Che cos'è un motore universale?
Principio di funzionamento
Un motore universale è un motore a collettore con eccitazione serie: l'avvolgimento di campo e l'indotto sono in serie, quindi la stessa corrente scorre in entrambi. La coppia è il flusso di campo per la corrente d'indotto e, poiché la stessa corrente crea il flusso, la coppia cresce circa con il quadrato della corrente (C ∝ I²). Spazzole di carbone e un collettore alimentano l'indotto, come in un motore serie in CC, ed è per questo che la stessa macchina funziona anche in corrente continua.
Perché funziona in CA e in CC
Invertendo l'alimentazione si invertono insieme la corrente di campo e quella d'indotto, quindi C ∝ I² mantiene il segno e il rotore continua a girare nello stesso verso. In CA la coppia non è mai negativa: pulsa tra zero e il doppio del valore medio a 2f, cioè 100 o 120 volte al secondo. La reattanza degli avvolgimenti assorbe inoltre parte della tensione, perciò a parità di tensione efficace il motore gira più piano in CA che in CC e ha un fattore di potenza inferiore a 1.
Velocità, carico e fuga
La forza controelettromotrice è proporzionale al flusso e alla velocità. Con poco carico la corrente scende, il campo si indebolisce e nulla trattiene il rotore, che accelera finché attrito e ventola propria lo limitano, spesso tra 10 000 e 35 000 giri/min. A vuoto un piccolo motore universale può distruggersi. La curva velocità–coppia molto ripida, con la velocità che cala in fretta all'aumentare del carico, gli conferisce anche una coppia di spunto molto alta.
Controllo di velocità e usi
Un triac ritarda l'innesco dopo ogni passaggio per lo zero della rete. Questo controllo di fase riduce la tensione efficace a V·√(1 − α/π + sin 2α / 2π) e quindi la velocità; per questo regolatori simili ai dimmer comandano trapani, frullatori e aspirapolvere. Il motore universale si sceglie per alta velocità, poco peso e forte coppia di spunto; lo scintillio delle spazzole ne limita la vita e provoca disturbi radio.
Domande frequenti
- Perché un motore universale funziona sia in CA sia in CC?
- Campo e indotto sono in serie, quindi invertendo la polarità dell'alimentazione si invertono entrambi insieme. La coppia dipende dal quadrato della corrente (C ∝ I²), che non cambia segno, e il rotore continua a girare nello stesso verso. In CA la coppia semplicemente pulsa al doppio della frequenza di rete. Cambia il tipo di alimentazione nel simulatore e confronta.
- Perché un motore universale va in fuga a vuoto?
- La velocità è la forza controelettromotrice divisa per il flusso. Con quasi nessun carico la corrente scende, il campo serie si indebolisce e la velocità deve salire molto prima che la forza controelettromotrice bilanci l'alimentazione. Solo attrito e ventola la limitano, e si raggiungono decine di migliaia di giri/min. Porta il carico a zero e osserva l'avviso di fuga.
- Come regola la velocità un triac in un motore universale?
- Il triac inizia a condurre solo all'angolo di innesco α dopo ogni passaggio per lo zero, quindi il motore riceve una sinusoide tagliata con tensione efficace minore, V·√(1 − α/π + sin 2α / 2π). Meno tensione significa meno corrente a pari coppia e quindi velocità inferiore. Aumenta l'angolo di innesco nel simulatore per vedere calare tensione e velocità.