I motori a corrente continua (CC) a spazzole tradizionali (comunemente usati in giocattoli elettrici e ventilatori) si basano sul contatto strisciante meccanico tra spazzole fisse (solitamente di carbone) e un commutatore rotante. Questo inverte automaticamente la direzione della corrente negli avvolgimenti del rotore durante la rotazione, generando una coppia elettromagnetica continua.
Lo statore è la parte fissa. In un semplice motore CC, è costituito da magneti permanenti posizionati su entrambi i lati della carcassa (polo N/rosso a sinistra, polo S/blu a destra), producendo un campo magnetico orizzontale da sinistra a destra.
Il rotore è l'insieme rotante al centro, avvolto con bobine in filo di rame. Quando alimentate, queste bobine agiscono come un elettromagnete. I loro poli magnetici interagiscono con i magneti dello statore ("i poli uguali si respingono, i poli opposti si attraggono"), facendo ruotare il rotore.
Due segmenti semicircolari del commutatore in rame sull'albero si collegano alle estremità delle bobine. Due spazzole fisse di carbone su ciascun lato si collegano alla sorgente di alimentazione CC. Quando il rotore gira, i segmenti del commutatore entrano in contatto alternativamente con le spazzole, invertendo automaticamente la direzione della corrente della bobina quando si supera il punto morto vertical per mantenere una rotazione continua!
In questo modello interattivo, il lato sinistro mostra la sezione fisica del motore CC a spazzole, e il lato destro mostra il suo circuito di connessione. Quando il motore è connesso all'alimentazione CC, la corrente scorre attraverso le spazzole fisse nelle bobine del rotore, creando una coppia elettromagnetica. Il rotore gira sotto attrazione magnetica. Ogni volta che il rotore gira di 180° e supera la linea centrale, gli spazi tra i segmenti del commutatore attraversano le spazzole, invertendo la polarità della corrente che scorre nelle bobine. Ciò garantisce che la direzione della coppia rimanga coerente durante tutta la rotazione.
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| Passo | Angolo del rotore | Contatto spazzola (+) | Contatto spazzola (-) | Coppia elettromagnetica | Corrente della bobina |
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Il commutatore è un insieme di segmenti di contatto in rame (due segmenti in questo modello semplificato) montati sull'albero del rotore, ruotanti con esso. Le spazzole sono blocchi di carbone fissi mantenuti contro il commutatore da molle. Quando il rotore gira, le spazzole entrano in contatto con diversi segmenti a turno. Poiché una spazzola è positiva e l'altra negativa, la direzione della corrente attraverso gli avvolgimenti si inverte meccanicamente ogni volta che il rotore passa per il punto medio verticale. Questo garantisce che i poli magnetici del rotore respingano e attraggano sempre i magneti dello statore in modo da generare una coppia oraria continua.
Questo è il più grande vantaggio dei motori CC a spazzole! La commutazione è gestita interamente in modo meccanico dall'interfaccia spazzola-commutatore che agisce come un interruttore fisico. Basta applicare una tensione CC ai terminali per far funzionare il motore continuamente. Non richiede microcontrollori (MCU), chip driver (MOSFET) o algoritmi di rilevamento della posizione del rotore, rendendo il sistema estremamente economico e semplice.
Ci sono tre svantaggi principali :
• Usura delle spazzole e breve durata: Il costante attrito da strisciamento tra le spazzole e il commutatore consuma le spazzole di carbone nel tempo, richiedendo manutenzione o sostituzione regolare.
• Archi elettrici e interferenze elettromagnetiche (EMI): Durante la commutazione dei contatti delle spazzole si generano archi elettrici a causa dell'induttanza della bobina. Questo crea minuscole scintille (non adatte ad ambienti esplosivi) e genera un rumore elettrico significativo che interferisce con l'elettronica vicina.
• Dissipazione termica e efficienza insoddisfacenti: Gli avvolgimenti che generano calore si trovano sul rotore rotante, rendendo difficile il trasferimento diretto del calore alla carcasa esterna, il che limita la densità di potenza del motore.
Il principio fondamentale è identico. Tuttavia, per evitare che il motorino si blocchi sul punto morto verticale di 90° (onde non può avviarsi da fermo), i motori dei giocattoli reali utilizzano generalmente un rotore a 3 poli (tre denti di ferro e tre segmenti di commutatore). Questo design garantisce che almeno due fases siano sempre alimentate a qualsiasi angolo, consentendo al motore di avviarsi in modo affidabile da qualsiasi posizione statica e di funzionare con una coppia più regolare e uniforme.