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Un motore a corrente continua (CC) può convertire stabilmente la corrente continua in energia meccanica rotazionale, principalmente risolvendo il problema del "campo magnetico unidirezionale" generato dalla corrente continua attraverso una speciale progettazione strutturale. Si basa su un "commutatore" per mantenere una direzione costante della forza (受力) del rotore e il suo funzionamento coinvolge tre componenti principali: statore, rotore e commutatore, oltre a due processi chiave: l'azione direzionale della forza elettromagnetica e la commutazione meccanica. Il principio specifico può essere suddiviso nelle tre parti seguenti:
1. Componenti principali: creazione del “quadro strutturale” per la forza direzionale
La progettazione strutturale di un motore a corrente continua è incentrata sulla necessità di una "rotazione continua", con ciascuno dei tre componenti che svolge uno scopo distinto:
- Statore: Essendo la parte fissa del motore, è costituita principalmente da poli magnetici principali, un telaio e spazzole. I poli magnetici principali sono solitamente avvolti con avvolgimenti di campo; quando vengono attraversati da corrente continua, viene generato un campo magnetico costante (con poli N e S alternati), fornendo un ambiente in cui il rotore può subire la forza. Le spazzole sono fissate al telaio: un'estremità è collegata a un alimentatore CC esterno e l'altra estremità è a contatto con il commutatore del rotore, responsabile della trasmissione della corrente al rotore.
- Rotore (Indotto): Situato all'interno del campo magnetico dello statore, può ruotare attorno all'albero motore ed è composto da un nucleo di indotto e da avvolgimenti di indotto. Il nucleo di indotto è realizzato impilando lamiere di acciaio al silicio per ridurre le perdite per correnti parassite. Gli avvolgimenti di indotto sono avvolti nelle cave del nucleo secondo uno schema specifico e fungono da componente centrale per generare forza elettromagnetica attraverso l'interazione tra corrente e campo magnetico.
- Commutatore: "Innovazione chiave" dei motori a corrente continua, è fissato sull'albero del rotore e collegato a entrambe le estremità degli avvolgimenti dell'indotto. È composto da più segmenti di rame isolati (il numero di segmenti di rame corrisponde al numero di spire negli avvolgimenti dell'indotto). Agendo come un "convertitore di direzione della corrente", cambia la direzione della corrente negli avvolgimenti dell'indotto in tempo reale attraverso il contatto strisciante con le spazzole.
2. Meccanismo operativo: la “logica fondamentale” per ottenere una rotazione continua
La rotazione di un motore a corrente continua dipende dalla sinergia tra “generazione di forza elettromagnetica” e “regolazione del commutatore”, con il processo specifico suddiviso in due fasi:
- Generazione direzionale della forza elettromagnetica: Quando una corrente continua esterna fluisce nel commutatore attraverso le spazzole e poi negli avvolgimenti dell'indotto, i conduttori degli avvolgimenti dell'indotto, situati nel campo magnetico costante dello statore, subiscono una forza elettromagnetica secondo la regola della mano sinistra di Fleming. Ad esempio, i conduttori sotto il polo N dello statore subiscono una forza verso destra, mentre quelli sotto il polo S subiscono una forza verso sinistra. Queste forze formano collettivamente una coppia elettromagnetica che spinge il rotore a ruotare in senso orario.
- Funzione di commutazione del commutatore: Quando il rotore ruota fino al punto in cui "i conduttori degli avvolgimenti dell'indotto attraversano la linea centrale dei poli magnetici dello statore", se la direzione della corrente rimane invariata, la direzione del campo magnetico che agisce sui conduttori si inverte, causando l'inversione della direzione della forza elettromagnetica e impedendo al rotore di ruotare continuamente. A questo punto, il commutatore ruota in sincronia con il rotore. Attraverso la commutazione del contatto tra i segmenti di rame e le spazzole, inverte con precisione la direzione della corrente nel conduttore: la corrente che originariamente fluiva in ingresso ora fluisce in uscita, mantenendo la stessa direzione della forza elettromagnetica (guidando comunque il rotore a ruotare in senso orario). Questo ciclo si ripete: ogni volta che il rotore ruota di 180°, il commutatore regola la direzione della corrente una volta, assicurando che il rotore riceva sempre una coppia elettromagnetica nella stessa direzione e consentendo una rotazione continua.
3. Significato pratico del principio: determinazione delle prestazioni e delle applicazioni dei motori CC
Questo principio fondamentale conferisce ai motori a corrente continua vantaggi unici: regolando la tensione di armatura o la corrente di campo, è possibile ottenere facilmente una regolazione fluida della velocità (ad esempio, una variazione continua da bassa ad alta velocità). Inoltre, hanno un'elevata coppia di spunto, che consente loro di avviare apparecchiature con carichi pesanti. Pertanto, i motori a corrente continua sono ampiamente utilizzati in scenari che richiedono un'elevata precisione nel controllo della velocità, come gli azionamenti a mandrino per macchine utensili e macchine di trazione per ascensori nel settore industriale, i sistemi di azionamento per veicoli elettrici tradizionali nel settore dei trasporti e i motori per utensili elettrici e tapis roulant negli elettrodomestici. Tuttavia, a causa dell'attrito meccanico tra il collettore e le spazzole, i motori a corrente continua presentano costi di manutenzione relativamente più elevati e una durata inferiore rispetto ai motori a corrente alternata. Ciò ha anche guidato lo sviluppo di motori a corrente continua senza spazzole (che utilizzano la commutazione elettronica anziché quella meccanica).
