Di Jeremy Cook
I vantaggi e gli utilizzi dei motori CC senza spazzole (BLDC)
I BLDC, o motori CC senza spazzole, presentano una serie di vantaggi rispetto a quelli con spazzole. I motori senza spazzole sono utilizzati in droni, utensili elettrici, beni di consumo, attrezzature di confezionamento, elettrodomestici, applicazioni mediche e molto altro. In questo post, esploreremo i relativi vantaggi e svantaggi dei motori BLDC rispetto ad altre tecnologie di motori. Illustreremo inoltre in quali applicazioni è possibile vederli in azione e come utilizzarli.
Che cos'è un motore BLDC?
I motori CC senza spazzole eccitano sequenzialmente una disposizione di bobine elettromagnetiche sullo statore di un motore (sezione stazionaria) per produrre una forza applicata a magneti permanenti disposti sul rotore del motore (sezione rotativa). Le bobine dello statore devono essere eccitate in base a un modello specifico con direzioni elettriche (e pertanto magnetiche) variabili mediante un driver specializzato. I motori BLDC operano con un'efficienza di gran lunga maggiore rispetto ai motori CC con spazzole, a parità di carico e velocità.
L'esecuzione di questo modello richiede che il driver sia in grado di rilevare la posizione del rotore in qualsiasi momento. I motori BLDC presentano un controllo a ciclo chiuso, generalmente tramite un sensore effetto hall o mediante il rilevamento della forza controelettromotrice. L'uscita rotazionale può essere controllata con un elevato livello di accuratezza variando la velocità della sequenza della bobina. I motori BLDC presentano alcune caratteristiche simili a quelle dei motori stepper, ma i BLDC sono ottimizzati per l'alta velocità, mentre i motori stepper, che utilizzano una configurazione a ciclo aperto, sono ottimizzati per il posizionamento accurato.
Tipi di motori BLDC
Esistono due stili principali di motori BLDC: inrunner e outrunner.
- I BLDC outrunner sono dotati di magneti permanenti sulla sezione esterna che si muove mentre ruota l'albero di uscita. In genere, i BLDC sono dotati di una coppia maggiore per una determinata dimensione rispetto agli inrunner e funzionano a una velocità inferiore. Gli elettromagneti sono disposti sulla sezione dello statore interno. Non raffreddano bene come le rispettive controparti inrunner e l'alloggiamento non fornisce una protezione dagli elementi altrettanto elevata.
- Nei BLDC inrunner gli elettromagneti sono disposti in un alloggiamento esterno fisso, mentre i magneti permanenti si trovano sul rotore interno. In genere, gli inrunner girano più rapidamente degli outrunner, producendo una coppia minore a una determinata dimensione. I motori inrunner hanno il vantaggio di una protezione maggiore dagli elementi e un raffreddamento migliore poiché le bobine degli elettromagneti sono collegate direttamente all'alloggiamento esterno.
Le sezioni elettromagnetiche sia dell'inrunner che dell'outrunner rimangono stazionarie mentre i magneti ruotano. Tale funzionamento differisce da quello di un motore CC tradizionale, nel quale i magneti rimangono stazionari (applicati all'alloggiamento) mentre la sezione elettromagnetica ruota. L'altra differenza fondamentale consiste nel fatto che, anziché impiegare l'eccitazione delle bobine temporizzata basata sul sensore effetto hall o sulla forza controelettromotrice, i motori CC con spazzole utilizzano spazzole fisiche per trasmettere l'elettricità in una sequenza "programmata meccanicamente".
Il vantaggio notevole dei motori CC con spazzole rispetto a quelli senza spazzole è dato dal fatto che sono economici e facili da utilizzare: è sufficiente collegarne uno all'alimentazione CC alla tensione appropriata. Gli svantaggi, tuttavia, includono una minore efficienza, l'usura delle spazzole a causa dell'attrito e l'emissione di scintille. I motori CC con spazzole presentano inoltre un controllo di uscita inferiore rispetto a quello dei motori BLDC. Non dispongono di feedback integrato e la variazione dell'ingresso di tensione è l'unico metodo per modificare la coppia e i giri/minuto di uscita.
Il motore BLDC è un motore CA, uno stepper o una tecnologia unica?
I motori CC senza spazzole ruotano in rapidi passaggi sequenziali, quindi si potrebbe essere tentati di inserire questo dispositivo rotazionale nella categoria dei motori stepper. Come indicato in precedenza, la differenza concreta è che i BLDC sono generalmente progettati per il funzionamento ad alta velocità, mentre gli stepper sono configurati per il posizionamento di precisione. Se si desidera un motore che funzioni a diverse migliaia di giri/minuto, un BLDC è la scelta migliore rispetto a un motore stepper.
Allo stesso tempo, se si desidera un motore che funzioni con precisione in frazioni di giro, avanti e indietro, costantemente, i motori stepper possono fornire ottimi risultati. Si consideri che i router CNC e le stampanti 3D funzionano frequentemente sotto il controllo di uno stepper per ore senza interruzione e ogni passaggio rimane perfettamente sincronizzato. Anche i servomotori, che utilizzano il feedback dei sensori per determinare la percorrenza di un motore, possono costituire una buona scelta per il posizionamento preciso.
Poiché i motori BLDC combinano alcune caratteristiche dei motori stepper e alcune funzionalità dei servoazionamenti, è opportuno considerare i BLDC un sistema assolutamente unico. Grazie a eccellenti prestazioni in termini di velocità ed efficienza, al feedback integrato e ai bassi costi di manutenzione, i motori BLDC costituiscono una scelta interessante per un'ampia gamma di progetti di automazione.
Confronto tra BLDC e PMSM per ingresso CA
I motori BLDC sono dispositivi a corrente diretta; un analogo a corrente alternata è definito PMSM (motore sincrono a magneti permanenti). Anziché un'alimentazione CC controllata per ciascuna bobina, questo tipo di motore utilizza una sorgente di ingresso CA con un azionamento a frequenza variabile per controllare le velocità del motore. In genere, i PMSM sono più efficienti e producono una coppia maggiore rispetto ai motori BLDC e vengono spesso impiegati nei veicoli elettrici. Anche se non sono uguali ai motori BLDC, in molte situazioni i PMSM costituiscono una buona alternativa.
Metodi di controllo dei BLDC
Grazie alle informazioni rotazionali fornite da sensori dedicati o dalla forza controelettromotrice, il controllo dei BLDC può essere implementato da uno dei tre metodi seguenti: trapezoidale, sinusoidale e orientato al campo (FOC).
Il controllo trapezoidale è il metodo più semplice per fornire alimentazione a un BLDC, eccitando ciascuna fase in sequenza. Le bobine vengono eccitate in uno stato basso o alto; in alternativa, possono essere lasciate a un regime di fluttuazione. Anche se questa opzione è di ampia applicabilità, spesso ha un'efficacia minore rispetto a tecniche più avanzate e può produrre un rumore udibile.
Il controllo sinusoidale eccita ogni bobina del BLDC utilizzando tecniche PWM a ciclo di servizio variabile per simulare le uscite analogiche. Ciò consente una transizione molto più omogena tra gli stati, con l'impiego di una tabella di ricerca per determinare il segnale corretto. Spesso le bobine vengono eccitate in base a un modello a sella anziché a un'uscita sinusoidale perfetta.
Il controllo orientato al campo (FOC) funziona in modo analogo al controllo sinusoidale di uscita-variabile ma, quando calcola gli ingressi di tensione, tiene conto anche delle variazioni delle correnti di avvolgimento del motore. Il FOC può produrre coppia e velocità costanti con un basso rumore acustico e costituisce il modo più efficiente per azionare un motore BLDC.
Applicazioni dei motori BLDC
Attualmente, le tecnologie dei motori BLDC sono principalmente utilizzate nei sistemi dei droni, in cui è estremamente importante coordinare quattro o più rotori in grado di garantire alte velocità, efficienza ed esigenze minime di manutenzione. Si registra inoltre una crescente integrazione di queste tecnologie negli utensili elettrici, anche se i modelli BLDC vengono forniti a prezzi di rivendita notevolmente più alti rispetto alle controparti con spazzole. I motori BLDC vengono impiegati in elettrodomestici quali lavatrici e asciugatrici, nonché in alcuni ventilatori e pompe.
Altre applicazioni includono le piccole ventole di raffreddamento nei PC, spesso alimentate da motori BLDC. Questa tecnologia è utilizzata anche nei supporti ottici/magnetici a rotazione di precisione (dischi rigidi e lettori CD/DVD/Blu-ray). In generale, altre applicazioni includono i veicoli elettrici (comprese le biciclette elettriche), le attrezzature di confezionamento e i dispositivi medicali.
Introduzione ai motori CC senza spazzole
Visti i notevoli vantaggi che i motori BLDC forniscono, è probabile che nell'immediato futuro si registrerà un incremento dell'utilizzo di tale tecnologia. Per un aumento dell'efficienza e della potenza dei motori, è opportuno esplorare le opportunità di altri impieghi delle metodologie FOC più avanzate e la disponibilità di driver con capacità sempre più sviluppate.
Se avete un progetto in sospeso o un potenziale caso d'uso futuro, questo è il momento migliore per esplorare la tecnologia BLDC. Per iniziare in tutta facilità, Arrow offre un'ampia gamma di schede di valutazione BLDC che agevolano lo sforzo progettuale e riducono il time-to-market.
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