Un motore CC è una macchina elettrica che converte potenza elettrica in movimento meccanico. Esiste un'ampia varietà di motori, per requisiti di potenza e applicazioni diverse, da dispositivi di dimensioni molto ridotte, del diametro di pochi millimetri, per attrezzature mediche, fino a progetti personalizzati in grado di generare migliaia di watt.
I due tipi di motori CC più diffusi sono noti come CC brush e CC senza spazzole (BLDC). Anche se la fisica di base è la medesima, i due tipi differiscono molto per struttura, caratteristiche prestazionali e mezzi di controllo.
Quale si adatta meglio alla tua applicazione? Come in molti altri ambiti della vita, la risposta è "dipende". Ogni tipo presenta vantaggi e svantaggi. In questo articolo, parleremo di tecnologie dei motori CC e getteremo un po' di luce su questo complesso argomento.
Struttura e funzionamento del motore CC brush
I motori CC brush sono stati inventati nel 1800 e rappresentano uno dei tipi di motore più semplici. Sono stati i primi a diffondersi, dato che potevano essere alimentati dai primi sistemi di distribuzione della potenza di illuminazione a corrente diretta.
Figura 1: Motore CC brush. (Fonte: Oriental Motor)
Come illustrato nella Figura 1, un tipico motore CC brush è composto da un'armatura rotante e uno statore stazionario.
L'armatura, anche chiamata rotore, contiene uno o più avvolgimenti di cavi isolati e avvolti introno a un nucleo di ferro debole. Gli avvolgimenti formano una o più bobine e sono connessi elettricamente al commutatore, che è un cilindro composto da diversi segmenti di contatto metallici intorno alla barra dell'armatura. Lo statore racchiude il rotore e contiene elettromagneti o magneti permanenti che generano il campo magnetico. Le spazzole solo contatti elettrici fatti di materiale morbido come il carbone, che vengono caricati a molla perché facciano contatto con i segmenti del commutatore quando la barra ruota.
Quando una fonte di potenza CC viene connessa alle spazzole, le bobine dell'armatura vengono energizzate, trasformandola in un elettromagnete e provocandone la rotazione, in modo che suoi poli nord e sud siano allineati rispettivamente con i poli sud e nord dello statore. Quando il commutatore ruota, il movimento fa in modo che la polarità dell'energia nella bobina dell'armatura, e la direzione del relativo campo magnetico, si invertano. L'armatura ruota verso il suo nuovo allineamento, la corrente si inverte nuovamente e l'armatura continua a ruotare.
Questa inversione di corrente è chiamata commutazione meccanica, la rotazione meccanica della barra fornisce il feedback necessario per commutare la polarità della corrente.
Variando la disposizione degli avvolgimenti, sono state sviluppate molte varietà di motori CC brush, che presentano diverse caratteristiche di prestazione; ne esistono cinque tipologie di base. Le prime quattro tipologie utilizzano bobine sia nello statore che nel rotore (armatura), quindi utilizzano esclusivamente elettromagneti.
Un motore CC brush con avvolgimento in derivazione presenta le bobine di campo dello statore e del rotore connesse in parallelo; funziona a velocità costante a prescindere dal carico. Grazie a questa funzione di auto regolazione, viene ampiamente utilizzato nelle applicazioni industriali a velocità costante.
Un motore CC brush con avvolgimento in serie presenta due bobine avvolte in serie; la sua velocità varia con il variare del carico, crescendo quando il carico decresce, ma ha una coppia di avvio molto elevata, quindi viene ampiamente utilizzato per applicazioni di breve durata, come i motorini di avviamento delle automobili.
Un motore CC brush ad avvolgimento composito è una combinazione dei motori ad avvolgimento in derivazione e in serie, che presenta le caratteristiche di entrambi. I motori ad avvolgimento composito vengono utilizzati solitamente in presenza di condizioni di avvio complicate e quando è necessaria una velocità costante.
Un motore CC brush a eccitazione separata dispone di alimentatori separati per lo statore e il rotore, il che consente di avere una corrente di campo elevata per lo statore e una tensione per l'armatura sufficiente a produrre la necessaria corrente di coppia per il rotore. Questo tipo di motore è utilizzato quando sono necessarie basse velocità ed elevate capacità di coppia.
Un motore CC brush con magnete permanente contiene magneti permanenti nello statore, il che elimina la necessità di una corrente di campo esterna. In questo caso, il design è più piccolo e leggero, oltre ad essere più efficiente a livello energetico degli altri motori CC brush; viene utilizzato ampiamente nelle applicazioni a bassa potenza fino a circa 2 HP.
Controllo motore CC brush
Il controllo di un motore CC brush è in linea teorica molto semplice, dato che la commutazione viene eseguita meccanicamente. Un motore a velocità fissa necessita solo di tensione CC e di un interruttore on/off; la velocità può essere modificata entro un ampio intervallo variando il voltaggio.
Per le applicazioni che richiedono un controllo più sofisticato, è possibile utilizzare una comune topologia di circuito, come il ponte H illustrato dalla Figura 2. Accendendo simultaneamente i transistor Q1 e Q4, o i transistor Q3 e Q2, la corrente che attraversa il motore BDC scorre in una direzione o nell'altra, consentendo il movimento bidirezionale.
Per il controllo della velocità, viene utilizzato un segnale modulato in ampiezza di impulso (PWM) per generare una tensione media. L'avvolgimento del motore funge da filtro a passo basso, in modo che le forme d'onda PWM ad alta frequenza generino una corrente stabile nell'avvolgimento del motore. Per una regolazione della velocità più precisa, è possibile aggiungere un sensore di velocità come un sensore a effetto Hall o un encoder ottico, in modo da formare un sistema di controllo a circuito chiuso.
Riepilogo sui motori CC brush
I motori CC brush sono economici e affidabili, oltre a offrire un elevato rapporto coppia/inerzia. Dato che necessitano di pochi o nessun componente esterno, sono anche adatti a funzionare in condizioni difficili.
Per quanto riguarda gli svantaggi, le spazzole tendono a usurarsi con il tempo e producono polvere; i motori brush richiedono manutenzione periodica, per la sostituzione o la pulizia delle spazzole. Altri svantaggi includono: bassa dissipazione del calore, a causa delle limitazioni del rotore, elevata inerzia del rotore, bassa velocità massima e un'interferenza elettromagnetica (EMI) generata dall'arco delle spazzole.
Struttura e funzionamento del motore CC senza spazzole
Il principio sottostante al funzionamento dei motori CC senza spazzole (BLDC) è analogo a quello dei motori CC brush (controllo di commutazione utilizzando un feedback della posizione della barra interna), ma la sua struttura è molto diversa.
Diversamente dai motori CC brush, il magnete permanente è installato sul rotore BLDS; lo statore è fatto di acciaio laminato e fessurato e contiene gli avvolgimenti a bobina.
I BLDC non utilizzano spazzole di carbone o commutatori meccanici. Il rotore viene forzato a ruotare energizzando in successione le bobine intorno allo statore, mentre la commutazione si esegue attraverso un complesso controller elettronico utilizzato congiuntamente a un sensore di posizione del rotore (come un fototransistor-LED, sensori effetto Hall o elettromagnetici).
Il metodo di costruzione del BLDC consente allo stesso di avere meno resistenza interna e offrire una dissipazione del calore molto migliore nelle bobine dello statore. Ciò comporta una maggiore efficienza operativa, dato che il calore delle bobine può essere dissipato più efficientemente attraverso l'alloggiamento molto più ampio del motore stazionario.
Gli avvolgimenti dello statore possono essere disposti secondo uno schema a stella (o Y) o a delta. Le laminazioni in acciaio possono essere o meno fessurati. Un motore non fessurato presenta un'induttanza inferiore, quindi può funzionare a più alte velocità e avere meno ondulazione a basse velocità. Il principale svantaggio di uno statore non fessurato risiede nel suo costo più elevato, dovuto al fatto che necessita maggiori avvolgimenti per compensare il più ampio gap di aria.
Il numero di poli nel rotore può variare a seconda dell'applicazione. Aumentando il numero di poli di aumentano le coppie, ma si riduce la velocità massima. Anche il materiale utilizzato per costruire i magneti permanenti ha un effetto sulla coppia massima, che aumenta con la densità del flusso.
Figura 3: Motore CC senza spazzole (BLDC). (Fonte: Oriental Motor)
Controllo motore CC senza spazzole
Dato che la commutazione deve essere eseguita elettronicamente, il controllo del BLDC è molto più complicato, rispetto ai semplici schemi discussi in precedenza; vengono utilizzati, inoltre, sia metodi digitali che metodi analogici. Il blocco di controllo di base è simile all'approccio del motore CC brush, ma il controllo a circuito chiuso è obbligatorio.
Visualizza prodotti correlati
Ci sono tre tipologie di algoritmi di controllo primari utilizzati per il controllo dei motori BLDC: commutazione trapezoidale, commutazione sinusoidale e controllo vettoriale (o orientato al campo). Ogni algoritmo può essere implementato in diversi modi, a seconda del codice software e del design dell'hardware, e ognuno offre diversi vantaggi e svantaggi.
Figura 4: Metodi di controllo del motore CC senza spazzole.
La commutazione trapezoidale richiede i software e i circuiti di controllo più semplici, il che la rende l'ideale per le applicazioni di fascia bassa. Utilizza un processo a sei passaggi usando un feedback di posizione del rotore. La commutazione trapezoidale controlla la velocità e la potenza del motore in maniera efficace ma presenta ondulazione di coppia durante la commutazione, in particolare a basse velocità.
La commutazione senza sensori, per la quale la posizione del rotore viene stimata misurando l'EMF posteriore del motore, offre prestazioni simili al metodo effetto Hall, ma presuppone un algoritmo più complesso. Eliminando i sensori effetto Hall e il relativo circuito di interfaccia, la commutazione senza sensori riduce i costi di installazione e componentistica e semplifica il design del sistema.
La commutazione sinusoidale utilizza la modulazione della frequenza portante per trainare il motore, controllando le tre correnti di avvolgimento simultaneamente, in modo che la loro variazione sia armoniosa e sinusoidale, quando il motore gira. Questa tecnica offre un controllo del motore preciso e fluido, eliminando l'ondulazione di coppia e i picchi di commutazione associati al metodo trapezoidale. Può essere eseguito con un sistema a circuito aperto o come un sistema a circuito chiuso con l'aggiunta di un sensore di velocità e viene generalmente utilizzato in applicazioni per prestazioni di fascia media che necessitano di controllo di coppia e velocità. Il complicato schema di commutazione sinusoidale richiede potenza di elaborazione aggiuntiva oltre a dispositivi elettronici di controllo per essere implementato.
Il controllo vettoriale è riservato alle applicazioni di alta fascia, per via del suo design complesso e delle elevate richieste che inoltra al microcontroller. L'algoritmo utilizza feedback di corrente di fase per calcolare i vettori di frequenza e tensione e commutare il motore. Il controllo vettoriale offre un controllo dinamico accurato di velocità e coppia e risulta efficace per un'ampia gamma di operazioni.
È possibile anche utilizzare una tecnica senza sensori; un derivatore monitora la corrente di motore e l'algoritmo compara i risultati con un modello matematico immagazzinato dei parametri di funzionamento del motore. Tale metodo riduce i costi relativi ai dispositivi di feedback, ma aumenta in misura significativa i requisiti di elaborazione dell'MCU.
Comparazione delle strategie di controllo del BLDC
Come sono giudicate le diverse strategie di controllo? Come ci si aspetterebbe, il più semplice approccio trapezoidale offre il peggior controllo di coppia, ma non richiede troppo lavoro da parte di microcontroller e dispositivo di controllo. D'altra parte, il metodo di controllo vettoriale (chiamato anche controllo orientato al campo o FOC) offre un eccellente controllo di velocità e coppia, ma impone dei requisiti stringenti per il microcontroller.
Riepilogo BLDC
I motori CC senza spazzole non richiedono troppa manutenzione, dato che non hanno commutatori meccanici o spazzole che tendono all'usura, e non produce scintille. Offrono, inoltre, minore inerzia e frizione della barra, meno rumore udibile e un rapporto coppia/peso molto migliore (densità di potenza), quindi hanno dimensioni molto più ridotte rispetto ai motori CC brush.
Rispetto ai motori CC brush, i motori BLDC offrono numero vantaggi prestazionali. Dispongono di un'elevata coppia di avvio, tarata su una velocità nominale. Grazie al controllo elettronico in tempo reale, la regolazione della velocità è precisa e non risente delle variazioni di carico. Dato che il calore viene generato in uno statore esterno e non nel rotore interno, il raffreddamento è più semplice. L'assenza di spazzole comporta meno rumore elettrico e la possibilità di funzionare a velocità maggiori, in alcuni casi fino a 100.000 giri/min.
Soluzioni di controllo per i motori CC disponibili
Come abbiamo visto, se il controllo dei semplici motori CC brush è semplice da ottenere, il controllo più preciso dei BDC e il controllo dei BLDC sono tutt'altro che lineari.
La buona notizia è che sono disponibili diverse soluzioni pronte all'uso utilizzabili per i motori che dispongono dei controller appropriati. Per quando riguarda i dispositivi, Arrow Electronics offre molti controller per motori prodotti da aziende leader del mercato, in grado di essere utilizzati per motori CC brush e senza spazzole. Dato che il controllo dei motori è un mercato molto ampio, inoltre, molti fornitori offrono kit di sviluppo, progetti di riferimento e librerie software destinate al controllo dei motori CC.
In conclusione, qual è quello più adatto per le tue esigenze?
Sono disponibili numerose opzioni, in relazione alle tecnologie per motori CC, in base alla tua applicazione è possibile fare la scelta ottimale.
In caso di dispositivo medico con spazio limitato che non consente manutenzione? In questo caso, si potrebbe prendere in considerazione una soluzione senza spazzole. Il tuo principale requisito è che sia low cost? In questo caso, un motore CC con magnete permanente potrebbe essere l'ideale.
Hai bisogno di un controllo molto preciso? Prendi in considerazione un BLDC, magari con una strategia di controllo digitale. Vuoi uno schema di controllo semplice? Controlla l'opzione CC brush.
In qualunque caso, ora che hai capito quali sono i vantaggi relativi di ogni tecnologia, dovresti avere maggiori possibilità di compiere la scelta migliore.
Visualizza prodotti correlati
