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Motore brushless


È stato introdotto negli anni 80’ con lo sviluppo dell’elettronica di potenza.
Il motore brushless ("senza spazzole") è un motore elettrico a corrente continua di piccola potenza con il rotore a magneti permanenti e lo statore a campo magnetico rotante. A differenza di un motore in corrente continua tradizionale non ha bisogno di contatti elettrici striscianti (spazzole) sull'albero del rotore, cioè al posto di un commutatore meccanico hanno un commutatore elettronico senza spazzole, la variazione dell'orientamento del campo magnetico da esso generato avviene elettronicamente. Tale commutatore aumenta l’affidabilità di questo motore rispetto a quello tradizionale a corrente continua, in quanto l’assenza di contatto strisciante fra le spazzole e il collettore elimina una serie di inconvenienti, quali l’usura sia delle spazzole, sia del collettore di emissioni di radiodisturbi causati dallo scintillio e la produzione di polvere di grafite e rame ossidato.


Principio di funzionamento

Il brushless è costituito da un rotore su cui alloggiano espansioni polari di un magnete permanente (circuito induttore) e da uno statore su cui sono disposte, ad esempio, tre fasi (circuito di indotto). Gli avvolgimenti del indotto sono collegati sullo statore invece che sul rotore, senza richiedere la presenza di dispositivi in movimento per la loro alimentazione.

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Se si alimentano le tre fasi di statore con tre correnti alternate di frequenza f, opportunamente sfasate, si avrà in ogni avvolgimento un campo magnetico alternativo. La risultante dei tre campi sarà un campo magnetico costante in modulo e ruotante con una velocità angolare:

ωmecc = ω/p

(con p si indica il numero di paia di poli ed con ω la velocità angolare).
Quindi se si fotografa la situazione in un certo istante, si avrà la seguente disposizione del campo magnetico statorico ΦS.

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Si possono individuare i due poli magnetici del campo di statore (si assume per ipotesi p =1):
• il Nord (N) è la regione dello statore da dove escono le linee di flusso;
• il Sud (S) è la regione dello statore da dove entrano le linee del flusso magnetico.

Poichè sul rotore si ha un bipolo magnetico (N-S), i due campi magnetici (di statore e di rotore) interagiscono: si creano così delle forze di attrazione tra i poli di segno opposto (Nstatore - Srotore e Sstatore – Nrotore). Il rotore è soggetto ad una coppia (di natura elettrica) che è espressa dalla relazione:

Cm = ΦS ΦR sinθ

dove: ΦS = intensità del flusso di statore, ΦR = intensità del flusso di rotore e θ è l’angolo compreso tra le direzioni medie dei due campi.
Per effetto di tale coppia il rotore tenderà a ruotare con una certa velocità angolare (ω) in modo da raggiungere l’allineamento tra i due campi. Nel caso in figura in alto il rotore ruota in senso orario.
Dalla formula sopra scritta si osserva che la coppia è massima quando i due campi magnetici sono ortogonali fra loro e nulla quando questi sono allineati.
Inoltre è presente un sistema di sensori che rileva la posizione angolare del rotore e in funzione di questo determina il senso della corrente da inviare a ciascuna bobina. Le correnti nella bobina vengono commutate in modo che le interazioni con il campo magnetico del rotore producano una coppia sempre nello stesso verso.
Quindi per mantenere il rotore in rotazione è necessario che il campo magnetico di statore sia sempre sfasato (la condizione ottima è che siano ortogonali) rispetto a quello di rotore.
E’ chiaro che, per mantenere lo sfasamento mentre la macchina ruota, occorrerà commutare la corrente negli avvolgimenti di statore, in modo dipendente dalla posizione del rotore: quindi a monte ci dovrà essere un inverter, comandato dai sensori citati (ad esempio un encoder).

L’inverter è un convertitore statico che trasforma una tensione continua in tre tensioni alternate di cui è possibile regolare la frequenza e l’ampiezza.
In questo caso l’inverter ha la stessa funzione che aveva il sistema spazzole-collettore nel motore in continua: da ciò nasce il nome di motore in continua senza spazzole.
In un certo senso è una macchina sincrona, perché i campi di rotore e di statore sono sempre mantenuti sincroni e sfasati tra loro per creare la coppia motrice.

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Particolarità costruttive

Come già accennato il motore brushless si compone di uno statore con avvolgimento multipolare, solitamente trifase, di un rotore a magneti permanenti e di sensori di posizione dell’albero motore. Grazie all’assenza di problemi di commutazione il motore brushless può essere prodotto quasi in ogni tipo di forma fisica, benché la maggioranza delle realizzazioni sia di 3 tipi:
– tradizionale
– con statore e rotore cilindrici
– con rotore esterno

È talvolta adottata la costruzione inversa, che consente un notevole ancoraggio dei magneti e una maggiore uniformità di rotazione, con qualche limitazione nelle caratteristiche termiche del motore. Si possono anche avere motori a “disco” che utilizzano un semplice anello di ferrite come rotore e motori a “tazza” con rotore interposto tra due avvolgimenti statorici, per particolari applicazioni richiedenti la massima coppia per unità di volume.

La tensione di alimentazione del motore, non più vincolata a problemi di commutazione, può essere adeguata alla tensione di rete, evitando così l’impiego di trasformatori di alimentazione nell’azionamento e riducendo la sezione dei cavi di collegamento al motore. Inoltre, semplicemente cambiando i parametri di avvolgimento, è possibile ottimizzare l’accoppiamento tra modulo elettronico e motore in funzione della velocità e della potenza richiesta. Poiché lo statore è l’unico organo percorso da corrente e sede di perdite, il raffreddamento a fluido, associato al solo statore, è particolarmente efficace. Sigillando gli avvolgimenti è possibile costruire motori atti al funzionamento sommerso.

La fabbricazione dello statore è simile a quella di un motore asincrono tradizionale ed è quindi agevolmente automatizzabile. Solitamente l’avvolgimento reca sensori di temperatura che consentono un’efficace protezione termica, difficilmente ottenibile nei servomotori c.c. tradizionali. La realizzazione del rotore, che deve produrre tutto il flusso della macchina, rappresenta un notevole problema elettromeccanico. In particolare la scelta del tipo di magnete e del suo metodo di montaggio incidono sulle dimensioni, sulle prestazioni e sul costo della macchina elettrica, così da costituirne l’elemento qualificante. I magneti utilizzati appartengono generalmente a due categorie:

– magneti a terre rare (Sm-Co), hanno caratteristiche magnetiche notevoli ma costo elevato
– magneti ceramici (ferrite), hanno caratteristiche magnetiche decisamente inferiori rispetto a quelli a terre rare ma hanno il vantaggio di essere facilmente reperibili a costi modesti

I motori a “terre rare” sono utilizzati quando l’applicazione richiede esclusivamente alta velocità di risposta, alto rendimento e massima compattezza.

Per quanto riguarda la costruzione del rotore il maggior problema consiste nell’assicurare i magneti, costruiti con materiale fragile e meccanicamente labile, al rotore in modo rigido preciso e con minor traferro possibile.
Per velocità e prestazioni ridotte i magneti generalmente vengono fabbricati a segmenti e incollati al rotore, mentre nelle realizzazioni più qualificate la struttura è resa più affidabile da un sottile anello di acciaio amagnetico.

Il sensore di posizione è generalmente ad effetto di Hall: dovendo essere incorporato nel motore, che per applicazioni industriali gravose è solitamente isolato in classe F, deve funzionare entro lo stesso campo di temperatura (155°C), inoltre deve essere affidabile e insensibile a sporcizia e contaminazioni da lubrificante.


Applicazioni

L’utilizzo dei brushless è in notevole aumento anche se le potenze che possono trasmettere non sono ancora a livelli molto elevati (50 KW). Nonostante ciò trovano utilizzo in campo industriale per macchine a controllo numerico ma anche per attrezzature da ufficio o elettrodomestici. Questo largo utilizzo è dovuto alla loro silenziosità rispetto ai normali motori, sicuramente alla pochissima manutenzione che richiedono, e alle elevate variazioni di velocità richieste.
Il motore brushless trova anche applicazione nella Formula E. Viene alimentato con corrente continua, l’elettronica che si occupa del controllo (inverter) deve produrre tre forme di onda alternate sfasate di 120° e attraverso il rilevamento della posizione angolare del rotore, sono sincronizzate con esso. Il motore viene alimentato con una tensione di 600-700 Volt e per mantenere a temperatura normale lo statore, questo viene raffreddato a liquido. Il rotore è costruito per resistere alle alte forze centrifughe e costruito con magneti a terre rare che generano il campo rotorico. Il rendimento è notevole, e raggiunge circa il 96%. Inoltre presenta una curva della coppia motrice piatta, quindi la potenza risulta direttamente proporzionale ai giri del motore.

Vantaggi

– Il primo notevole vantaggio riguarda la vita attesa del motore, dato che le spazzole sono il "punto debole" di un motore elettrico. L'assenza di spazzole elimina anche la principale fonte di rumore elettromagnetico presente nei motori elettrici in corrente continua.
– L'ingombro è limitato rispetto alla potenza che possono erogare e soprattutto rispetto alla coppia che questi motori riescono ad erogare. In termini di efficienza, i motori brushless lavorano sempre in condizioni di rendimento ottimali. Non dovendo generare il campo magnetico rotorico hanno efficienze maggiori. L'assenza di scintille è fondamentale quando il motore opera in ambienti saturi di composti organici volatili come i carburanti.
– In questo tipo di motori i magneti permanenti sono posizionati sul rotore e sono realizzati con speciali materiali che permettono di avere un'inerzia rotorica molto bassa, cosa che permette di avere un controllo estremamente preciso sia in velocità sia in accelerazione.
– Recentemente, grazie alla richiesta di prodotti con elevata efficienza energetica nel settore civile, i motori brushless sono stati introdotti sul mercato del condizionamento e della refrigerazione, dove possono ottenere elevati benefici in termini di consumi.

– Con la diminuzione dei costi dei sistemi di controllo elettronici, prodotta da economie di scala, è divenuta di rilievo la maggiore convenienza e conseguente estensione di utilizzo dei motori brushless anche per l'azionamento di motocicli e autoveicoli a trazione elettrica.

Svantaggi

– Il principale svantaggio di questo tipo di motori sta nel maggiore costo.
– A differenza dei motori a spazzole, infatti, il controllo viene effettuato elettronicamente da un controller, un dispositivo elettronico fornito dal costruttore del motore o da terze parti, quindi al costo del motore va aggiunto il costo del sistema di controllo
– Per i motori a spazzole il "controllo" è realizzato da un potenziometro o un reostato (sistemi poco efficienti, ma estremamente economici) per la regolazione della velocità. Inoltre per questo tipo di motore si utilizzano magneti a terre rare che presentano un costo elevato a causa dell’elevata qualità.

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