Spazzole e portaspazzole delle macchine elettriche a corrente continua: scopo, materiale, tipologia e dispositivo

Nei motori elettrici e nei generatori è spesso necessario stabilire un collegamento elettrico tra le parti fisse e rotanti del dispositivo.

Nel caso di un avvolgimento principale di statore (cioè stazionario) di una macchina elettrica, è facile predisporre diramazioni da esso per collegare un sistema elettrico fisso esterno, ma nel caso di un avvolgimento principale di rotore (cioè rotante), diventa necessario predisporre un contatto elettrico strisciante, perché altrimenti l'avvolgimento del rotore non è disponibile.

Il contatto strisciante elettrico può essere implementato in due modi: o come contatto strisciante ad anello o come contatto strisciante collettore. In entrambi i casi, il funzionamento di una macchina elettrica richiede dispositivi speciali: spazzole.

Nelle prime macchine elettriche, le spazzole erano un pacco assemblato da lastre di rame o fili sottili, da cui prendevano il nome.

Le spazzole delle macchine moderne sono cubi pressati da polveri di carbone, grafite o rame e quindi non sono all'altezza del loro nome, che però è rimasto dietro di loro.

Le spazzole in rame, ferro e bronzo, che svolgevano egregiamente il lavoro nelle prime macchine DC alla fine del XIX secolo, si rivelarono materiali non molto buoni in termini di attrito. Si consumano rapidamente e nei nuovi modelli di macchine vengono sostituiti da carbone e grafite.

Attualmente per macchine a corrente continua utilizzato quasi esclusivamente spazzole di carbone con una miscela di grafite, recanti, a seconda della percentuale di grafite e del modo in cui sono realizzati i pennelli, i nomi di carbon-grafite, grafite o elettrografo. Solo per le macchine a bassa tensione, fino a 30 V, vengono utilizzate spazzole in metallo-carbone, che danno una minore caduta di tensione nello strato di contatto (transizione) sul collettore.

Spazzole di carbone sono realizzati in pura grafite, carbone di storta e nerofumo in varie proporzioni. Il carbone è un materiale autolubrificante che non danneggia la superficie su cui strofina e non si consuma rapidamente.

Pennelli in grafite sono realizzati in pura grafite naturale. La grafite viene frantumata in una polvere fine, che viene poi pressata ad altissima pressione in barre della dimensione desiderata. Il carbone e la grafite sono ottimi conduttori di elettricità.

Spazzole in elettrografite Sono essenzialmente spazzole di carbone ma esposte ad alte temperature in un forno elettrico e quindi convertite in grafite. Queste spazzole hanno ottime proprietà di levigatura.

Spazzole di carbone fatto di carbone e rame frantumato in una polvere fine, a volte con l'aggiunta di un altro metallo frantumato (il più delle volte stagno).

La produzione di queste spazzole viene effettuata in modo tale che la spazzola abbia la migliore conducibilità possibile nella direzione assiale, in cui passa la corrente di lavoro della macchina, e scarsa conducibilità (elevata resistenza elettrica) nella direzione trasversale, in cui le correnti aggiuntive delle sezioni incluse sono chiuse durante la commutazione.

Le spazzole per macchine elettriche sono standardizzate. Sono caratterizzati da durezza, caduta di tensione transitoria nel contatto e densità di corrente consentita.

Questa tecnologia di trasmissione dell'energia, che ha più di cento anni, è ancora ampiamente utilizzata oggi. Le spazzole di carbone si possono ancora trovare in molti motori elettrici. A partire dai piccoli motori nei giocattoli, elettrodomestici da cucina, alzacristalli elettrici, rasoi, lavatrici, asciugacapelli, aspirapolvere o utensili elettrici (trapani elettrici, smerigliatrici angolari, router, seghe circolari, ecc.),

Le spazzole sono utilizzate anche in grandi macchine a corrente continua in locomotive elettriche, sottomarini e generatori di centrali elettriche, nonché nelle turbine eoliche. Di conseguenza, le caratteristiche geometriche ed elettriche delle spazzole di carbone sono diverse.

Il numero di zone (che formano la superficie cilindrica del collettore) del montaggio delle spazzole sul collettore è solitamente uguale al numero di poli della macchina. Il numero di spazzole in ogni zona dipende dal valore della corrente e dalla densità di corrente sotto la spazzola ammissibile per un dato tipo di spazzola, ma solo in macchine molto piccole si possono trovare meno di due spazzole per zona, poiché con una spazzola per zona è difficile garantire l'affidabilità del contatto della spazzola.

Le spazzole che rimangono nella stessa zona sono chiamate set di pennelli di zona e l'insieme di tutti i set di zone di una data macchina è chiamato set di pennelli completo.

La superficie terminale delle spazzole sul lato opposto al contatto con il collettore è solitamente ramata, a volte stagnata. Ad una piccola corrente assorbita dalla spazzola, condizioni sufficientemente soddisfacenti per l'assorbimento di corrente sono fornite dalla superficie di contatto della spazzola con il portaspazzola e la molla di compressione.

Gli spazzolini grandi sono muniti di cappucci in lamiera di rame, su di essi calzati a tenuta, e di fili ad essi annessi, costituiti da cavi flessibili morbidi di opportuna sezione, con punte per il fissaggio sotto una vite ad un portaspazzolino o ad una parte destinata allo scarico corrente di pennello. Il cappuccio della spazzola in corda è chiamato braccio della spazzola.

Le spazzole sono mantenute in una posizione fissa rispetto al collettore porta spazzole, il cui design è molto vario.

Se la macchina elettrica è progettata per entrambi i sensi di rotazione, vengono utilizzati portaspazzole radiali, che assicurano la posizione della spazzola lungo il raggio del collettore. Su macchine con uno specifico senso di rotazione, i portaspazzole vengono spesso utilizzati con una certa inclinazione della spazzola rispetto al raggio.

Portaspazzole per macchine DC di bassa e media potenza

Portaspazzole grande per macchina DC

I portaspazzole a zona singola sono fissati alle dita delle spazzole rotonde o quadrate o a pinze per spazzole… Le punte delle spazzole o i morsetti di diverse aree della spazzola sono rinforzati supporti per spazzole o traversine per spazzoleda cui devono essere isolati in modo affidabile.

A loro volta, le traverse pari sono fissate o ai cuscinetti, o agli scudi, o al giogo, o, infine, indipendentemente alla piastra di base della macchina (per i collettori lunghi).

Condizioni importanti che il portaspazzole o la traversa portaspazzole devono soddisfare sono l'assoluta assenza di vibrazioni, l'accessibilità per il controllo e la regolazione delle spazzole, la facile rimozione dei singoli portaspazzole per le riparazioni e la possibilità di ruotare contemporaneamente l'intero sistema di spazzole per un montaggio preciso nel corretta posizione di commutazione mantenendo la piena concentricità di portaspazzole e collettore.

Spazzole, portaspazzole, dita (o morsetti) e una traversa (o supporto) costituiscono il cosiddetto collettore di corrente di una macchina DC. Include anche collegamenti tra set di spazzole di zona della stessa polarità.

Per drenare la corrente, le punte delle spazzole ei morsetti delle zone omonime (cioè della stessa polarità, positiva o negativa) sono collegati elettricamente tra loro con un filo isolato di sezione corrispondente.

Si ottengono così due anelli di raccolta completi o parziali che vengono poi collegati tramite cavi flessibili di opportuna sezione ai terminali esterni della macchina. Questi ultimi sono fissati su un'apposita piastra di fissaggio o al giogo o alla piastra principale della macchina. La morsettiera, coperta da un coperchio protettivo, forma una morsettiera.

La corretta applicazione e selezione delle spazzole, combinate con una corretta manutenzione, si traducono in un aumento delle prestazioni della macchina e in una riduzione dei costi di fermo macchina.

Poiché l'attrito causato dalla rotazione del dispositivo provoca usura abrasiva, le spazzole devono essere sostituite periodicamente.Per tale motivo, motori senza spazzole.