Soluzioni di movimento di nuova generazione: Meccanismi e vantaggi dei motori BLDC
Un motore CC senza spazzole (BLDC) realizza la commutazione attraverso un controllore elettronico ed è progettato senza commutatore (spazzole di carbone e anelli di scorrimento). Quest'ultimo fa parte dei tradizionali motori a spazzole. Questo tipo di motore è noto per il risparmio energetico, la manutenzione minima e le eccellenti prestazioni complessive. Non sorprende quindi che sia ampiamente utilizzato negli utensili elettrici, nei droni, nei veicoli elettrici e nelle abitazioni comuni.
Le differenze tra i motori brushless e quelli tradizionali sono evidenti. Nel caso dei motori a spazzole, un magnete fisso crea un campo magnetico permanente. Allo stesso tempo, la corrente alternata che scorre attraverso le bobine del rotore genera un campo magnetico perpendicolare al campo magnetico del magnete. Questo campo magnetico applica una forza ogni volta che il rotore ruota. Infine, il commutatore e le spazzole equivalenti hanno il compito di invertire la direzione della corrente.
Si noti che l'usura delle spazzole riduce la durata del motore e può anche provocare una scintilla non del tutto sicura per l'utente. Quelli privi di spazzole collocano magneti di campo sullo statore, con bobine controllate da un gestore elettronico che producono un campo magnetico in coda per far muovere il rotore. Queste bobine sono quelle che rendono superflua la commutazione meccanica. L'assenza di questi componenti non solo prolunga il tempo di funzionamento del motore, ma lo rende anche più efficiente e affidabile.
| Caratteristica | Motore a spazzole | Motore senza spazzole |
|---|---|---|
| Metodo di commutazione | Meccanico (spazzole) | Elettronica |
| Durata della vita | Più corto (usura delle spazzole) | Più a lungo (nessuna usura meccanica) |
| Efficienza | Inferiore (elevata perdita di energia) | Superiore (bassa perdita) |
| Rumore | Più alto | Più basso |
| Costo di manutenzione | Superiore (richiede la sostituzione della spazzola) | Più basso (quasi senza manutenzione) |
| Applicazioni tipiche | Piccoli elettrodomestici | Droni, utensili elettrici |
Struttura di un motore CC senza spazzole
Il motore BLDC è composto da due parti principali, lo statore e il rotore, che lavorano in tandem con un regolatore elettronico di velocità (ESC) per ottenere un funzionamento efficace e continuo. Lo statore, durante l'avvolgimento intorno alla macchina, crea un circuito che ruota e quindi permette ai magneti permanenti montati sul rotore di ruotare, creando così l'effetto che rende superfluo il commutatore nei tradizionali motori a spazzole. Il suo funzionamento rende i campi avvolti molto più durevoli ed efficaci, tanto da diventare la scelta migliore per utensili elettrici, droni ed elettrodomestici. Anche se sembra complicato, le sue caratteristiche contribuiscono a migliorare le prestazioni e la durata.
Costruzione di statore e rotore:
Statore: Collegato da un filo smaltato nello statore, il meccanismo elettromagnetico che trae energia dagli avvolgimenti crea un campo magnetico. Le parti essenziali dello statore sono la laminazione dell'acciaio al silicio, il filo smaltato, i cuscinetti e i supporti.
Rotore: Il rotore è la parte che viene caricata ed è costituito, ad esempio, da materiali a magneti permanenti attorno ai quali si trovano l'albero, i magneti e alcune altre parti necessarie. Le prestazioni sono direttamente correlate al numero di poli magnetici: un maggior numero di poli fornisce una maggiore coppia a scapito di una minore velocità e viceversa.
Funzioni dei componenti chiave:
Magneti: Solitamente realizzati in magneti al neodimio, stabiliscono la potenza, la velocità e la coppia del motore. I magneti ad alte prestazioni possono rendere il motore non solo più forte, ma anche più efficiente dal punto di vista energetico.
Lamiere di acciaio al silicio: fanno sì che il motore diminuisca la riluttanza magnetica e aumenti l'efficienza grazie al design laminato.
Albero e cuscinetti: L'albero trasporta la forza di rotazione e deve essere molto duro e resistente all'usura; i cuscinetti possono ridurre l'attrito e garantire un funzionamento regolare e duraturo.
Principio di funzionamento dei motori CC senza spazzole
Il motore BLDC utilizza un controllore elettronico e il concetto è quello di regolare il flusso di corrente in modo che il motore faccia ruotare il rotore e non venga danneggiato dal commutatore meccanico utilizzato nei tradizionali motori a spazzole. Il motore BLDC crea un campo magnetico rotante attraverso gli avvolgimenti dello statore, mettendo così in movimento i magneti permanenti sul rotore. In base alla disposizione degli avvolgimenti, un motore BLDC può essere monofase, bifase o trifase; quello trifase è il preferito dagli elettrodomestici, dagli utensili elettrici e dalle apparecchiature industriali, in quanto molto efficiente e stabile.
Il BLDC monofase utilizza generalmente un solo gruppo di avvolgimenti, che vengono azionati da una sorgente monofase. Un circuito di controllo di questo tipo impiega principalmente un ponte H, in cui i segnali di retroazione sono utilizzati per rilevare il cambiamento di segno che procede la forza motrice del rotore. Questi tipi di motori possono essere facilmente realizzati e sono semplici da costruire. Il vantaggio citato è il motivo principale per cui questi motori sono molto diffusi e vengono comunemente utilizzati nelle ventole di raffreddamento o nei piccoli elettrodomestici.
Il motore BLDC bifase è caratterizzato da due serie di avvolgimenti, solitamente disposti ortogonalmente e pilotati da un'alimentazione bifase. Per quanto riguarda le caratteristiche operative, il progetto bifase è secondo solo a quello trifase, ma supera il motore monofase in termini di efficienza e di scatti. In alcune aree è considerato raro.
Il motore BLDC trifase ha tre serie di avvolgimenti, solitamente interconnessi in configurazione a stella (Y) o a triangolo (Δ). Viene pilotato tramite un circuito full-bridge trifase con metodo di commutazione a sei fasi che cambia la direzione del flusso di corrente in base ai segnali di feedback per pilotare il movimento del rotore. I BLDC multifase sono molto migliori dei motori monofase in termini di regolazione della velocità, silenziosità e soppressione del rumore. Ciò ha portato a un'ampia applicazione nei droni, nei veicoli elettrici e nelle apparecchiature di automazione dell'industria.
| Caratteristica | BLDC monofase | BLDC bifase | BLDC trifase |
|---|---|---|---|
| Numero di avvolgimenti | Set singolo | Due insiemi (disposti ortogonalmente) | Tre set (configurazione Y o Δ) |
| Circuito di controllo | Ponte H (4 MOSFET) | 4 o più MOSFET | Ponte intero trifase (6 MOSFET) |
| Efficienza | Inferiore (circa 70%-80%) | Moderato (circa 75%-85%) | Superiore (circa 80%-90%) |
| Rumore e scorrevolezza | Media | Moderato | Eccellente |
| Applicazioni tipiche | Ventilatori di raffreddamento, piccoli elettrodomestici | Piccole pompe per acqua, motori a bassa velocità | Droni, veicoli elettrici, attrezzature industriali |
| Costo | Più basso | Moderato | Più alto |
Inizialmente, i motori BLDC utilizzavano prevalentemente il controllo PWM a onda quadra, un metodo semplice ma che poteva anche produrre vibrazioni e rumore. La PWM sinusoidale o il controllo orientato al campo sono ora preferiti nei sistemi moderni, poiché entrambi hanno iniziato a dominare rispetto alla PWM a onda quadra nell'azionamento. SPWM e FOC imitano forme d'onda sinusoidali uniformi, il che porta all'ottimizzazione della corrente in uscita.
Applicazioni dei motori BLDC
Il motore BLDC è noto per i suoi vantaggi, come l'alta efficienza, la bassa rumorosità e la lunga durata. Ciò ha fatto sì che i motori BLDC ampliassero il loro campo di applicazione ai settori automobilistico, del controllo industriale, dell'automazione, aerospaziale e dell'elettronica di consumo quotidiana. In base al tipo di carico e ai requisiti di controllo, si distinguono tre tipi di BLDC con applicazioni tipiche: applicazioni a carico continuo, applicazioni a carico variabile e applicazioni di posizionamento.
Questo tipo di applicazione è più adatto a richieste di velocità moderate, ma richiede un funzionamento stabile, costante e a lungo termine e, di solito, un controllo ad anello aperto per mantenere la semplicità e l'economicità.
1. Applicazioni a carico continuo
Le applicazioni citate sono generalmente utilizzate nei casi in cui una macchina funziona a bassa potenza e l'accessibilità si basa sulla velocità, che è moderata e costante. In questa modalità di funzionamento, la caratteristica dell'affidabilità è di primaria importanza. Nella maggior parte dei casi, questi sistemi sono controllati con un metodo ad anello aperto, che rende la progettazione semplice ed efficiente dal punto di vista dei costi; di conseguenza, è una scelta facile e adatta ai requisiti più comuni.
2. Applicazioni a carico variabile
Si tratta prevalentemente di controllori a risparmio energetico utilizzati in applicazioni di controllo ad anello aperto, con un design semplice ed economico in grado di soddisfare le esigenze di base della maggior parte degli utenti. Inoltre, questi sistemi non solo possono variare la corrente e la tensione, ma possono anche essere utilizzati in anello chiuso parziale o in anello aperto in base alle esigenze energetiche dell'utente, con una caratteristica ecologica e un'utilità relativamente elevata.
3. Applicazioni di posizionamento
Questi dispositivi, oltre a progettare i prodotti, si preoccupano anche di controllare la velocità dell'intero prodotto con l'aiuto del motore. Le più recenti tecnologie di controllo ad anello chiuso, che includono metodologie innovative come il controllo a orientamento di campo, assicurano che i compiti più difficili e precisi possano essere risolti grazie a prestazioni notevolmente migliorate, garantite dai sistemi di controllo ad anello chiuso.
Caratteristiche e vantaggi dei motori CC brushless
I motori CC senza spazzole sono riconosciuti come una soluzione di potenza ideale per uso residenziale e industriale, poiché il loro design e le loro prestazioni eccezionali superano quelle dei tradizionali motori a spazzole, dei motori a frequenza variabile e dei motori asincroni.
Nessuna commutazione meccanica
Senza perdite di eccitazione o perdite per attrito dovute a sfregamenti di carbone, i motori BLDC raggiungono efficienze di 85%-90%, superando di gran lunga l'efficienza di 60%-70% dei motori a spazzole. A seconda delle condizioni di carico, il risparmio energetico complessivo può variare da 20%-60%.
Alta efficienza e risparmio energetico
I motori BLDC possono sostituire senza problemi i tradizionali sistemi di controllo della velocità dei motori CC, le combinazioni di motori a frequenza variabile con inverter e i motori asincroni abbinati a riduttori. Allo stesso modo, gli elettrodomestici possono essere aggiornati con motori BLDC per semplificare la progettazione e ridurre il consumo energetico.
Forte versatilità e potenziale di sostituzione
Compatti nelle dimensioni e leggeri nel peso, i motori BLDC forniscono una potenza elevata. Offrono un'elevata coppia di spunto, una bassa corrente di avviamento, un'ampia gamma di velocità e una forte capacità di sovraccarico.
Prestazioni superiori
Grazie al supporto di soft start e soft stop, i motori BLDC offrono eccellenti prestazioni di frenata, con livelli di rumorosità di 30-40 decibel e vibrazioni minime. Ciò rende gli elettrodomestici più silenziosi e le apparecchiature industriali più stabili, prolungando la durata di vita e migliorando notevolmente l'esperienza dell'utente.
Mi dedico alla scrittura scientifica divulgativa sui magneti. I miei articoli si concentrano principalmente sui principi, le applicazioni e gli aneddoti del settore. Il nostro obiettivo è fornire ai lettori informazioni preziose, aiutando tutti a comprendere meglio il fascino e il significato dei magneti. Allo stesso tempo, siamo desiderosi di ascoltare le vostre opinioni sulle esigenze legate ai magneti. Sentitevi liberi di seguirci e di impegnarvi con noi per esplorare insieme le infinite possibilità dei magneti!
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