Definizione di Brushless
Brushless significa letteralmente “senza spazzole”.
Nella terminologia elettromeccanica si intende “Macchina sincrona a commutazione elettronica con magneti permanenti sul rotore”.
Questa tipologia di motori è caratterizzata dal fatto che sono sincroni a magneti permanenti e a commutazione elettronica. Il flusso di eccitazione è generato da una serie di magneti disposti sul rotore: questa è la caratteristica principale che li distingue rispetto ai motori sincroni tradizionali.
Sono diventati i più diffusi e impiegati in tutti i settori dall’automazione alla robotica.
Tra le principali caratteristiche:
– Elevata densità di potenza;
– Volumi ridotti
– Facilità di controllo
Vantaggi dei motori brushless
I principali vantaggi dei motori brushless sono molteplici:
- Assenza di una manutenzione costante delle spazzole e del collettore per usura;
- Il sistema è più leggero e quindi permette più elevate accelerazioni e velocità;
- Maggiore sezione trasversale disponibile per l’avvolgimento di potenza, con conseguente miglioramento della conduzione del calore;
- Minore riscaldamento;
- Mancanza di corrente di magnetizzazione allo statore, quindi maggiore resa.
In questo tipo di motore non è necessario il sistema di contatti striscianti su lamelle solidali al rotore (spazzole-collettore); l’avvolgimento di eccitazione viene sostituito con un insieme di magneti permanenti, in grado di instaurare un campo magnetico al traferro del tutto simile a quello prodotto da un avvolgimento.
Il campo prodotto dai magneti permanenti rotorici è rotante; il campo rotante prodotto dalle correnti circolanti nei tre avvolgimenti statorici è mantenuto mediamente in anticipo di 90° elettrici dall’azione del controllo sull’inverter che alimenta il motore.
Per ottenere questo risultato, gli avvolgimenti statorici sono alimentati da un inverter, i cui interruttori statici vengono commutati da un sistema di controllo in base ai segnali logici forniti da un sensore di posizione coassiale al rotore.
In questo modo, la distribuzione delle correnti statoriche si modifica in sincronia con la posizione del rotore e quindi il campo magnetico rotante statorico risulta (idealmente) in anticipo di 90° elettrici rispetto a quello rotorico, in qualsiasi condizione di funzionamento.
Il controllo del motore brushless può essere realizzato attraverso la tecnica trapezoidale o la tecnica sinusoidale.
Tali tecniche differiscono tra loro per la forma d’onda di corrente, imposta dal convertitore; forza controelettromotrice di fase, dipendente dalla disposizione degli avvolgimenti statorici e dalla disposizione/forma dei magneti rotorici.
Il motore che utilizza la tecnica trapezoidale è anche detto DC brushless (BLDC) perché è equivalente al duale di un motore a commutazione in corrente continua con l’eccitazione a magneti permanenti.
In entrambi i casi la corrente nei conduttori deve invertire polarità ogni volta che un polo di magnete permanente gli passa davanti, al fine mantenere la coppia unidirezionale.
Applicazioni dei motori brushless
I motori brushless sono sempre più frequentemente impiegati come motori regolati in velocità. Ricordando che sono macchine sincrone, essi sono quindi in grado di generare coppia solo alla velocità di sincronismo, legata alla frequenza e al numero di paia poli pp secondo la relazione:
dove ω è la pulsazione elettrica delle grandezze di statore.
Grazie agli inverter e ai sensori di velocità, risulta possibile regolare facilmente la frequenza di alimentazione e quindi la velocità di rotazione della macchina. Ricordiamo che l’utilizzo del motore brushless è imprescindibile dall’uso di un convertitore elettronico di potenza e di un sistema di controllo: per attuare le leggi di moto e di velocità desiderate, al sistema di controllo serve tipicamente l’informazione della posizione istantanea del rotore rispetto a un riferimento fisso di statore.
In particolare, rispetto ai motori in corrente continua, presentano i seguenti vantaggi, dovuti essenzialmente all’assenza delle spazzole e del collettore:
- ridotta manutenzione;
- maggiore affidabilità;
- campo di variazione della velocità più ampio;
- maggiore rendimento;
- più agevole asportazione del calore, in quanto essendo gli avvolgimenti disposti sullo statore è minore la resistenza termica incontrata dal calore da essi generato;
- di conseguenza, dimensioni più piccole a parità di potenza;
- ridotta inerzia e più elevate prestazioni dinamiche per la presenza sul rotore di magneti permanenti (quando abbiamo un avvolgimento di eccitazione sul rotore bisogna mettere in conto la costante di tempo L/R di tale avvolgimento);
- minore rumore acustico.
Rispetto ai motori asincroni, per la presenza del rotore a magneti permanenti, presentano i seguenti vantaggi:
- dimensioni più piccole a parità di potenza;
- più elevate prestazioni dinamiche;
- non necessitano di ulteriori dispositivi di avviamento (ma sono dotati di inverter).
Le perdite del motore brushless comprendono essenzialmente:
- perdite ohmiche di statore;
- perdite per isteresi e correnti parassite nel ferro laminato (sia di statore che di rotore), ma anche nel cilindro metallico che può contenere il rotore;
- perdite meccaniche per attrito e ventilazione.
I rendimenti dei motori brushless sono mediamente più alti di quelli dei motori asincroni o in c.c. di analoga taglia: per potenze elevate (decine e centinaia di kW) si può arrivare a rendimenti del 98%.
Dimensionamento dei motori brushless
Per dimensionare un motore nella progettazione meccanica è necessario determinarne la tipologia più conveniente: alternata, continua, brushless. Stabilito il tipo di azionamento, si procederà con l’individuazione della massima velocità angolare richiesta dall’applicazione.
Le applicazioni, dal punto di vista della velocità del motore, si possono suddividere in tre grandi classi:
– applicazioni per moto traslatorio
– applicazioni per moto rotatorio
– applicazioni per avvolgitura (aspi)
Qui di seguito alcuni esempi esempi da seguire:
Traslazione di un carro per mezzo di una vite
NB. Si è tralasciato il rendimento della vite
Movimentazione di un carro per mezzo di una catena e carrucole
Movimentazione di un carro per mezzo di pignone e cremagliera
I due casi si trattano allo stesso modo:
Movimentazione di una tavola rotante
