Vi siete mai chiesti perché i motori brushless superano i motori a spazzole? I motori brushless offrono efficienza e durata, grazie alla commutazione elettronica che riduce l'attrito e l'usura. I motori a spazzole, invece, pur essendo più semplici ed economici, soffrono di problemi di manutenzione dovuti all'attrito delle spazzole. Questo articolo approfondisce i principi, le prestazioni e le applicazioni di entrambi i tipi di motore, aiutandovi a comprenderne i punti di forza e i limiti. Scoprite come queste differenze influiscono su tutto, dalla regolazione della velocità alla stabilità operativa. Scoprite quale motore è più adatto alle vostre esigenze e perché.
Un motore CC senza spazzole è un prodotto meccatronico composto da un corpo motore e da un driver.
A differenza dei motori sincroni, che richiedono un avvolgimento di avviamento sul rotore per avviarsi sotto carico pesante con regolazione della velocità a frequenza variabile, il motore CC senza spazzole funziona in modalità di autocontrollo. Non produce oscillazioni e non si scompone in caso di variazioni improvvise del carico.
La maggior parte dei motori CC brushless di piccole e medie dimensioni utilizza magneti al neodimio-ferro-boro (Nd-Fe-B) di terre rare, grazie al loro elevato livello di energia magnetica.
Di conseguenza, il motore brushless a terre rare e magneti permanenti ha dimensioni inferiori rispetto a un motore asincrono trifase con la stessa capacità.
Un motore a spazzole è un motore rotante che utilizza un dispositivo a spazzole per convertire l'energia elettrica in energia meccanica (come un motore) o l'energia meccanica in energia elettrica (come un generatore). A differenza dei motori brushless, il dispositivo a spazzole viene utilizzato per introdurre o assorbire tensione e corrente.
Il motore a spazzole è la base di tutti i motori e possiede diverse caratteristiche vantaggiose, come l'avviamento rapido, la frenata tempestiva, la regolazione fluida della velocità in un ampio intervallo e un circuito di controllo relativamente semplice.
Il motore a spazzole è il primo tipo di motore che entrano in contatto con noi, e viene spesso utilizzato come modello per illustrare i motori nelle lezioni di fisica alle scuole medie.
I componenti principali di un motore a spazzole sono lo statore, il rotore e le spazzole.
La coppia rotante è generata da un campo magnetico rotante che consente di produrre energia cinetica.
Le spazzole e il commutatore sono in costante contatto e attrito e svolgono l'importante ruolo di conduzione e commutazione durante la rotazione.
Il motore a spazzole utilizza una commutazione meccanica, in cui i poli magnetici rimangono fermi mentre la bobina ruota.
Durante il funzionamento, la bobina e il commutatore ruotano, mentre l'acciaio magnetico e la spazzola di carbone rimangono fermi. La rotazione del commutatore e della spazzola con il motore consente di completare il cambio alternato della direzione della corrente della bobina.
In un motore a spazzole, questo processo consiste nel disporre i due terminali di alimentazione di ciascun gruppo di bobine in un anello. I terminali di ingresso della potenza sono separati l'uno dall'altro da materiali isolanti e formati in un cilindro collegato all'albero del motore.
Una piccola colonna composta da due elementi di carbonio (spazzola di carbone) viene utilizzata per far passare l'alimentazione. La spazzola di carbone si sposta da due specifiche posizioni fisse sotto l'azione della pressione della molla. L'eccitazione di un gruppo di bobine si ottiene premendo i due punti sul cilindro superiore dell'anello di alimentazione della bobina.
Durante la rotazione del motore, bobine diverse o poli diversi della stessa bobina vengono eccitati in tempi diversi. In questo modo si crea una differenza di angolo tra il polo N-S del campo magnetico generato dalla bobina e il polo N-S dello statore a magneti permanenti più vicino. Il campo magnetico si attrae e si respinge, generando forza e facendo ruotare il motore.
La spazzola di carbone scorre sul connettore della bobina, come una spazzola sulla superficie di un oggetto, da cui il termine "spazzola" di carbone. Tuttavia, lo scorrimento tra di esse provoca sfregamenti e perdite, rendendo necessaria la sostituzione periodica della spazzola di carbone.
Inoltre, l'alternanza tra la spazzola di carbone e il connettore della bobina genera scintille elettriche, produce interruzioni elettromagnetiche e interferisce con le apparecchiature elettroniche.
In un motore brushless, la commutazione è realizzata dal circuito di controllo all'interno del controller. In genere, si tratta di un sensore di Hall e di un controllore, anche se possono essere utilizzate tecnologie più avanzate come un encoder magnetico.
Il motore brushless impiega una commutazione elettronica, con la bobina che rimane ferma mentre il polo magnetico ruota.
Per rilevare la posizione del polo magnetico del magnete permanente, il motore brushless utilizza una serie di apparecchiature elettroniche che incorporano l'elemento Hall.
In base a questo rilevamento, il circuito elettronico commuta tempestivamente la direzione della corrente nella bobina per garantire che il motore generi la forza magnetica nella direzione corretta per azionarlo.
Lo svantaggio del motore a spazzole viene eliminato dal motore brushless.
Questi circuiti sono noti come controllori di motori.
Il controllore del motore brushless può inoltre svolgere diverse funzioni che un motore a spazzole non può svolgere, come la regolazione dell'angolo di commutazione della potenza, la frenata, l'inversione di marcia, il blocco e l'arresto dell'alimentazione al motore utilizzando il segnale di frenata. Il blocco elettronico di allarme delle auto a batteria sfrutta appieno queste funzioni.
Un motore DC brushless, che comprende un corpo motore e un driver, è un prodotto meccatronico standard.
Poiché il motore CC senza spazzole funziona in modalità di autocontrollo, non richiede un avvolgimento di avviamento sul rotore, come il motore sincrono che si avvia sotto un carico pesante con regolazione della velocità a frequenza variabile. Inoltre, non produce oscillazioni e non si disassa quando si verifica una variazione improvvisa del carico.
Già nel XIX secolo, quando il motore fu sviluppato per la prima volta, il motore pratico era senza spazzole. Si tratta del motore asincrono a gabbia di scoiattolo in corrente alternata, che si è diffuso dopo la generazione della corrente alternata.
Tuttavia, il motore asincrono presenta molti difetti insormontabili, che hanno ostacolato lo sviluppo della tecnologia motoristica. In particolare, il motore CC senza spazzole non è stato disponibile in commercio per molto tempo. Solo negli ultimi anni, con il rapido progresso della tecnologia elettronica, è stato reso disponibile per il funzionamento commerciale.
Tuttavia, il motore CC senza spazzole appartiene ancora alla categoria dei motori CA.
Subito dopo l'invenzione del motore brushless, è stato sviluppato il motore brushless CC. Il motore brushless CC è molto apprezzato per la semplicità del meccanismo, la facilità di produzione e lavorazione, la facilità di manutenzione e la facilità di controllo.
Il motore a corrente continua presenta inoltre caratteristiche quali la rapidità di risposta, l'elevata coppia di spunto e la capacità di fornire una coppia nominale da velocità zero a velocità nominale. Di conseguenza, è stato ampiamente utilizzato non appena è stato introdotto.
Il motore a spazzole in c.c. presenta numerosi vantaggi, tra cui una rapida risposta all'avviamento, una coppia di spunto significativa, una variazione di velocità stabile, vibrazioni minime da zero alla velocità massima e la capacità di pilotare carichi più massicci durante l'avviamento.
D'altro canto, il motore brushless presenta alcuni svantaggi, come l'elevata resistenza all'avviamento (reattanza induttiva), che si traduce in un basso fattore di potenza e in una coppia di avviamento relativamente ridotta. Inoltre, produce un ronzio durante l'avviamento e forti vibrazioni; inoltre, può pilotare solo carichi ridotti durante l'avviamento.
Il motore a spazzole è regolato dalla tensione e garantisce un avviamento, una frenata e un funzionamento a velocità costante.
D'altra parte, i motori brushless sono tipicamente controllati dalla conversione digitale della frequenza. Questo processo prevede la conversione della corrente alternata in corrente continua, poi di nuovo in corrente alternata e l'utilizzo di variazioni di frequenza per controllare la velocità.
Di conseguenza, i motori brushless possono presentare prestazioni instabili e vibrazioni significative durante l'avviamento e la frenata. Diventano stabili solo quando funzionano a velocità costante.
Un motore brushless CC è in genere abbinato a un riduttore e a un decoder per aumentare la potenza di uscita del motore e migliorare la precisione del controllo.
Con una precisione di controllo che può raggiungere 0,01 mm, il motore può arrestare le parti in movimento in quasi tutte le posizioni desiderate.
I motori a corrente continua controllano tutte le macchine utensili di precisione.
Tuttavia, il motore brushless non è stabile durante l'avviamento e la frenata e le parti mobili si fermano ogni volta in posizioni diverse.
Per ottenere la posizione desiderata, è necessario utilizzare un perno di posizionamento o un fermo.
Il motore a spazzole CC è ampiamente utilizzato grazie alla sua struttura semplice, al basso costo di produzione, al gran numero di produttori e alla tecnologia matura. Viene comunemente utilizzato nelle fabbriche, nelle macchine utensili di lavorazione, negli strumenti di precisione e in altre applicazioni.
In caso di guasto del motore, è sufficiente sostituire la spazzola di carbone. Il costo di ciascuna spazzola di carbone è di pochi yuan, il che la rende una soluzione conveniente.
D'altra parte, la tecnologia dei motori brushless è ancora immatura, il prezzo è elevato e la gamma di applicazioni è limitata. È più adatto per le apparecchiature a velocità costante, come i condizionatori d'aria e i frigoriferi a frequenza variabile. Se il motore brushless è danneggiato, può essere solo sostituito.
Il motore brushless elimina la necessità di spazzole, determinando un cambiamento significativo: durante il suo funzionamento non si generano scintille elettriche. Ciò ha un impatto diretto sulla riduzione delle interferenze causate dalle scintille elettriche sulle apparecchiature radiocomandate.
Un motore brushless funziona senza spazzole, con conseguente riduzione dell'attrito, funzionamento più fluido e livelli di rumore molto più bassi. Questi vantaggi contribuiscono notevolmente alla stabilità operativa del modello.
Poiché un motore brushless funziona senza spazzole, la principale fonte di usura è il cuscinetto. Da un punto di vista meccanico, i motori brushless sono quasi privi di manutenzione. In caso di necessità, è sufficiente una semplice manutenzione di rimozione della polvere.
Il controllo dei due motori si ottiene attraverso la regolazione della tensione. I motori CC senza spazzole utilizzano la commutazione elettronica e possono essere realizzati con controllo digitale, mentre i circuiti analogici tradizionali come i tiristori possono essere utilizzati per la commutazione attraverso la spazzola di carbone nei motori CC a spazzole, rendendola relativamente semplice.
1. Il processo di regolazione della velocità di un motore a spazzole prevede la regolazione della tensione di alimentazione del motore. La tensione e la corrente regolate vengono convertite attraverso il commutatore e la spazzola per modificare l'intensità del campo magnetico generato dall'elettrodo, cambiando così la velocità. Questo processo è noto come regolazione della velocità a tensione variabile.
2. Al contrario, il processo di regolazione della velocità di un motore brushless prevede di mantenere invariata la tensione dell'alimentazione del motore, modificando il segnale di controllo della regolazione elettrica. La velocità di commutazione del transistor MOS ad alta potenza viene modificata da un microprocessore per cambiare la velocità. Questo processo è chiamato regolazione della velocità a frequenza variabile.
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