La funzione principale di una spazzola di carbone
A spazzola di carbone trasporta la corrente elettrica dal cablaggio fisso all'interno di un utensile elettrico al commutatore rotante o all'anello collettore montato sull'albero del motore, e lo fa mentre l'albero gira a velocità. Senza questo contatto strisciante, la corrente non potrebbe raggiungere gli avvolgimenti rotanti dell'armatura, quindi il motore semplicemente non funzionerebbe. La spazzola viene premuta contro il commutatore da una piccola molla e, mentre l'albero ruota, la faccia della spazzola scorre attraverso una serie di segmenti di rame, ciascuno dei quali entra brevemente in contatto e poi si rilascia quando il segmento successivo prende il suo posto. Questa commutazione costante è ciò che consente al campo magnetico all'interno del motore di invertirsi al momento giusto, che è il principio di base che mantiene a motore a corrente continua girare in una direzione invece di bloccarsi.
Come il contatto strisciante mantiene il circuito chiuso
All'interno di un motore universale, il commutatore è diviso in un numero di segmenti di rame isolati e ciascun segmento si collega a un diverso insieme di avvolgimenti nell'armatura. Mentre la spazzola scivola da un segmento a quello successivo, collega momentaneamente due segmenti contemporaneamente, che è il punto in cui può apparire una piccola scintilla, nota come arco di commutazione. Una molla a spazzola applica tipicamente una forza di contatto nell'intervallo di Da 150 a 300 grammi , sufficiente per mantenere una connessione stabile senza premere così forte da usurare in modo non uniforme la superficie del commutatore per attrito. Se la forza della molla diminuisce perché una molla si è indebolita o la spazzola si è usurata più di quanto consentito dal supporto, il contatto diventa intermittente e il motore potrebbe funzionare in modo non uniforme o perdere potenza sotto carico.
Perché in molti piccoli motori vengono utilizzate due spazzole
Molti utensili elettrici portatili utilizzano una coppia di spazzole posizionate una di fronte all'altra sul commutatore, una che trasporta la corrente e l'altra che la riporta indietro. Questa disposizione bilancia la pressione meccanica sull'albero e distribuisce l'usura in modo che un singolo punto di contatto non svolga tutto il lavoro. Negli strumenti che assorbono una corrente più elevata, come le smerigliatrici angolari o le seghe circolari, le spazzole sono spesso più larghe o dotate di una superficie di contatto più ampia per gestire il carico aggiuntivo senza surriscaldarsi.
Materiali dietro la costruzione della spazzola di carbone
Le spazzole di carbone non sono costituite da un'unica sostanza uniforme; il termine copre una gamma di composizioni a base di carbonio progettate per diverse combinazioni di conduttività, durezza e tolleranza al calore. Le spazzole in grafite pura sono morbide e autolubrificanti, il che le rende delicate sulla superficie del commutatore, ma trasportano meno corrente rispetto alle miscele che includono metallo. Le spazzole in elettrografite vengono prodotte riscaldando il carbonio amorfo ad alta temperatura, che ne modifica la struttura interna e migliora la conduttività mantenendo il materiale relativamente morbido. Le spazzole in rame-grafite mescolano il rame in polvere nella matrice di carbonio, spesso andando a costituirsi da qualche parte nel mezzo 40 e 70%. della spazzola in base al peso, e questa composizione è comune negli strumenti che assorbono una notevole corrente, come i motori di aspirazione e i generatori portatili, poiché il contenuto di rame riduce la resistenza elettrica.
Confronto generale dei tipi di materiali comuni delle spazzole di carbone utilizzati nei motori degli utensili elettrici | Tipo materiale | Conduttività | Durezza | Applicazione tipica |
| Grafite pura | Più in basso | Morbido | Strumenti leggeri, motori a bassa velocità |
| Elettrografite | Moderato | Morbido to medium | Elettrodomestici di uso generale |
| Rame-grafite | Più in alto | Da medio a duro | Smerigliatrici, trapani, generatori, motori aspiranti |
Perché l'attrito e la formazione di archi consumano gradualmente la spazzola
Ogni volta che la faccia della spazzola scorre sul commutatore, sperimenta una piccola quantità di attrito meccanico e ogni volta che attraversa lo spazio tra due segmenti, sperimenta una piccola scintilla elettrica. Dopo molte ore di funzionamento, questi due effetti si combinano per erodere gradualmente il blocco di carbonio, accorciandone la lunghezza millimetro per millimetro. Un pennello che è iniziato alle 12 millimetri in lunghezza potrebbe consumarsi da qualche parte vicino 4 o 5 millimetri dopo un uso prolungato in uno strumento utilizzato di frequente, a quel punto la molla non riesce più a mantenere la pressione adeguata contro il commutatore. Anche il calore gioca un ruolo, poiché un assorbimento di corrente elevato e prolungato aumenta la temperatura nel punto di contatto e cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento possono causare la fragilità e la scheggiatura del materiale della spazzola anziché un'usura uniforme.
Riconoscere quando è necessario sostituire una spazzola
Una spazzola usurata tende a manifestarsi attraverso una manciata di sintomi evidenti piuttosto che fallire silenziosamente. Scintille visibili attorno alle prese d'aria dell'alloggiamento del motore, un odore di bruciato vicino al coperchio posteriore dell'utensile, un motore che perde potenza in modo intermittente sotto carico e quantità insolite di polvere nera di carbonio che si accumula all'interno dell'alloggiamento sono indicatori comuni che la superficie di contatto si è assottigliata oltre un punto lavorabile. Molti produttori indicano la lunghezza minima utilizzabile direttamente sulla spazzola sostitutiva o la specificano nella documentazione di servizio dell'utensile, spesso da qualche parte 6 millimetri , al di sotto del quale la pressione della molla e l'area di contatto non sono più sufficienti per un trasferimento di corrente affidabile. Il controllo della lunghezza della spazzola durante la manutenzione ordinaria, in particolare sugli strumenti utilizzati quotidianamente in officina, può rilevare questa usura prima che causi lo stallo completo del motore.
La matematica della riparazione
Un set di spazzole di carbone sostitutivo in genere costa una piccola frazione di un nuovo utensile elettrico e la sostituzione di un paio di spazzole usurate spesso fa la differenza tra mandare in pensione uno strumento e ottenerne molti altri anni di utilizzo. Quando un costo modesto delle parti prolunga la vita lavorativa di un motore che altrimenti verrebbe scartato, l'energia di produzione, l'imballaggio, la spedizione e l'eventuale onere di smaltimento legato alla produzione di uno strumento sostitutivo vengono evitati con un esborso relativamente piccolo. Questo è uno dei motivi per cui la sostituzione delle spazzole rimane una riparazione base standard insegnata in molti corsi di manutenzione di elettrodomestici e strumenti piuttosto che un compito specialistico riservato ai tecnici professionisti.
Strumenti di uso quotidiano che dipendono dalle spazzole di carbone
Le spazzole di carbone sono presenti in un'ampia gamma di attrezzature domestiche e da officina oltre all'ovvio trapano a batteria. Le smerigliatrici angolari, le seghe circolari e le seghe alternative si affidano tutte a motori universali con spazzole perché quel tipo di motore può raggiungere le elevate velocità di rotazione necessarie per il taglio e la molatura pur rimanendo compatto ed economico da produrre. Gli aspirapolvere e i miscelatori da cucina utilizzano versioni più piccole della stessa tecnologia, e anche i generatori portatili, alcuni ventilatori a soffitto e i motori delle lavatrici più vecchi dipendono da una disposizione di commutatore-spazzola per mantenere il flusso di corrente verso un'armatura rotante. I motorini di avviamento automobilistici sono un altro esempio comune, in cui le spazzole gestiscono un breve ma intenso aumento di corrente ogni volta che il motore gira.
Abbinamento di una spazzola universale a un motore specifico
Scegliere correttamente una spazzola di ricambio universale è importante sia per ripristinare le prestazioni dell'utensile, sia per evitare guasti prematuri che potrebbero danneggiare il commutatore stesso. Le dimensioni fisiche contano all'inizio del processo di selezione, poiché la lunghezza, la larghezza e lo spessore del blocco di carbone devono corrispondere perfettamente alla cavità del portaspazzole; una spazzola che si adatta liberamente sbatterà contro il commutatore anziché mantenere un contatto stabile. La tensione della molla richiede una forza sufficiente per mantenere la spazzola saldamente in posizione senza premere così forte da accelerare l'usura dei segmenti di rame, e i kit universali generalmente includono una gamma di opzioni di molle per adattarsi a diverse categorie di strumenti. Il terminale del filo e lo stile del connettore devono corrispondere al cablaggio interno dell'utensile in modo che la spazzola possa essere installata senza modifiche, e le spazzole destinate a un assorbimento di corrente più elevato, come quelle delle smerigliatrici angolari di grandi dimensioni, generalmente necessitano di un contenuto di metallo più elevato per un'adeguata conduttività, mentre le spazzole con un rapporto di grafite più morbido vengono scelte laddove un funzionamento più silenzioso e regolare conta più della capacità di corrente grezza. Anche il materiale del commutatore influisce sulla decisione, dal momento che alcune formulazioni delle spazzole sono più delicate sui commutatori in rame più teneri, mentre altre sono formulate per superfici dei commutatori più dure e resistenti all'usura presenti nei motori di livello industriale. Un kit universale ben assortito tiene conto di queste variabili offrendo una gamma curata di dimensioni e configurazioni anziché fare affidamento su un'unica forma generica per adattarsi a ogni strumento.
