Motori DC a spazzole vs brushless: differenze chiave

Che cos'è un motore CC?

Un motore CC è una macchina elettrica che converte l'energia elettrica in corrente continua in movimento meccanico. Esiste una vasta gamma di motori per diverse applicazioni ed esigenze di potenza, da dispositivi minuscoli—appena pochi millimetri di diametro—per apparecchiature mediche, fino a progetti personalizzati che generano migliaia di cavalli.

Motori con spazzole vs. motori senza spazzole

I due tipi più comuni di motori CC sono conosciuti come DC brushed e brushless DC (BLDC). Sebbene la fisica di base sia la stessa, la loro costruzione, le caratteristiche di prestazione e i metodi di controllo sono molto diversi.
 
Qual è il migliore per la tua applicazione? Bene, come molte cose nella vita, la risposta è "dipende". Ci sono vantaggi e svantaggi nel confronto tra un motore a spazzole e un motore senza spazzole. In questo articolo, esamineremo entrambe le tecnologie dei motori CC e faremo un po' di chiarezza su questo complesso argomento.

Come funzionano i motori a spazzole

I motori a corrente continua con spazzole, inventati per la prima volta nel 1800, sono uno dei tipi di motori più semplici. Sono stati il primo tipo di motore ampiamente utilizzato poiché potevano essere alimentati dai primi sistemi di distribuzione di energia per illuminazione a corrente continua.

Come mostrato in Figura 1, un tipico motore a corrente continua a spazzole consiste in un'armatura rotante e uno statore fisso.
 
L'armatura (chiamata anche rotore) contiene uno o più avvolgimenti di filo isolato avvolti attorno a un nucleo di ferro dolce. Gli avvolgimenti formano una o più bobine e sono elettricamente collegati al commutatore, che è un cilindro composto da più segmenti di contatto in metallo attorno all'albero dell'armatura. Lo statore racchiude il rotore e contiene magneti permanenti o elettromagneti per generare un campo magnetico. Le spazzole sono contatti elettrici, realizzati con un materiale morbido come il carbonio, che sono caricati a molla per entrare in contatto con i segmenti del commutatore mentre l'albero ruota.

Ruolo delle spazzole nei motori CC

Quando una fonte di alimentazione DC è collegata alle spazzole, gli avvolgimenti dell'ancora vengono energizzati, trasformandola in un elettromagnete e facendola ruotare in modo che i suoi poli nord e sud si allineino rispettivamente con i poli sud e nord dello statore. Man mano che il commutatore ruota, il movimento causa l'inversione della polarità della corrente nell'avvolgimento dell'armatura e la direzione del suo campo magnetico. L'armatura ruota verso il suo nuovo allineamento, la corrente si inverte di nuovo e l'armatura continua a ruotare.
 
Questo metodo di inversione della corrente è chiamato commutazione meccanica—la rotazione meccanica dell'albero fornisce il feedback necessario per invertire la polarità della corrente.
 
Variando la disposizione degli avvolgimenti, sono state sviluppate diverse varietà di motori a corrente continua con spazzole, ognuna con diverse caratteristiche di prestazione; ci sono cinque tipi di base. I primi quattro tipi utilizzano avvolgimenti sia nello statore che nel rotore (ancora), quindi usano esclusivamente elettromagneti.

Tipi di motori a corrente continua con spazzole e i loro usi

Un motore a corrente continua con spazzole e avvolgimento in derivazione ha le bobine del rotore e dello statore collegate in parallelo; funziona a velocità costante indipendentemente dal carico. Questa caratteristica di auto-regolazione lo rende ampiamente utilizzato in applicazioni industriali a velocità costante.
 
Un motore a corrente continua con spazzole e avvolgimento in serie ha le due bobine avvolte in serie; la sua velocità varia con il carico, aumentando quando il carico diminuisce, ma ha una coppia di avviamento molto alta, quindi è ampiamente utilizzato per applicazioni di breve durata come gli avviatori per automobili.
 
Un motore a corrente continua con spazzole e avvolgimento composto è una combinazione di motori con avvolgimento in derivazione e in serie, con caratteristiche di entrambi. I motori con avvolgimento composto sono solitamente utilizzati quando si incontrano condizioni di avviamento severe e si richiede una velocità costante.
 
Un motore a corrente continua con spazzole e eccitazione separata ha alimentazioni separate per rotore e statore, permettendo sia un'alta corrente di campo dello statore che una tensione di armatura sufficiente a produrre la corrente di coppia del rotore richiesta. Questo tipo di motore è utilizzato quando è richiesta una capacità di coppia elevata a basse velocità.
 
Un motore a corrente continua con spazzole e magneti permanenti contiene magneti permanenti nello statore, eliminando la necessità di una corrente di campo esterna. Questo design è più piccolo, leggero ed efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri tipi di motori a corrente continua con spazzole; è ampiamente utilizzato in applicazioni a bassa potenza fino a circa 2 HP.

Come controllare la velocità dei motori DC a spazzole

Con la commutazione eseguita meccanicamente, controllare un motore CC a spazzole è concettualmente molto semplice. Un motore a velocità fissa necessita solo di una tensione CC e di un interruttore on/off; variando la tensione si modifica la velocità su un'ampia gamma.
 
Per applicazioni che richiedono un controllo più sofisticato, si può utilizzare una topologia di circuito comune come il ponte a H mostrato in Figura 2. Attivando simultaneamente i transistor Q1 e Q4, o i transistor Q3 e Q2 simultaneamente, la corrente attraverso il motore BDC scorre in una direzione o nell'altra, permettendo il movimento bidirezionale.

Per il controllo della velocità, viene utilizzato un segnale a modulazione di larghezza di impulso (PWM) per generare una tensione media. L'avvolgimento del motore agisce come un filtro passa-basso, quindi un'onda PWM ad alta frequenza genererà una corrente stabile nell'avvolgimento del motore. Per una regolazione più precisa della velocità, si può aggiungere un sensore di velocità come un sensore ad effetto Hall o encoder ottico per formare un sistema di controllo ad anello chiuso.

Nozioni di base sul motore CC a spazzole

I motori a spazzole rispetto ai motori brushless sono economici e affidabili e hanno un alto rapporto tra coppia e inerzia. Poiché necessitano di pochi o nessun componente esterno, sono anche adatti per funzionare in condizioni difficili.
 
Di contro, le spazzole si consumano nel tempo e producono polvere; i motori a spazzole richiedono manutenzione periodica per la pulizia o la sostituzione delle spazzole. Altri svantaggi includono la scarsa dissipazione del calore a causa delle limitazioni del rotore, l’alta inerzia del rotore, la bassa velocità massima e l'interferenza elettromagnetica (EMI) generata dall'arco delle spazzole.

Come funzionano i motori brushless

Il principio di funzionamento di base per un motore brushless DC (BLDC) è lo stesso di quello per un motore DC a spazzole: il controllo della commutazione utilizza il feedback della posizione interna dell'albero, ma la sua costruzione è molto diversa.
 
A differenza del motore DC a spazzole, il magnete permanente è montato sul rotore del BLDC; lo statore è fatto di acciaio laminato a intagli e contiene gli avvolgimenti delle bobine.
 
I BLDC non utilizzano neppure spazzole di carbone o un commutatore meccanico. Forzare la rotazione del rotore è fatto energizzando successivamente le bobine intorno allo statore, e la commutazione è eseguita tramite un complesso controllore elettronico utilizzato insieme a un sensore di posizione del rotore (ad esempio, sensori foto transistor-LED, elettromagnetici o ad effetto Hall).
 
Il metodo di costruzione del BLDC gli consente di avere meno resistenza interna e una dissipazione del calore molto migliore nelle bobine dello statore. Questo si traduce in una maggiore efficienza operativa poiché il calore delle bobine può dissiparsi più efficientemente attraverso la carcassa del motore stazionaria molto più grande.
 
Gli avvolgimenti dello statore possono essere disposti in un modello a stella (o Y), o a triangolo (delta). Le laminazioni d'acciaio possono essere con o senza intagli. Un motore senza intagli ha un'induttanza inferiore, quindi può funzionare a velocità più elevate ed esibisce meno ondulazione a velocità più basse. Il principale svantaggio di uno statore senza intagli è il suo costo più elevato poiché richiede più avvolgimenti per compensare il maggiore divario d'aria.
 
Il numero di poli nel rotore può variare a seconda dell'applicazione. Aumentare il numero di poli aumenta la coppia ma riduce la velocità massima. Il materiale utilizzato per costruire i magneti permanenti ha anche un effetto sulla coppia massima, che aumenta con la densità di flusso.

Scopri di più su cos'è un BLDC e come funziona.

Controllo motore CC brushless

Poiché la commutazione deve essere eseguita elettronicamente, il controllo BLDC è considerevolmente più complicato rispetto agli schemi semplici discussi in precedenza, e vengono utilizzati metodi di controllo sia analogici che digitali. Il blocco di controllo di base è simile all'approccio del motore DC con spazzole, ma il controllo ad anello chiuso è obbligatorio.

Esistono tre tipi principali di algoritmi di controllo utilizzati per il controllo dei motori BLDC: commutazione trapezoidale, commutazione sinusoidale e controllo vettoriale (o orientato al campo). Ogni algoritmo di controllo può essere implementato in modi diversi a seconda della codifica software e del design hardware, e ognuno offre vantaggi e svantaggi distinti.

La commutazione trapezoidale richiede i circuiti di controllo e il software più semplici, rendendola ideale per applicazioni di fascia bassa. Utilizza un processo a sei fasi con feedback della posizione del rotore. La commutazione trapezoidale controlla efficacemente la velocità e la potenza del motore ma soffre di ondulazione di coppia durante la commutazione, particolarmente a basse velocità.
 
La commutazione senza sensore - stimare la posizione del rotore misurando la forza contro-elettromotrice del motore - offre prestazioni simili al metodo effetto Hall a costo di una complessità di algoritmo aumentata. Eliminando i sensori effetto Hall e i loro circuiti di interfaccia, la commutazione senza sensore riduce i costi dei componenti e dell'installazione e semplifica la progettazione del sistema.
 
La commutazione sinusoidale utilizza la modulazione della frequenza portante per pilotare il motore, controllando contemporaneamente le tre correnti degli avvolgimenti, in modo che varino in modo fluido e sinusoidale mentre il motore gira. Questa tecnica offre un controllo del motore fluido e preciso eliminando l'ondulazione di coppia e i picchi di commutazione associati al metodo trapezoidale. Può essere gestita come sistema a circuito aperto o sistema a circuito chiuso con un sensore di velocità aggiunto ed è tipicamente utilizzata in applicazioni di prestazione media che richiedono sia controllo di velocità che di coppia. Lo schema complesso di commutazione sinusoidale richiede tuttavia una potenza di elaborazione e un'elettronica di controllo aggiuntiva per essere implementato.
 
Il controllo vettoriale è riservato per applicazioni di fascia alta a causa del suo design complesso e delle elevate richieste che pone sul microcontroller. L'algoritmo utilizza il feedback della corrente di fase per calcolare i vettori di tensione e frequenza e commutare il motore. Il controllo vettoriale fornisce un controllo dinamico preciso di velocità e coppia ed è efficiente su un ampio intervallo operativo.
 
Può essere utilizzata anche una tecnica senza sensore; uno shunt monitora la corrente del motore e l'algoritmo confronta i risultati con un modello matematico memorizzato dei parametri operativi del motore. Questo metodo riduce il costo dei dispositivi di feedback, ma aumenta significativamente i requisiti di elaborazione del MCU.

Confronto delle strategie di controllo BLDC

Come si confrontano le diverse strategie di controllo? Come ci si potrebbe aspettare, l'approccio trapezoidale semplice ha il controllo della coppia peggiore, ma non richiede troppo al microcontrollore o al dispositivo di controllo. All'estremità opposta dello spettro, il metodo di controllo vettoriale (chiamato anche controllo orientato al campo, o FOC) fornisce un eccellente controllo sia della velocità che della coppia, ma le esigenze del microcontrollore sono impegnative.

Differenza tra motori con spazzole e senza spazzole

Senza commutatore meccanico o spazzole soggette a usura, i motori brushless DC richiedono poca manutenzione e non producono scintille. Inoltre, presentano meno attrito sull'albero e inerzia, meno rumore udibile e rapporti coppia-peso molto migliori (densità di potenza), quindi sono molto più piccoli rispetto a un motore DC a spazzole comparabile.
 
Rispetto ai motori DC a spazzole, i motori BLDC hanno diversi vantaggi in termini di prestazioni. Hanno una coppia di avviamento elevata e la coppia è costante fino alla velocità nominale. Grazie al controllo elettronico in tempo reale, la regolazione della velocità è precisa e insensibile alle variazioni di carico. Poiché il calore viene generato nello statore esterno e non nel rotore interno, sono più facili da raffreddare. E la mancanza di spazzole significa che producono meno rumore elettrico e possono funzionare a velocità più elevate—fino a 100.000 RPM in alcuni casi.

Soluzioni disponibili per il controllo di motori DC a spazzole e senza spazzole

Come abbiamo visto, sebbene il controllo semplice di un motore a corrente continua a spazzole sia facile da ottenere, un controllo BDC più preciso e un controllo BLDC sono tutt'altro che semplici.
 
La buona notizia è che sono disponibili molte soluzioni pronte all'uso che abbinano i motori ai controller appropriati. A livello di dispositivo, Arrow Electronics offre numerosi controllori per motori dai principali fornitori, rivolti sia ai motori a spazzole che a quelli senza spazzole. Inoltre, poiché il controllo dei motori è un mercato enorme, molti fornitori offrono kit di sviluppo, progetti di riferimento e librerie software mirate al controllo dei motori DC.

Motori a spazzole vs. motori brushless: Qual è il migliore per te?

Hai molte opzioni disponibili quando si tratta di scegliere la giusta tecnologia del motore CC a seconda della tua applicazione.
 
Che ne dici di un dispositivo medico con spazio limitato dove la manutenzione non è un'opzione? Inizia a considerare una soluzione senza spazzole. La tua preoccupazione principale è il basso costo? Forse un motore CC a magnete permanente è adatto a te.
 
È necessario un controllo molto preciso? Considera un motore BLDC, magari con una strategia di controllo digitale. Schema di controllo semplice? Dai un'occhiata a un'opzione di motore CC con spazzole.
 
In ogni caso, ora che comprendi i meriti relativi della tecnologia dei motori senza spazzole rispetto a quella con spazzole, dovresti essere in una posizione migliore per fare la scelta migliore.