Le prime macchine usavano spazzole fatte di fili di rame per contattare la superficie del commutatore. Tuttavia, queste spazzole di metallo duro tendevano a graffiare e scanalare i segmenti lisci del commutatore, richiedendo alla fine il rifacimento del commutatore. Man mano che le spazzole di rame si consumavano, la polvere e i pezzi della spazzola potevano incastrarsi tra i segmenti del commutatore, mandandoli in corto circuito e riducendo l’efficienza del dispositivo. La rete o la garza di rame fine fornivano una migliore superficie di contatto con una minore usura dei segmenti, ma le spazzole di garza erano più costose delle spazzole di rame a strisce o a filo.
Le moderne macchine rotanti con commutatori usano quasi esclusivamente spazzole di carbonio, che possono avere polvere di rame mescolata per migliorare la conduttività. Le spazzole di rame metallico si possono trovare in motori giocattolo o molto piccoli, come quello illustrato sopra, e in alcuni motori che funzionano solo in modo molto intermittente, come i motori di avviamento delle automobili.
I motori e i generatori soffrono di un fenomeno noto come “reazione di indotto”, uno dei cui effetti è quello di cambiare la posizione in cui l’inversione di corrente attraverso gli avvolgimenti dovrebbe idealmente avvenire al variare del carico. Le prime macchine avevano le spazzole montate su un anello dotato di una maniglia. Durante il funzionamento, era necessario regolare la posizione dell’anello delle spazzole per regolare la commutazione e minimizzare le scintille sulle spazzole. Questo processo era noto come ‘dondolare le spazzole’.
Vari sviluppi hanno avuto luogo per automatizzare il processo di regolazione della commutazione e minimizzare le scintille sulle spazzole. Uno di questi fu lo sviluppo di “spazzole ad alta resistenza”, o spazzole fatte da una miscela di polvere di rame e carbonio. Anche se descritte come spazzole ad alta resistenza, la resistenza di una tale spazzola era dell’ordine dei milliohm, il valore esatto dipendeva dalla dimensione e dalla funzione della macchina. Inoltre, la spazzola ad alta resistenza non era costruita come una spazzola ma sotto forma di un blocco di carbonio con una faccia curva per adattarsi alla forma del commutatore.
La spazzola ad alta resistenza o di carbonio è fatta abbastanza grande da essere significativamente più larga del segmento isolante che attraversa (e su macchine grandi può spesso attraversare due segmenti isolanti). Il risultato è che quando il segmento del commutatore passa da sotto la spazzola, la corrente che lo attraversa scende più dolcemente rispetto a quanto accadeva con le spazzole di rame puro dove il contatto si rompeva improvvisamente. Allo stesso modo, il segmento che entra in contatto con la spazzola ha una simile rampa di salita della corrente. Così, anche se la corrente che passa attraverso la spazzola è più o meno costante, la corrente istantanea che passa ai due segmenti del commutatore è proporzionale all’area relativa in contatto con la spazzola.
L’introduzione della spazzola di carbonio ha avuto effetti collaterali convenienti. Le spazzole di carbonio tendono ad usurarsi più uniformemente delle spazzole di rame, e il carbonio morbido causa molti meno danni ai segmenti del commutatore. C’è meno scintilla con il carbonio rispetto al rame, e quando il carbonio si consuma, la maggiore resistenza del carbonio provoca meno problemi dovuti alla polvere che si raccoglie sui segmenti del commutatore.
Il rapporto di rame e carbonio può essere cambiato per uno scopo particolare. Le spazzole con un contenuto di rame più elevato funzionano meglio con tensioni molto basse e correnti elevate, mentre le spazzole con un contenuto di carbonio più elevato sono migliori per tensioni elevate e correnti basse. Le spazzole ad alto contenuto di rame in genere portano da 150 a 200 ampere per pollice quadrato di superficie di contatto, mentre il contenuto di carbonio più elevato porta solo da 40 a 70 ampere per pollice quadrato. La maggiore resistenza del carbonio si traduce anche in una maggiore caduta di tensione da 0,8 a 1,0 volt per contatto, o da 1,6 a 2,0 volt attraverso il commutatore.
PortaspazzoleModifica
Una molla è tipicamente usata con la spazzola, per mantenere un contatto costante con il commutatore. Man mano che la spazzola e il commutatore si consumano, la molla spinge costantemente la spazzola verso il commutatore. Alla fine la spazzola si consuma abbastanza da non permettere più un contatto costante o da non essere più tenuta saldamente nel portaspazzole, e quindi la spazzola deve essere sostituita.
È comune che un cavo di alimentazione flessibile sia collegato direttamente alla spazzola, perché la corrente che scorre attraverso la molla di supporto causerebbe un riscaldamento, che potrebbe portare a una perdita di tempra del metallo e a una perdita di tensione della molla.
Quando un motore o un generatore commutato utilizza più potenza di quella che una singola spazzola è in grado di condurre, un gruppo di diversi portaspazzole è montato in parallelo attraverso la superficie del commutatore molto grande. Questo supporto parallelo distribuisce la corrente in modo uniforme su tutte le spazzole, e permette a un operatore attento di rimuovere una spazzola difettosa e sostituirla con una nuova, anche se la macchina continua a girare a piena potenza e sotto carico.
L’attrezzatura commutata ad alta potenza e alta corrente è ora poco comune, grazie al design meno complesso dei generatori a corrente alternata che permette a una bobina di campo rotante a bassa corrente e alta tensione di eccitare le bobine dello statore a posizione fissa ad alta corrente. Questo permette l’uso di spazzole singolari molto piccole nel design dell’alternatore. In questo caso, i contatti rotanti sono anelli continui, chiamati anelli di scorrimento, e non avviene alcuna commutazione.
I dispositivi moderni che usano spazzole in carbonio hanno di solito un design che non richiede manutenzione e che non richiede regolazioni per tutta la vita del dispositivo, usando una fessura porta-spazzole a posizione fissa e un gruppo combinato spazzola-molla-cavo che si inserisce nella fessura. La spazzola usurata viene estratta e viene inserita una nuova spazzola.
Angolo di contatto della spazzolaModifica
I diversi tipi di spazzole fanno contatto con il commutatore in modi diversi. Poiché le spazzole di rame hanno la stessa durezza dei segmenti del commutatore, il rotore non può essere fatto girare all’indietro contro le estremità delle spazzole di rame senza che il rame scava nei segmenti e causa gravi danni. Di conseguenza, le spazzole di rame a strisce/laminato fanno solo un contatto tangenziale con il commutatore, mentre le spazzole a rete e a filo di rame usano un angolo di contatto inclinato che tocca il loro bordo attraverso i segmenti di un commutatore che può girare in una sola direzione.
La morbidezza delle spazzole di carbonio permette un contatto diretto delle estremità radiali con il commutatore senza danni ai segmenti, permettendo una facile inversione della direzione del rotore, senza la necessità di riorientare i portaspazzole per il funzionamento nella direzione opposta. Anche se non sono mai invertiti, i comuni motori per elettrodomestici che usano rotori, commutatori e spazzole avvolte hanno spazzole a contatto radiale. Nel caso di un portaspazzole in carbonio di tipo a reazione, le spazzole in carbonio possono essere inclinate in senso inverso rispetto al commutatore, in modo che il commutatore tenda a spingere contro il carbonio per un contatto saldo.