore in sincrono! Secondo le leggi dell'attrazione magnetica, poiché entrambi i poli magnetici si invertono contemporaneamente, le direzioni di repulsione e attrazione non cambiano, e il motore continua a ruotare nella sua direzione originale!
In questa dimostrazione interattiva, puoi vedere lo stato fisico di un motore universale azionato da corrente alternata monofase (AC 220V). Durante i semicicli positivo e negativo dell'AC sinusoidale, la direzione del campo magnetico dello statore e la polarità dell'avvolgimento del rotore cambiano insieme. Ciò mantiene la coppia di rotazione netta puntata in senso orario, il che, combinato con la commutazione segmentata del collettore, consente al motore di funzionare in modo fluido e ad alta velocità sotto alimentazione AC.
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| Passo | Stato del semiciclo AC | Polarità dello statore (Sinistra/Destra) | Seg. di contatto della spazzola (+) | Seg. di contatto della spazzola (-) | Stato della coppia elettromagnetica |
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Lo statore di un motore a spazzole DC è un magnete permanente la cui direzione del campo magnetico è fissa. Se collegato all'alimentazione AC, quando la corrente si inverte, la direzione del campo magnetico dello statore rimane invariata, ma la corrente che scorre nella bobina del rotore si inverte, facendo invertire anche la coppia elettromagnetica. Di conseguenza, il motore oscillerà o vibrerà violentemente avanti e indietro nel campo magnetico alternato a 50 Hz, senza riuscire a ruotare in una direzione. Al contrario, poiché lo statore e il rotore di un motore universale sono collegati in serie, le loro polarità si invertono in sincrono («due negativi fanno un positivo»), consentendo al motore di ruotare in modo fluido in una sola direzione.
Un motore universale (noto anche come motore in serie) è chiamato così perché può funzionare sia con alimentazione AC monofase che DC. Poiché la sua coppia operativa dipende solo dal prodotto delle direzioni della corrente dello statore e del rotore, l'applicazione di corrente DC o AC genera una coppia di azionamento nella stessa direzione. Offre velocità di rotazione estremamente elevate, una facile regolazione della velocità tramite la regolazione della tensione ed è altamente conveniente.
Sono ampiamente utilizzati negli elettrodomestici e negli utensili elettrici che richiedono velocità estremamente elevate e una coppia forte per periodi relativamente brevi. Gli esempi includono :
• Aspirapolvere: Sono necessarie velocità elevate per generare un'aspirazione a pressione negativa (in genere da 20.000 a 40.000 giri/min).
• Asciugacapelli: Sono necessarie ventole ad alta velocità per erogare un elevato volume di flusso d'aria.
• Trapani a mano e smerigliatrici angolari: Forniscono potenza portatile e ad alta coppia per il taglio di metallo e legno.
• Frullatori e robot da cucina: Sono necessarie velocità elevate per frantumare le fibre alimentari.
Ci sono due principali fonti di rumore :
• Attrito della spazzola ad alta frequenza: Le spazzole di carbone e i segmenti del collettore creano intensi rumori di sfregamento fisico e minuscoli scoppiettii di arco elettrico mentre ruotano a decine di migliaia di giri/min.
• Fischio del flusso d'aria ad alta velocità: Le velocità operative di decine di migliaia di giri/min sono molto più elevate rispetto a quelle dei motori a induzione standard (in genere max 3.000 giri/min). Le pale della ventola o il nucleo del rotore che tagliano l'aria a tali velocità generano un forte attrito dell'aria e fischi. Questo è anche il motivo per cui gli asciugacapelli e gli aspirapolvere di fascia alta stanno passando a "motori DC brushless ad alta velocità (BLDC)" per un funzionamento più silenzioso.