Cos'è un motore DC senza spazzole? Controlli, applicazioni e tipi

I BLDC, o motori CC senza spazzole, presentano numerosi vantaggi rispetto alle tradizionali controparti "spazzolate". I motori brushless vengono utilizzati in droni, utensili elettrici, beni di consumo, apparecchiature per l'imballaggio, elettrodomestici, applicazioni mediche e altro ancora. In questo post esploreremo i vantaggi e gli svantaggi relativi dei motori BLDC rispetto ad altre tecnologie motorie. Impareremo anche dove vederli in azione e come utilizzarli.

I motori CC senza spazzole energizzano in sequenza una disposizione di bobine elettromagnetiche sullo statore di un motore (sezione stazionaria) per produrre una forza sui magneti permanenti disposti sul rotore del motore (sezione rotante). Le bobine dello statore devono essere energizzate secondo uno schema specifico con diverse direzioni elettriche - e quindi magnetiche - da un driver specializzato. I motori BLDC funzionano in modo molto più efficiente rispetto ai motori DC con spazzole, a parità di carichi e velocità.

L'esecuzione di questo schema richiede che il conducente conosca la posizione del rotore in un dato momento. I motori BLDC sono dotati di controllo a circuito chiuso, in genere tramite un sensore a effetto Hall o rilevando la forza elettromagnetica di ritorno. L'uscita rotazionale può essere controllata con un elevato grado di precisione variando la velocità della sequenza della bobina. I motori BLDC condividono alcune somiglianze con i motori passo-passo, ma i BLDC sono ottimizzati per l'alta velocità, mentre gli stepper, che utilizzano una configurazione ad anello aperto, sono ottimizzati per un posizionamento accurato.

Esistono due stili principali del motore BLDC: inrunner e outrunner.

Le sezioni elettromagnetiche sia dell'inrunner che dell'outrunner rimangono stazionarie mentre i magneti girano. È diverso rispetto a un tradizionale motore CC, in cui i magneti rimangono fermi (fissati all'alloggiamento) mentre la sezione elettromagnetica ruota. L'altra differenza fondamentale è che invece dell'energizzazione della bobina di temporizzazione basata su un sensore ad effetto Hall o back EMF, i motori CC con spazzole utilizzano spazzole fisiche per trasmettere l'elettricità in una sequenza "programmata meccanicamente".

Il grande vantaggio dei motori CC con spazzole rispetto ai motori CC senza spazzole è che sono economici e facili da usare; è sufficiente collegarne uno all'alimentazione CC alla tensione appropriata. Gli svantaggi, tuttavia, includono una minore efficienza, spazzole che si usurano a causa dell’attrito e scintille. I motori DC con spazzole hanno anche un minore controllo dell'uscita rispetto ai motori BLDC. Non hanno feedback integrato e la variazione della tensione in ingresso è l'unico metodo per modificare il numero di giri e la coppia in uscita.

Un motore BLDC è un motore passo-passo, un motore CA o qualcosa di unico?

I motori CC senza spazzole ruotano in rapidi passaggi sequenziali, quindi è forte la tentazione di inserire questo dispositivo di rotazione nella categoria dei motori passo-passo. Come notato in precedenza, la differenza pratica è che i BLDC sono generalmente progettati per il funzionamento ad alta velocità, mentre gli stepper sono impostati per il posizionamento di precisione. Se hai bisogno di un motore che giri a diverse migliaia di giri al minuto, un BLDC è la scelta giusta rispetto a uno stepper.

Allo stesso tempo, se hai bisogno di un motore per girare con precisione frazioni di giro, avanti e indietro, ancora e ancora, i motori passo-passo possono funzionare molto bene. Considera che i router CNC e le stampanti 3D spesso funzionano sotto il controllo dello stepper per ore alla volta mentre ogni passaggio rimane perfettamente sincronizzato. Anche i servomotori, che utilizzano il feedback del sensore per determinare la distanza percorsa da un motore, possono essere una buona scelta per un posizionamento preciso.

Dato che i motori BLDC combinano elementi di funzionamento passo-passo e servo, si può giustamente considerare i BLDC come un sistema assolutamente unico. Con eccellenti prestazioni di velocità ed efficienza, feedback integrato e bassi costi di manutenzione, i motori BLDC rappresentano un'opzione interessante per una varietà di progetti di automazione.

I motori BLDC sono dispositivi a corrente continua, ma un analogo a corrente alternata è chiamato motore sincrono a magnete permanente (PMSM). Invece di un'alimentazione CC controllata per ciascuna bobina, questo tipo di motore utilizza invece una sorgente di ingresso CA con un azionamento a frequenza variabile per controllare la velocità del motore. I PMSM sono in genere più efficienti e producono più coppia rispetto ai motori BLDC e sono spesso utilizzati nei veicoli elettrici. Sebbene non siano la stessa cosa di un motore BLDC, i PMSM rappresentano una buona alternativa in molte situazioni.