Che cos'è la forza controelettromotrice in un motore CC?

È la tensione generata dalle bobine d'armatura che si muovono nel campo magnetico. È proporzionale alla velocità, E = Ke × ω, e si oppone alla tensione di alimentazione. Limita la corrente man mano che il motore accelera, ed è per questo che la corrente di spunto è molto maggiore di quella di regime.

Come si controlla la velocità di un motore CC con spazzole?

Si cambia la tensione d'armatura. La velocità è circa proporzionale alla tensione meno la caduta resistiva, e la PWM da un ponte H o da un transistor è il modo usuale di variare la tensione media. I motori a campo avvolto possono anche essere accelerati indebolendo il campo.

Come si inverte un motore CC con spazzole?

Si inverte la polarità dell'alimentazione in un motore a magneti permanenti, normalmente con un ponte H. In un motore serie, derivata o composto, scambiare i fili di alimentazione inverte sia campo sia armatura, quindi bisogna scambiare solo i collegamenti d'armatura o solo quelli di campo.

Perché i motori CC con spazzole si consumano?

Le spazzole di carbone strisciano sul collettore rotante, quindi si consumano, producono polvere e scintillano ai bordi delle lamelle. Alla fine le spazzole sono troppo corte o il collettore è usurato, e il motore richiede manutenzione o sostituzione.

Qual è la differenza tra un motore CC con spazzole e uno senza spazzole?

Un motore con spazzole commuta meccanicamente con spazzole e collettore, con i magneti o l'avvolgimento di campo nello statore e l'avvolgimento sul rotore. Un motore senza spazzole ha i magneti sul rotore e un controllore elettronico che commuta le fasi dello statore, il che elimina l'usura delle spazzole e consente velocità maggiori e vita più lunga, al prezzo di un pilotaggio più complesso.

Come funziona un motore CC con spazzole: collettore, spazzole e retta coppia–velocità

Un motore CC con spazzole gira perché un collettore e delle spazzole di carbone invertono continuamente la corrente nelle bobine rotanti dell'armatura, così la coppia spinge sempre nello stesso verso. A regime la tensione di alimentazione si divide in una caduta resistiva e in una forza controelettromotrice: V = I × R + E, e poiché E è proporzionale alla velocità, la velocità è fissata dalla tensione e la coppia dalla corrente.

Aggiornato il 8 novembre 2026

Armatura, campo e forza su un conduttore

Un motore CC con spazzole ha due parti magnetiche. Il campo è fisso: magneti permanenti oppure bobine polari avvolte, fissate alla carcassa. L'armatura è il rotore, un nucleo di ferro con bobine di rame nelle cave, montato sull'albero.

Quando un conduttore percorso da corrente I si trova in un campo magnetico di densità di flusso B, subisce una forza F = B × I × L, dove L è la lunghezza del conduttore nel campo. Le bobine dell'armatura stanno su lati opposti dell'albero, quindi la forza su un lato spinge verso l'alto e sull'altro verso il basso. Questa coppia di forze genera una coppia attorno all'albero.

Se il verso della corrente in ciascuna bobina non cambiasse mai, la coppia si invertirebbe a ogni mezzo giro e il rotore si limiterebbe a oscillare avanti e indietro. Il collettore è ciò che lo impedisce.

Collettore e spazzole

Il collettore è un anello di lamelle di rame sull'albero, isolate fra loro. Ciascuna bobina d'armatura è collegata a una coppia di lamelle. Due spazzole di carbone fisse premono contro il collettore e portano l'alimentazione in c.c.

Mentre il rotore gira, una bobina passa per la zona neutra tra i poli del campo. In quel momento le spazzole scivolano da una lamella alla successiva, il che inverte la corrente in quella bobina. Una bobina che era sotto un polo nord, percorsa dalla corrente in un verso, è ora sotto un polo sud, percorsa dalla corrente nel verso opposto, quindi la forza su di essa mantiene la stessa direzione.

Il risultato è che l'asse magnetico dell'armatura resta fisso nello spazio, a circa 90° rispetto al campo, mentre il rotore gira. La massima coppia per ampere deriva proprio da questa disposizione perpendicolare. Un motore con spazzole è, in effetti, un inverter meccanico: il collettore converte la c.c. nella corrente alternata di cui ogni bobina ha bisogno.

Forza controelettromotrice e l'equazione V = IR + E

Anche un conduttore che si muove in un campo magnetico genera una tensione. Le bobine dell'armatura si muovono nel campo, quindi generano una forza controelettromotrice che si oppone all'alimentazione:

E = Ke × ω

dove ω è la velocità dell'albero in rad/s e Ke è la costante di tensione in V·s/rad. La corrente di armatura segue poi dall'equazione del circuito

V = I × R + E

dove R è la resistenza dell'armatura. Riarrangiata, I = (V − E) / R.

L'equazione della coppia è speculare:

T = Kt × I

In unità SI Kt (N·m/A) e Ke (V·s/rad) sono numericamente uguali. È la chiave dell'autoregolazione del motore. A rotore fermo E = 0, quindi la corrente è limitata solo da R, e la corrente di spunto V / R è molto grande. Quando il rotore accelera, E cresce, la corrente cala e la coppia cala con essa, finché il motore raggiunge la velocità in cui la coppia eguaglia la coppia di carico più l'attrito.

La retta coppia–velocità e un esempio svolto

Si combinino le tre equazioni eliminando I:

ω = V / Ke − (R / (Ke × Kt)) × T

Per un motore a magneti permanenti è una retta. Tocca l'asse della velocità alla velocità a vuoto V / Ke e l'asse della coppia alla coppia di stallo Kt × V / R. La sua pendenza dipende solo dalla resistenza dell'avvolgimento, quindi un motore a bassa resistenza ha una caratteristica rigida: la velocità cala poco quando il carico aumenta.

Aumentare la tensione di alimentazione sposta l'intera retta verso l'esterno senza cambiarne la pendenza. Per questo una tensione più bassa dà una velocità più bassa a pari coppia, e per questo un motore con spazzole è così facile da controllare.

Il rendimento, però, è migliore a carichi moderati e cala verso lo stallo, perché la perdita nel rame I² × R cresce con il quadrato della corrente.

Esempio svolto. Si prenda un piccolo motore con R = 0,5 Ω e Ke = Kt = 0,05 in unità SI, alimentato a 12 V.

1. Velocità a vuoto (trascurando l'attrito): ω = 12 / 0,05 = 240 rad/s, cioè 240 × 60 / (2π) ≈ 2292 giri/min. 2. Corrente di stallo: V / R = 12 / 0,5 = 24 A. Coppia di stallo: 0,05 × 24 = 1,2 N·m. 3. Lo si carichi ora con 0,2 N·m. La corrente è I = T / Kt = 0,2 / 0,05 = 4 A. 4. Forza controelettromotrice: E = V − I × R = 12 − 4 × 0,5 = 10 V. 5. Velocità: ω = E / Ke = 10 / 0,05 = 200 rad/s ≈ 1910 giri/min. 6. La potenza elettrica in ingresso è 12 × 4 = 48 W; la potenza meccanica in uscita è 0,2 × 200 = 40 W; la perdita nel rame è 4² × 0,5 = 8 W. Il rendimento è 40 / 48 ≈ 83 %, prima delle perdite per attrito e delle spazzole.

Dimezzando l'alimentazione a 6 V con la stessa coppia di 0,2 N·m: la corrente resta 4 A, E = 6 − 2 = 4 V e la velocità scende a 80 rad/s (circa 764 giri/min). Stessa coppia, velocità inferiore, solo per la tensione più bassa.

Controllo di velocità, inversione e usura delle spazzole

Controllo di velocità. Poiché la velocità segue E = V − I × R, cambiare la tensione d'armatura cambia la velocità quasi in proporzione. In pratica la tensione si varia con la PWM: un transistor inserisce e disinserisce l'intera alimentazione migliaia di volte al secondo e l'induttanza del motore ne fa la media. Un ciclo di lavoro più alto significa una tensione media più alta e una velocità maggiore. Indebolire il campo di un motore a campo avvolto aumenta la velocità oltre la velocità base, a scapito della coppia per ampere.

Inversione. Il verso della coppia dipende dal prodotto tra il verso del campo e il verso della corrente d'armatura. Invertendo la polarità dell'alimentazione di un motore a magneti permanenti, questo gira nell'altro verso, cosa che un ponte H fa elettronicamente. In un motore a campo avvolto, invertire l'intera alimentazione inverte sia il campo sia l'armatura, quindi il verso non cambia; occorre scambiare solo i fili d'armatura o solo quelli di campo.

Varianti a campo avvolto. I motori a eccitazione derivata hanno il campo in parallelo all'armatura e girano a velocità quasi costante. I motori a eccitazione serie hanno il campo in serie con l'armatura, con una coppia di spunto molto alta ma una pericolosa velocità di fuga a vuoto. I motori a eccitazione composta combinano le due.

Usura delle spazzole. Le spazzole strisciano sul collettore, quindi si consumano, producono polvere di carbone, generano rumore elettrico e scintillano ai bordi delle lamelle. Questa usura, e il limite che pone a velocità e vita senza manutenzione, è il motivo principale per cui molti progetti sono passati ai motori senza spazzole.

Come il simulatore modella un motore CC con spazzole

Il simulatore del motore CC con spazzole di Curvo Studio usa lo stesso modello compatto descritto sopra. L'Eccitazione di campo predefinita è Magnete (un magnete permanente), con Kt e Ke trattati come numericamente uguali in unità SI. Dai valori di targa e dalle condizioni impostate, risolve corrente d'armatura, forza controelettromotrice, coppia e velocità del rotore, e segnala il motore come bloccato se la corrente necessaria per il carico raggiungerebbe la corrente di stallo V / R alla tensione di alimentazione attuale.

Il simulatore offre anche i collegamenti di campo Derivata, Serie e Composto, e un Reostato di campo per i tipi derivata e composto. Un grafico mostra la curva velocità–coppia per il collegamento selezionato, con gli altri tre sfumati sullo sfondo per confronto. L'avviamento è mostrato come un semplice avvicinamento esponenziale alla velocità e alla corrente di regime, a partire dall'alta corrente iniziale V / R. È un modello esplicativo, non un calcolo di progetto o di protezione.

Il modello 3D mostra come parti separate i poli di campo o i magneti, il nucleo e gli avvolgimenti dell'armatura, il collettore segmentato e le spazzole di carbone fisse. Il collettore gira con l'armatura mentre le spazzole restano ferme.

Provalo nel simulatore del motore CC con spazzole

Apri il simulatore del motore CC con spazzole e prova questi esperimenti.

Trascina il cursore Tensione di alimentazione giù e su e osserva la velocità del rotore cambiare quasi in proporzione, mentre la lettura Indietro EMF la segue.
Aumenta il cursore Carico meccanico. Le letture Corrente di armatura e Coppia salgono, e la velocità cala leggermente per la caduta di tensione sulla resistenza d'armatura.
Spingi il carico oltre ciò che il motore può erogare alla tensione attuale (per esempio pochi volt di alimentazione con il 120 % di carico) e il motore si blocca.
Passa Polarità tra Positivo e Invertito. Un motore a magneti permanenti inverte il verso; selezionando Derivata, Serie o Composto in Eccitazione di campo compare il suggerimento che un motore a campo avvolto non lo fa.
Confronta i quattro tipi di eccitazione nel grafico Velocità–coppia per collegamento del campo e nota come si comporta un motore serie a carico ridotto.
Usa la vista Spaccato o Esploso del modello 3D per trovare le lamelle del collettore e le spazzole.

Provalo nel simulatore

Apri il simulatore Motore DC spazzolato

Domande frequenti

Come funziona un motore CC con spazzole?: Una corrente attraversa le bobine d'armatura immerse in un campo magnetico, producendo una coppia. Collettore e spazzole invertono la corrente in ogni bobina quando passa per la zona neutra, così la coppia sul rotore continua a puntare nello stesso verso e il motore gira in modo continuo.
Che cos'è la forza controelettromotrice in un motore CC?: È la tensione generata dalle bobine d'armatura che si muovono nel campo magnetico. È proporzionale alla velocità, E = Ke × ω, e si oppone alla tensione di alimentazione. Limita la corrente man mano che il motore accelera, ed è per questo che la corrente di spunto è molto maggiore di quella di regime.
Come si controlla la velocità di un motore CC con spazzole?: Si cambia la tensione d'armatura. La velocità è circa proporzionale alla tensione meno la caduta resistiva, e la PWM da un ponte H o da un transistor è il modo usuale di variare la tensione media. I motori a campo avvolto possono anche essere accelerati indebolendo il campo.
Come si inverte un motore CC con spazzole?: Si inverte la polarità dell'alimentazione in un motore a magneti permanenti, normalmente con un ponte H. In un motore serie, derivata o composto, scambiare i fili di alimentazione inverte sia campo sia armatura, quindi bisogna scambiare solo i collegamenti d'armatura o solo quelli di campo.
Perché i motori CC con spazzole si consumano?: Le spazzole di carbone strisciano sul collettore rotante, quindi si consumano, producono polvere e scintillano ai bordi delle lamelle. Alla fine le spazzole sono troppo corte o il collettore è usurato, e il motore richiede manutenzione o sostituzione.
Qual è la differenza tra un motore CC con spazzole e uno senza spazzole?: Un motore con spazzole commuta meccanicamente con spazzole e collettore, con i magneti o l'avvolgimento di campo nello statore e l'avvolgimento sul rotore. Un motore senza spazzole ha i magneti sul rotore e un controllore elettronico che commuta le fasi dello statore, il che elimina l'usura delle spazzole e consente velocità maggiori e vita più lunga, al prezzo di un pilotaggio più complesso.