Nel settore del controllo dei fluidi in miniatura, i motori brushless rappresentano la principale fonte di alimentazione per le apparecchiature tradizionali, comprese le pompe dell'acqua in miniatura e le pompe per vuoto in miniatura. Piccole elettrovalvole cooperano con i motori per ottenere la regolazione automatica del flusso. Recentemente, molti acquirenti di apparecchiature si sono concentrati sulle prestazioni del BLDC; pertanto, stiamo lanciando un articolo scientifico divulgativo serializzato per svelare le conoscenze fondamentali di questo motore ad alta efficienza.
Comprendere i principi e le applicazioni dei motori ad alta efficienza: i motori elettrici convertono l'energia elettrica fornita in energia meccanica. Vari tipi di motori elettrici sono ampiamente utilizzati. Tra questi, i motori CC senza spazzole (BLDC) sono altamente efficienti e hanno un'eccellente controllabilità e sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni. Rispetto ad altri tipi di motori, i motori BLDC presentano vantaggi in termini di risparmio energetico.
I motori elettrici sono macchine a trasmissione elettrica.
Quando gli ingegneri affrontano la sfida di progettare apparecchiature elettriche per eseguire compiti meccanici, possono considerare come i segnali elettrici vengono convertiti in energia. Pertanto, attuatori e motori rientrano tra i dispositivi che convertono i segnali elettrici in movimento. I motori convertono l'energia elettrica in energia meccanica.
Il motore elettrico più semplice è il motore DC senza spazzole. In questo tipo di motore, la corrente scorre attraverso bobine poste all'interno di un campo magnetico fisso. La corrente genera un campo magnetico nelle bobine; ciò fa sì che il gruppo bobina ruoti mentre ciascuna bobina viene allontanata dal proprio polo e tirata verso un polo del campo magnetico fisso. Per mantenere la rotazione, la corrente deve essere costantemente invertita, provocando un'inversione continua della polarità della bobina, con il risultato che le bobine continuano a "inseguire" il polo del campo magnetico opposto. L'alimentazione alle bobine è fornita da spazzole conduttrici fisse che contattano il commutatore rotante; la rotazione del commutatore fa sì che la corrente circoli attraverso le bobine in senso opposto. Il commutatore e le spazzole sono i componenti chiave che distinguono i motori DC con spazzole dagli altri motori.
La Figura 1 illustra il principio generale di un motore CC con spazzole.
La Figura 1 illustra il principio generale di un motore CC con spazzole.
Figura 1: funzionamento di un motore CC con spazzole.
Le spazzole fisse forniscono energia elettrica al commutatore rotante. Mentre il commutatore ruota, inverte continuamente la direzione della corrente che scorre verso le bobine, invertendo così la polarità delle bobine e mantenendole in rotazione verso destra. Il commutatore ruota perché è collegato ad un rotore su cui sono montate le bobine.
Tipi di motori comuni
I motori differiscono per il tipo di alimentazione (CA o CC) e per il metodo di generazione della rotazione (Figura 2). Di seguito presentiamo brevemente le caratteristiche e le applicazioni di ciascuna tipologia.
Figura 2: diversi tipi di motori
I motori CC con spazzole sono semplici nel design, facili da controllare e ampiamente utilizzati per l'apertura e la chiusura dei vassoi dei dischi. Nelle automobili, vengono comunemente utilizzati per ritrarre, estendere e posizionare i finestrini laterali elettrici. Il basso costo di questi motori li rende adatti a molte applicazioni. Tuttavia, uno svantaggio è che le spazzole e il commutatore tendono a usurarsi in tempi relativamente brevi a causa del contatto continuo, richiedendo frequenti sostituzioni e una manutenzione regolare.
I motori passo-passo sono azionati da impulsi; per ogni impulso ricevuto, ruota di un angolo specifico (passi). Poiché il processo di rotazione è interamente controllato dal numero di impulsi ricevuti, questi motori sono ampiamente utilizzati per la regolazione della posizione. Vengono spesso utilizzati per controllare il processo di alimentazione della carta nei fax e nelle stampanti, poiché questi dispositivi alimentano la carta in passaggi fissi e questi passaggi sono facilmente correlati al conteggio degli impulsi. Anche il controllo della pausa è facile da implementare, poiché la rotazione del motore si arresta immediatamente quando il segnale di impulso viene interrotto.
Quando si utilizzano motori sincroni, la rotazione è sincronizzata con la frequenza della corrente di alimentazione. Questi motori sono comunemente usati per azionare i vassoi rotanti nei forni a microonde; i riduttori nel gruppo motore forniscono la velocità di rotazione adeguata per riscaldare il cibo. Motori a induzione, la velocità di rotazione varia con la frequenza, ma i movimenti sono asincroni. In passato questi motori venivano comunemente utilizzati nei ventilatori elettrici e nelle lavatrici.
Esistono vari tipi di motori comunemente utilizzati; in questa sezione esamineremo i vantaggi e le applicazioni dei motori DC brushless.
Perché i motori BLDC ruotano?
Come suggerisce il nome, i motori CC senza spazzole non utilizzano spazzole. Nei motori a spazzole, le spazzole trasferiscono la corrente alle bobine sul rotore tramite un commutatore. Quindi, come fa un motore brushless a trasferire la corrente alle bobine del rotore? Nessuna: perché le bobine non si trovano sul rotore. Il rotore è un magnete permanente; le bobine non ruotano ma sono fissate allo statore. Poiché le bobine non si muovono, non sono necessarie spazzole e commutatore. (Vedi Figura 3) Nei motori con spazzole, la rotazione si ottiene controllando il campo magnetico generato dalle bobine sul rotore, mentre il campo magnetico generato dal magnete stazionario rimane costante. Per modificare la velocità di rotazione, è necessario modificare la tensione attraverso le bobine. In un motore BLDC, il magnete permanente ruota; la rotazione si ottiene modificando la direzione del campo elettromagnetico generato dalle bobine stazionarie circostanti. Per controllare la rotazione, è necessario regolare l'entità e la direzione della corrente che scorre in queste bobine.
Figura 3: Motore BLDC.
Poiché il rotore è un magnete permanente, non richiede corrente, eliminando così la necessità di spazzole e commutatori. La corrente alle bobine fisse è controllata esternamente.
Vantaggi dei motori BLDC
Un motore BLDC con tre bobine sullo statore avrà sei fili (due per ciascuna bobina) che si estendono da queste bobine. Nella maggior parte delle implementazioni, tre di questi fili saranno collegati internamente, mentre i restanti tre si estendono dal corpo del motore (a differenza dei due fili del motore a spazzole descritto in precedenza). Il cablaggio all'interno dell'involucro di un motore BLDC è più complesso del semplice collegamento dei terminali positivo e negativo di un alimentatore; esamineremo il funzionamento di questi motori in modo più dettagliato nella Parte II di questa serie. Di seguito concludiamo comprendendo i vantaggi dei motori BLDC.
Un vantaggio significativo è l’efficienza, poiché questi motori possono funzionare continuamente alla coppia massima. Al contrario, i motori con spazzole possono raggiungere la coppia massima solo in determinati punti di rotazione. Per fornire la stessa coppia di un motore brushless, i motori con spazzole richiedono magneti più grandi. Ecco perché anche i piccoli motori BLDC possono erogare una potenza considerevole.
Il secondo grande vantaggio legato al primo è la controllabilità. I motori BLDC possono essere controllati tramite meccanismi di feedback, fornendo con precisione la coppia e la velocità richieste. Il controllo preciso, a sua volta, riduce il consumo di energia e la generazione di calore e, nei casi in cui il motore è alimentato a batteria, prolunga la durata della batteria.
Poiché non sono presenti spazzole, i motori BLDC offrono anche elevata durata e bassa generazione di rumore elettrico. Nei motori con spazzole, le spazzole e il commutatore si usurano a causa del contatto in movimento continuo, generando scintille nei punti di contatto. Il rumore elettrico, in particolare, risulta dalle forti scintille facilmente generate quando le spazzole passano attraverso lo spazio del commutatore. Questo è il motivo per cui i motori BLDC sono generalmente considerati la scelta migliore nelle applicazioni in cui è necessario evitare il rumore elettrico.
Applicazioni ideali dei motori BLDC
Abbiamo visto che i motori BLDC offrono elevata efficienza e controllabilità e hanno una lunga durata operativa. Allora quali sono i loro usi? Grazie alla loro efficienza e durata, sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature a funzionamento continuo. Sono stati a lungo utilizzati nelle lavatrici, nei condizionatori d'aria e in altri dispositivi elettronici di consumo; più recentemente sono comparsi anche nei ventilatori, dove la loro elevata efficienza riduce significativamente il consumo energetico.
Sono anche utilizzati per azionare le macchine sottovuoto. In un caso, una modifica nel programma di controllo ha comportato un notevole aumento di velocità, un esempio dell’elevato livello di controllabilità offerto da questi motori.
I motori BLDC vengono utilizzati anche per azionare le unità disco rigido; la loro durabilità consente agli azionamenti di funzionare in modo affidabile per periodi prolungati, mentre la loro efficienza energetica aiuta a ridurre il consumo di energia in un settore sempre più importante.
Verso applicazioni future più ampie
Possiamo aspettarci che in futuro i motori BLDC saranno ampiamente utilizzati in una gamma più ampia di applicazioni. Ad esempio, potrebbero essere ampiamente utilizzati per azionare robot di servizio, piccoli robot che forniscono servizi in settori esterni a quello manifatturiero. Si potrebbe pensare che i motori passo-passo siano più adatti per questo tipo di applicazione, poiché gli impulsi possono essere utilizzati per un controllo preciso del posizionamento. Tuttavia, i motori BLDC sono più adatti per il controllo della forza. Utilizzando i motori passo-passo, il mantenimento della posizione di strutture come i bracci dei robot richiede una corrente relativamente grande e continua. Con i motori BLDC, la corrente richiesta è proporzionale alla forza esterna, garantendo un controllo più efficiente dal punto di vista energetico. I motori BLDC possono anche sostituire i semplici motori DC con spazzole nei golf cart e nei veicoli mobili. Oltre a una maggiore efficienza, i motori BLDC offrono 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 preciso li rende particolarmente adatti ai droni multirotore, consentendo un controllo preciso dell'assetto del drone controllando la velocità di rotazione di ciascun rotore.
