Il principio di funzionamento di un motore brushless DC (BKDP) è noto da molto tempo e i motori brushless sono sempre stati un'interessante alternativa alle soluzioni tradizionali. Nonostante ciò, tali macchine elettriche solo nel 21° secolo hanno trovato un uso diffuso nella tecnologia. Il fattore decisivo nell'implementazione diffusa è stata la riduzione multipla del costo dell'elettronica di controllo dell'azionamento del BDKP.
Contenuto
- Problemi al motore del collettore
- Il principio di funzionamento del BDKP
- Applicazione e prospettive moderne
Problemi al motore del collettore
A livello fondamentale, il compito di qualsiasi motore elettrico è convertire l'energia elettrica in energia meccanica. Due sono i principali fenomeni fisici che stanno alla base della progettazione delle macchine elettriche:
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I campi elettrico e magnetico sono interconnessi. Cioè, ogni carica in movimento crea un campo magnetico e, di conseguenza, i campi magnetici sono in grado di produrre una differenza di potenziale. - I magneti interagiscono tra loro. Il lavoro di tutti i motori elettrici si basa sull'interazione dei magneti. Alcuni di essi sono costanti, altri sono una bobina in cui viene indotto un campo magnetico passando attraverso le spire di una corrente elettrica.
Il motore è progettato in modo tale che i campi magnetici generati su ciascuno dei magneti interagiscano sempre tra loro, dando rotazione al rotore. Un motore a corrente continua tradizionale ha quattro parti principali:
- statore (elemento stazionario con un anello di magneti);
- armatura (elemento rotante con avvolgimenti);
- spazzole di carbone;
- collettore.
Questo design prevede la rotazione dell'armatura e del collettore sullo stesso albero rispetto alle spazzole fisse. La corrente scorre dalla sorgente attraverso le spazzole caricate a molla per un buon contatto al commutatore, che distribuisce l'elettricità tra gli avvolgimenti dell'indotto. Il campo magnetico indotto in quest'ultimo interagisce con i magneti dello statore, che provoca la rotazione dello statore.
Il principale svantaggio del motore tradizionale è che il contatto meccanico sulle spazzole non può essere ottenuto senza attrito. All'aumentare della velocità, il problema si manifesta più fortemente. Il gruppo del collettore si consuma nel tempo ed è anche soggetto a formazione di archi e può ionizzare l'aria circostante. Pertanto, nonostante la semplicità e il basso costo di produzione, tali motori elettrici presentano alcuni svantaggi insormontabili:
- usura delle spazzole;
- interferenze elettriche dovute ad archi;
- limiti massimi di velocità;
- difficoltà con il raffreddamento di un elettromagnete rotante.
L'avvento della tecnologia del processore e dei transistor di potenza ha permesso ai progettisti di abbandonare l'unità di commutazione meccanica e cambiare il ruolo del rotore e dello statore in un motore elettrico CC.
Il principio di funzionamento del BDKP
In un motore elettrico brushless, a differenza del suo predecessore, un convertitore elettronico svolge il ruolo di un interruttore meccanico. Ciò consente di eseguire lo schema "rovescio" del BDKP: i suoi avvolgimenti si trovano sullo statore, il che elimina la necessità di un collettore.
In altre parole, la principale differenza fondamentale tra il motore classico e il BDKP è che invece di magneti stazionari e bobine rotanti, quest'ultimo è costituito da avvolgimenti stazionari e rotanti magneti. Nonostante il fatto che il passaggio stesso avvenga in modo simile, la sua implementazione fisica nelle unità brushless è molto più complicata.
Il problema principale è il controllo preciso del motore brushless, assumendo la corretta sequenza e frequenza di commutazione delle singole sezioni degli avvolgimenti. Questo problema è costruttivamente risolvibile solo se è possibile determinare con continuità la posizione attuale del rotore.
I dati necessari per l'elaborazione da parte dell'elettronica sono ottenuti in due modi.:
- rilevamento della posizione assoluta dell'albero;
- misurando la tensione indotta negli avvolgimenti dello statore.
Per implementare il controllo con il primo metodo, vengono spesso utilizzate coppie ottiche o sensori di Hall fissati allo statore, che reagiscono al flusso magnetico del rotore. Il principale vantaggio di tali sistemi per la raccolta di informazioni sulla posizione dell'albero è la loro prestazione anche a velocità molto basse ea riposo.
Il controllo sensorless per stimare la tensione nelle bobine richiede almeno una rotazione minima del rotore. Pertanto, in tali progetti, viene fornita una modalità per avviare il motore fino a giri, a cui la tensione sugli avvolgimenti può essere valutato e quiescente viene testato analizzando l'effetto del campo magnetico sugli impulsi di corrente di prova che passano attraverso bobine.
Nonostante tutte le difficoltà di progettazione di cui sopra, i motori brushless stanno conquistando tutto grande popolarità grazie alle sue prestazioni e inaccessibile per il set da collezione caratteristiche. Un breve elenco dei principali vantaggi del BDKP rispetto a quelli classici si presenta così:
- nessuna perdita di energia meccanica dovuta all'attrito delle spazzole;
- silenziosità comparativa del lavoro;
- facilità di accelerazione e decelerazione grazie alla bassa inerzia del rotore;
- controllo preciso della rotazione;
- la possibilità di organizzare il raffreddamento a causa della conduttività termica;
- capacità di lavorare ad alte velocità;
- durata e affidabilità.
Applicazione e prospettive moderne
Ci sono molti dispositivi per i quali aumentare il tempo di attività è fondamentale. In tali apparecchiature, l'uso di BDKP è sempre giustificato, nonostante il loro costo relativamente elevato. Questi possono essere pompe per acqua e carburante, turbine per il raffreddamento di condizionatori e motori, ecc. I motori brushless sono utilizzati in molti modelli di veicoli elettrici. Al giorno d'oggi, l'industria automobilistica si sta seriamente concentrando sui motori brushless.
BDKP sono ideali per piccoli azionamenti operanti in condizioni difficili o con elevata precisione: alimentatori e nastri trasportatori, robot industriali, sistemi di posizionamento. Ci sono aree in cui i motori brushless dominano incontrastati: hard disk, pompe, ventole silenziose, piccoli elettrodomestici, drive CD/DVD. Il peso ridotto e l'elevata potenza hanno reso il BDKP anche la base per la produzione di moderni utensili manuali a batteria.
Possiamo dire che ci sono progressi significativi nel campo degli azionamenti elettrici. Il continuo calo del prezzo dell'elettronica digitale ha determinato una tendenza all'uso diffuso di motori brushless in sostituzione di quelli tradizionali.
