Moderni motori DC senza spazzole
Grazie ai significativi progressi nell'elettronica dei semiconduttori e alla tecnologia per creare potenti magneti al neodimio, oggi i motori CC senza spazzole sono ampiamente utilizzati. Sono utilizzati in lavatrici, aspirapolvere, ventilatori, droni, ecc.
E sebbene l'idea del principio di funzionamento di un motore brushless sia stata espressa già all'inizio del XIX secolo, ha atteso dietro le quinte fino all'inizio dell'era dei semiconduttori, quando le tecnologie sono diventate pronte per l'implementazione pratica di questo concetto interessante ed efficiente, che ha permesso ai motori brushless a corrente continua di camminare tanto quanto fanno oggi. …
Nella versione inglese sono chiamati motori di questo tipo Motore BLDC — Motori CC senza spazzole — motore CC senza spazzole. Il rotore del motore contiene magneti permanenti, e gli avvolgimenti funzionanti si trovano sullo statore, ovvero il dispositivo del motore BLDC è completamente opposto a quello che si trova nel classico motore a spazzole. Il motore BLDC è controllato da un controller elettronico chiamato ESC — Regolatore di velocità elettronico — controllo elettronico della velocità di crociera.
Regolatore elettronico e alta efficienza
Il regolatore elettronico permette di variare dolcemente l'energia elettrica fornita al motore brushless. A differenza delle versioni più semplici dei regolatori di velocità resistivi, che limitano semplicemente la potenza collegando un carico resistivo in serie al motore, che converte la potenza in eccesso in calore, il controllo elettronico della velocità fornisce un'efficienza significativamente più elevata senza sprecare l'energia elettrica erogata per il riscaldamento non necessario. ..
Il motore CC senza spazzole può essere classificato come motore sincrono autosincrono, dove un nodo scintillante che richiede una manutenzione regolare è completamente spento - collettore… La funzione del collettore è assunta dall'elettronica, grazie alla quale l'intero design del prodotto è notevolmente semplificato e diventa più compatto.
Le spazzole sono effettivamente sostituite da interruttori elettronici, le cui perdite sono molto inferiori a quelle che sarebbero con la commutazione meccanica. I potenti magneti al neodimio sul rotore consentono una maggiore coppia sull'albero. E un tale motore si riscalda meno del suo predecessore del collettore.
Di conseguenza, l'efficienza del motore è la migliore e la potenza per chilogrammo di peso è maggiore, oltre a una gamma abbastanza ampia di regolazione della velocità del rotore e un'assenza quasi completa di interferenze radio generate. Strutturalmente, i motori di questo tipo si adattano facilmente a lavorare in acqua e in ambienti aggressivi.
L'unità di controllo elettronica è una parte molto importante e costosa di un motore DC brushless, ma non se ne può fare a meno.Da questo dispositivo il motore riceve potenza, i cui parametri influenzano contemporaneamente sia la velocità che la potenza che il motore sarà in grado di sviluppare sotto carico.
Anche se non è necessario regolare la velocità di rotazione, è comunque necessaria un'unità di controllo elettronica, poiché oltre a svolgere la funzione di controllo, dispone anche di un componente di alimentazione. Possiamo dire che ESC è un analogo di regolatore di frequenza per motori AC asincroniappositamente progettato per alimentare e controllare il motore CC senza spazzole.
Controllo del motore BLDC
Per capire come viene controllato un motore BLDC, ricordiamo innanzitutto come funziona un motore a collettore. Al suo centro il principio di rotazione del telaio con una corrente in un campo magnetico.
Ogni volta che il telaio con la corrente ruota e trova una posizione di equilibrio, il commutatore (le spazzole premute contro il collettore) cambia la direzione della corrente attraverso il telaio e il telaio continua. Questo processo si ripete mentre il telaio si sposta da un palo all'altro. Solo nel motore del collettore ci sono molti di questi telai e ci sono diverse coppie di poli magnetici, motivo per cui il collettore di spazzole non contiene due contatti, ma molti.
ECM fa lo stesso. Inverte la polarità del campo magnetico non appena il rotore deve allontanarsi dalla posizione di equilibrio. Solo la tensione di controllo non viene fornita al rotore, ma agli avvolgimenti dello statore, e questo viene fatto con l'aiuto di interruttori a semiconduttore al momento giusto (fasi del rotore).
È ovvio che la corrente agli avvolgimenti statorici di un motore brushless deve essere fornita al momento giusto, cioè quando il rotore si trova in una certa posizione nota. Per fare ciò, utilizzare uno dei seguenti metodi.Il primo si basa sul sensore di posizione del rotore, il secondo misurando l'EMF di una delle bobine che attualmente non riceve alimentazione.
I sensori sono diversi, magnetici e ottici, i più popolari sono i sensori magnetici effetto Hall… Il secondo metodo (basato sulla misurazione EMF), sebbene efficace, non consente un controllo preciso a basse velocità e all'avvio. I sensori Hall, invece, forniscono un controllo più preciso in tutte le modalità. Nei motori BLDC trifase sono presenti tre sensori di questo tipo.
I motori senza sensori di posizione del rotore sono applicabili nei casi in cui il motore si avvia senza carico sull'albero (ventilatore, elica, ecc.). Se l'avviamento avviene sotto carico, è necessario un motore con sensori di posizione del rotore. Entrambe le opzioni hanno i loro pro e contro.
Una soluzione con un sensore si trasforma in un controllo più conveniente, ma se almeno uno dei sensori si guasta, il motore dovrà essere smontato, inoltre, i sensori richiedono fili separati. Nella versione sensorless non sono necessari cavi speciali, ma durante l'avvio il rotore oscillerà avanti e indietro. Se ciò non è accettabile, è necessario installare i sensori nel sistema.
Rotore e statore, numero di fasi
Il rotore di un motore BLDC può essere rispettivamente esterno o interno e lo statore interno o esterno. Lo statore è realizzato in materiale magneticamente conduttivo, con il numero di denti completamente diviso per il numero di fasi. Il rotore può essere realizzato, non necessariamente di un materiale magneticamente conduttivo, ma necessariamente con magneti saldamente attaccati ad esso.
Più forti sono i magneti, maggiore è la coppia disponibile. Il numero di denti dello statore non deve essere uguale al numero di magneti del rotore.Il numero minimo di denti è pari al numero di fasi di controllo.
La maggior parte dei moderni motori CC senza spazzole sono trifase, semplicemente per semplicità di progettazione e controllo. Come nei motori a induzione AC, gli avvolgimenti delle tre fasi sono collegati qui allo statore da un "triangolo" o "stella".
Tali motori senza sensori di posizione del rotore hanno 3 fili di alimentazione e i motori con sensori hanno 8 fili: due fili aggiuntivi per l'alimentazione dei sensori e tre per le uscite del segnale dei sensori.
I motori a rotore esterno a bassa velocità sono realizzati con un numero elevato di poli (e quindi denti) per fase per ottenere una rotazione con una frequenza angolare significativamente inferiore alla frequenza della corrente di comando. Ma anche con motori trifase ad alta velocità, il numero di denti inferiore a 9 di solito non viene utilizzato.