I motori brushless sono una varietà di motori elettrici che, a differenza dei motori convenzionali a spazzole o a carbone, la rimozione del carbone nei motori brushless aumenta l'efficienza e la longevità di questi motori rispetto ai motori a carbone convenzionali.
A causa dei numerosi vantaggi dei motori brushless, i nostri numerosi strumenti utilizzano motori brushless per accompagnarti con la loro potenza unica in ogni situazione. Maggiore durata, leggerezza e minore produzione di rumore sono tra le caratteristiche che distinguono questi motori dai motori a carbone.
I motori sono macchine per l'erogazione di potenza
Quando gli ingegneri si trovano ad affrontare la sfida di progettare apparecchiature elettriche per eseguire compiti meccanici, potrebbero pensare a come i segnali elettrici vengono convertiti in energia. Quindi attuatori e motori sono tra i dispositivi che convertono i segnali elettrici in movimento. I motori scambiano energia elettrica in energia meccanica.
Il tipo più semplice di motore è il motore DC con spazzole. In questo tipo di motore, la corrente elettrica viene fatta passare attraverso bobine disposte all'interno di un campo magnetico fisso. La corrente genera campi magnetici nelle bobine; ciò fa ruotare il gruppo bobina, poiché ciascuna bobina viene allontanata dal polo simile e tirata verso il polo diverso del campo fisso. Per mantenere la rotazione, è necessario invertire continuamente la corrente, in modo che le polarità delle bobine si invertano continuamente, facendo sì che le bobine continuino a “inseguire” i poli fissi, diversi da quelli fissi. L'alimentazione alle bobine viene fornita tramite spazzole conduttrici fisse che entrano in contatto con un commutatore rotante; è la rotazione del commutatore che provoca l'inversione della corrente attraverso le bobine. Il commutatore e le spazzole sono i componenti chiave che distinguono il motore DC con spazzole da altri tipi di motore. La Figura 1 illustra il principio generale del motore a spazzole.
Figura 1: funzionamento del motore CC con spazzole.
Le spazzole fisse forniscono energia elettrica al commutatore rotante. Mentre il commutatore ruota, inverte continuamente la direzione della corrente nelle bobine, invertendo le polarità delle bobine in modo che le bobine mantengano la rotazione verso destra. Il commutatore ruota perché è fissato al rotore su cui sono montate le bobine.
I motori differiscono in base al tipo di alimentazione (AC o DC) e al metodo per generare la rotazione (Figura 2). Di seguito, esaminiamo brevemente le caratteristiche e gli usi di ciascun tipo.
Diversi tipi di motori
I motori DC con spazzole, caratterizzati da un design semplice e un facile controllo, sono ampiamente utilizzati per aprire e chiudere i vassoi dei dischi. Nelle automobili vengono spesso utilizzati per ritrarre, estendere e posizionare i finestrini laterali elettrici. Il basso costo di questi motori li rende adatti a molteplici usi. Uno svantaggio, tuttavia, è che spazzole e commutatori tendono a usurarsi in tempi relativamente brevi a causa del loro contatto continuo, richiedendo frequenti sostituzioni e manutenzione periodica.
Un motore passo-passo è azionato da impulsi; ruota di un angolo specifico (passo) con ciascun impulso. Poiché la rotazione è controllata con precisione dal numero di impulsi ricevuti, questi motori sono ampiamente utilizzati per implementare regolazioni della posizione. Vengono spesso utilizzati, ad esempio, per controllare l'alimentazione della carta nei fax e nelle stampanti, poiché questi dispositivi alimentano la carta a passi fissi, facilmente correlati al conteggio degli impulsi. Anche la pausa può essere facilmente controllata, poiché la rotazione del motore si arresta immediatamente quando il segnale dell'impulso viene interrotto.
Nei motori sincroni la rotazione è sincrona con la frequenza della corrente di alimentazione. Questi motori vengono spesso utilizzati per azionare i vassoi rotanti nei forni a microonde; i riduttori nel gruppo motore possono essere utilizzati per ottenere le velocità di rotazione adeguate per riscaldare il cibo. Anche nei motori asincroni la velocità di rotazione varia con la frequenza; ma il movimento non è sincrono. In passato questi motori venivano spesso utilizzati nei ventilatori elettrici e nelle lavatrici.
Esistono vari tipi di motore di uso comune. In questa sessione esamineremo i vantaggi e le applicazioni dei motori DC brushless.
Perché i motori BLDC girano?
Come suggerisce il nome, i motori CC senza spazzole non utilizzano spazzole. Con i motori a spazzole, le spazzole forniscono corrente attraverso il commutatore alle bobine sul rotore. Quindi, come fa un motore brushless a trasmettere la corrente alle bobine del rotore? Non è così, perché le bobine non si trovano sul rotore. Il rotore è invece un magnete permanente; le bobine non ruotano, ma sono invece fissate sullo statore. Poiché le bobine non si muovono, non sono necessarie spazzole e commutatore. (Vedi Figura. 3.)
Con il motore a spazzole, la rotazione si ottiene controllando i campi magnetici generati dalle bobine sul rotore, mentre il campo magnetico generato dai magneti stazionari rimane fisso. Per modificare la velocità di rotazione, si modifica la tensione delle bobine. Con un motore BLDC è il magnete permanente che ruota; la rotazione si ottiene modificando la direzione dei campi magnetici generati dalle bobine stazionarie circostanti. Per controllare la rotazione, si regola l'entità e la direzione della corrente in queste bobine.
Poiché il rotore è un magnete permanente, non necessita di corrente, eliminando la necessità di spazzole e commutatore. La corrente alle bobine fisse è controllata dall'esterno.
Vantaggi dei motori BLDC
Un motore BLDC con tre bobine sullo statore avrà sei fili elettrici (due per ciascuna bobina) che si estendono da queste bobine. Nella maggior parte delle implementazioni tre di questi fili saranno collegati internamente, con i tre fili rimanenti che si estendono dal corpo del motore (in contrasto con i due fili che si estendono dal motore con spazzole descritto in precedenza). Il cablaggio nell'involucro del motore BLDC è più complicato del semplice collegamento dei terminali positivo e negativo della cella di potenza; esamineremo più da vicino il funzionamento di questi motori nella seconda sessione di questa serie. Di seguito concludiamo esaminando i vantaggi dei motori BLDC.
Un grande vantaggio è l'efficienza, poiché questi motori possono controllare continuamente la massima forza di rotazione (coppia). I motori con spazzole, al contrario, raggiungono la coppia massima solo in determinati punti della rotazione. Affinché un motore con spazzole possa fornire la stessa coppia di un modello senza spazzole, dovrebbe utilizzare magneti più grandi. Ecco perché anche i piccoli motori BLDC possono erogare una potenza considerevole.
Il secondo grande vantaggio, correlato al primo, è la controllabilità. I motori BLDC possono essere controllati, utilizzando meccanismi di feedback, per fornire esattamente la coppia e la velocità di rotazione desiderate. Il controllo di precisione a sua volta riduce il consumo di energia e la generazione di calore e, nei casi in cui i motori sono alimentati a batteria, allunga la durata della batteria.
I motori BLDC offrono inoltre elevata durata e bassa generazione di rumore elettrico, grazie all'assenza di spazzole. Con i motori con spazzole, le spazzole e il commutatore si usurano a causa del contatto in movimento continuo e producono anche scintille nel punto in cui avviene il contatto. Il rumore elettrico, in particolare, è il risultato delle forti scintille che tendono a formarsi nelle aree in cui le spazzole passano sopra gli spazi vuoti del commutatore. Questo è il motivo per cui i motori BLDC sono spesso considerati preferibili nelle applicazioni in cui è importante evitare il rumore elettrico.
Applicazioni ideali per motori BLDC
Abbiamo visto che i motori BLDC offrono elevata efficienza e controllabilità e che hanno una lunga durata operativa. Allora a cosa servono? Grazie alla loro efficienza e longevità, sono ampiamente utilizzati nei dispositivi che funzionano continuamente. Sono stati a lungo utilizzati nelle lavatrici, nei condizionatori d'aria e in altri dispositivi elettronici di consumo; e più recentemente stanno comparendo nei ventilatori, dove la loro elevata efficienza ha contribuito a una significativa riduzione del consumo energetico.
Vengono anche utilizzati per azionare le macchine sottovuoto. In un caso, una modifica nel programma di controllo ha comportato un notevole aumento della velocità di rotazione, un esempio della controllabilità superlativa offerta da questi motori.
I motori BLDC vengono utilizzati anche per far girare le unità disco rigido, dove la loro durata mantiene le unità funzionanti in modo affidabile a lungo termine, mentre la loro efficienza energetica contribuisce alla riduzione energetica in un'area in cui ciò sta diventando sempre più importante.
Verso un utilizzo più ampio in futuro
Possiamo aspettarci di vedere i motori BLDC utilizzati in una gamma più ampia di applicazioni in futuro. Ad esempio, saranno probabilmente ampiamente utilizzati per guidare i robot di servizio, piccoli robot che forniscono servizi in campi diversi dalla produzione. Si potrebbe pensare che i motori passo-passo siano più adatti a questo tipo di applicazione, dove gli impulsi potrebbero essere utilizzati per controllare con precisione il posizionamento. Ma i motori BLDC sono più adatti al controllo della forza. E con un motore passo-passo, mantenere la posizione di una struttura come il braccio di un robot richiederebbe una corrente relativamente grande e continua. Con un motore BLDC, tutto ciò che sarebbe necessario è una corrente proporzionata alla forza esterna, consentendo un controllo più efficiente dal punto di vista energetico. I motori BLDC potrebbero anche sostituire i semplici motori CC con spazzole nei golf cart e nei carrelli per la mobilità. Oltre alla loro migliore efficienza, i motori BLDC possono anche fornire un controllo più preciso, che a sua volta può prolungare ulteriormente la durata della batteria.
I motori BLDC sono ideali anche per i droni. La loro capacità di fornire un controllo di precisione li rende particolarmente adatti ai droni multirotore, dove l'assetto del drone è controllato controllando con precisione la velocità di rotazione di ciascun rotore.
In questa sessione abbiamo visto come i motori BLDC offrano efficienza, controllabilità e longevità eccellenti. Ma un controllo attento e corretto è essenziale per sfruttare appieno il potenziale di questi motori. Nella nostra prossima sessione, vedremo come funzionano questi motori.
Orario di pubblicazione: 21 agosto 2023