Comprendere il principio e l’applicazione dei motori ad alta efficienza: 1 di 3

Un motore converte l’energia elettrica fornita in energia meccanica. Vari tipi di motori sono di uso comune. Tra questi, i motori brushless DC (BLDC) presentano un’elevata efficienza e un’eccellente controllabilità e sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni. Il motore BLDC ha vantaggi di risparmio energetico rispetto ad altri tipi di motore.,

I motori sono macchine di 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 con energia meccanica.

Il tipo più semplice di motore è il motore DC spazzolato. 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; questo fa sì che il gruppo bobina di ruotare, come ogni bobina viene spinto lontano dal polo come e tirato verso il polo a differenza del campo fisso. Per mantenere la rotazione, è necessario invertire continuamente la corrente – in modo che le polarità della bobina si capovolgano continuamente, facendo sì che le bobine continuino a “inseguire” i poli fissi diversi. L’alimentazione alle bobine viene fornita attraverso spazzole conduttive 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 CC spazzolato da altri tipi di motore. La figura 1 illustra il principio generale del motore spazzolato.

Figura 1: Funzionamento del motore CC spazzolato.

Le spazzole fisse forniscono energia elettrica al commutatore rotante. Quando il commutatore ruota, ribalta continuamente la direzione della corrente nelle bobine, invertendo le polarità della bobina in modo che le bobine mantengano la rotazione verso destra., Il commutatore ruota perché è collegato al rotore su cui sono montate le bobine.

Tipi di motore comuni

I motori differiscono in base al tipo di potenza (AC o DC) e al metodo di generazione della rotazione (Figura 2). Di seguito, esaminiamo brevemente le caratteristiche e gli usi di ciascun tipo.

Figura 2: Diversi tipi di motori

I motori CC spazzolati, caratterizzati da un design semplice e un facile controllo, sono ampiamente utilizzati per aprire e chiudere i vassoi del disco., Nelle auto, sono spesso utilizzati per ritrarre, estendere e posizionare i finestrini laterali alimentati elettricamente. Il basso costo di questi motori li rende adatti a molti usi. Uno svantaggio, tuttavia, è che spazzole e commutatori tendono a indossare in tempi relativamente brevi a causa del loro continuo contatto, che richiedono frequenti sostituzioni e manutenzione periodica.

Un motore passo-passo è azionato da impulsi; ruota attraverso un angolo specifico (passo) con ogni impulso., Poiché la rotazione è controllata con precisione dal numero di impulsi ricevuti, questi motori sono ampiamente utilizzati per implementare le regolazioni posizionali. Sono spesso utilizzati, ad esempio, per controllare l’alimentazione della carta in fax e stampanti, poiché questi dispositivi alimentano la carta in passaggi fissi, che sono facilmente correlati con il conteggio degli impulsi. La pausa può anche essere facilmente controllata, poiché la rotazione del motore si arresta istantaneamente quando il segnale di impulso viene interrotto.

Con motori sincroni, la rotazione è sincrona con la frequenza della corrente di alimentazione., Questi motori sono spesso utilizzati per azionare i vassoi rotanti nei forni a microonde; i riduttori nell’unità motore possono essere utilizzati per ottenere le velocità di rotazione appropriate per riscaldare il cibo. Anche con i motori asincroni, la velocità di rotazione varia con la frequenza; ma il movimento non è sincrono. In passato, questi motori erano spesso utilizzati in ventilatori elettrici e lavatrici.

Ci sono vari tipi di motore di uso comune. In questa sessione, esaminiamo i vantaggi e le applicazioni dei motori brushless DC.

Perché i motori BLDC girano?,

Come suggerisce il nome, i motori brushless DC non utilizzano spazzole. Con motori spazzolati, le spazzole erogano corrente attraverso il commutatore nelle bobine sul rotore. Quindi, come fa un motore brushless a passare corrente alle bobine del rotore? Non lo fa-perché le bobine non si trovano sul rotore. Invece, il rotore è un magnete permanente; le bobine non ruotano, ma sono invece fissate in posizione sullo statore. Poiché le bobine non si muovono, non è necessario spazzole e un commutatore. (Vedi Figura. 3.,)

Con il motore spazzolato, la rotazione si ottiene controllando i campi magnetici generati dalle bobine sul rotore, mentre il campo magnetico generato dai magneti fissi rimane fisso. Per modificare la velocità di rotazione, si modifica la tensione per le bobine. Con un motore BLDC, è il magnete permanente che ruota; la rotazione si ottiene cambiando la direzione dei campi magnetici generati dalle bobine stazionarie circostanti. Per controllare la rotazione, si regola la grandezza e la direzione della corrente in queste bobine.,

Figura 3: Un motore BLDC.

Poiché il rotore è un magnete permanente, non ha bisogno 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 ogni 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 spazzolato descritto in precedenza). Il cablaggio nella custodia del motore BLDC è più complicato del semplice collegamento dei terminali positivo e negativo della cella di potenza; vedremo più da vicino come funzionano questi motori nella seconda sessione di questa serie. Di seguito, concludiamo osservando i vantaggi dei motori BLDC.,

Un grande vantaggio è l’efficienza, in quanto questi motori possono controllare continuamente alla massima forza di rotazione (coppia). I motori spazzolati, al contrario, raggiungono la coppia massima solo in determinati punti della rotazione. Affinché un motore spazzolato fornisca la stessa coppia di un modello brushless, sarebbe necessario utilizzare magneti più grandi. Questo è il motivo per cui anche i piccoli motori BLDC possono fornire una notevole potenza.

Il secondo grande vantaggio—relativo al primo—è la controllabilità. I motori BLDC possono essere controllati, utilizzando meccanismi di retroazione, per erogare con precisione 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 anche un’elevata durata e una bassa generazione di rumore elettrico, grazie alla mancanza di spazzole. Con i motori spazzolati, le spazzole ed il commutatore si logorano come conseguenza del contatto commovente continuo ed inoltre producono le scintille dove il contatto è fatto. Il rumore elettrico, in particolare, è il risultato delle forti scintille che tendono a verificarsi nelle aree in cui le spazzole passano sopra gli spazi vuoti nel 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 alta efficienza e controllabilità, e che hanno una lunga vita operativa. Quindi a cosa servono? A causa della loro efficienza e longevità, sono ampiamente utilizzati in dispositivi che funzionano continuamente., Sono stati a lungo utilizzati in lavatrici, condizionatori d’aria e altri dispositivi elettronici di consumo; e più recentemente, stanno comparendo nei fan, dove la loro alta efficienza ha contribuito a una significativa riduzione del consumo energetico.

Vengono anche utilizzati per guidare macchine sottovuoto. In un caso, un cambiamento nel programma di controllo ha provocato un grande salto nella velocità di rotazione—un esempio della controllabilità superlativa offerta da questi motori.,

I motori BLDC vengono anche utilizzati per far girare dischi rigidi, dove la loro durata mantiene le unità operative in modo affidabile a lungo termine, mentre la loro efficienza energetica contribuisce alla riduzione dell’energia in un’area in cui questo 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 robot di servizio—piccoli robot che forniscono servizi in settori diversi dalla produzione., Si potrebbe pensare che i motori passo-passo sarebbero più adatti in 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, tenendo la posizione di una struttura come un braccio robot richiederebbe una corrente relativamente grande e continua. Con un motore BLDC, tutto ciò che sarebbe richiesto è una corrente proporzionata alla forza esterna, consentendo un controllo più efficiente dal punto di vista energetico. I motori BLDC possono anche sostituire i semplici motori CC spazzolati 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 per i droni multirotor, dove l’atteggiamento del drone è controllato controllando con precisione la velocità di rotazione di ciascun rotore.

In questa sessione, abbiamo visto come i motori BLDC offrono un’eccellente efficienza, controllabilità e longevità. 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.

Elenco moduli

  1. Che cosa sono i motori brushless DC
  2. Controllo dei motori BLDC
  3. Soluzioni Renesas per il controllo motore BLDC