Quali fattori influiscono sull'efficienza del motore brushless?

Il materiale magnetico utilizzato nel rotore di un motore brushless svolge un ruolo fondamentale nella sua efficienza. La maggior parte dei motori brushless ad alte prestazioni utilizza magneti permanenti in terre rare, come il neodimio-ferro-boro. Questi materiali possiedono forti proprietà magnetiche che consentono al motore di generare campi magnetici stabili e potenti con minori perdite di energia. Se il materiale magnetico è di bassa qualità—ad esempio con densità magnetica non uniforme o debole magnetismo—il motore brushless richiederà maggiore corrente per mantenere la coppia necessaria. Ciò non solo spreca energia, ma fa anche surriscaldare il motore, riducendone ulteriormente l'efficienza. Ad esempio, alcuni motori brushless economici utilizzano magneti in ferrite di bassa qualità invece di quelli in terre rare. Questi magneti in ferrite perdono più rapidamente la loro intensità magnetica alle alte temperature, il che significa che il motore deve lavorare di più anche solo per mantenere le operazioni di base. Scegliere un motore brushless dotato di materiali magnetici di alta qualità e certificati (ad esempio conformi agli standard industriali) è fondamentale per mantenere elevata l'efficienza.

Il modo in cui viene controllato un motore senza spazzole e quanto bene il suo sistema di azionamento lo accompagni influisce direttamente sull'efficienza. Un buon sistema di azionamento utilizza strategie di controllo precise per regolare in tempo reale la corrente e la tensione del motore. Ad esempio, il controllo del picco di corrente—nel quale l'azionamento mantiene costante il ciclo di controllo e fa sì che la corrente dello statore segua la corrente impostata—permette al motore senza spazzole di funionare in modo regolare, evitando sprechi di energia. Se il sistema di azionamento è mal abbinato, ad esempio utilizzando un controller generico non adatto all'intervallo di potenza del motore, il motore senza spazzole potrebbe presentare un flusso di corrente instabile. Ciò può portare a maggiori perdite per resistenza dello statore e a una minore efficienza complessiva. Alcuni motori senza spazzole avanzati sono persino dotati di sistemi di azionamento personalizzati, calibrati sui parametri specifici del motore, come la sua curva di coppia e l'intervallo di velocità. Questo abbinamento garantisce che il motore senza spazzole operi sempre nella sua zona di massima efficienza, sia che funzioni a bassa velocità con alta coppia, sia ad alta velocità con carico ridotto.

La progettazione dello statore e del rotore del motore brushless ha un grande impatto sull'efficienza con cui viene utilizzata l'energia. Cominciamo dallo statore: se gli avvolgimenti sono disposti in modo da creare campi magnetici non uniformi, ad esempio usando avvolgimenti disordinati e non organizzati, si avranno maggiori perdite nel rame dovute alla resistenza. D'altra parte, avvolgimenti concentrati a passo pieno ben progettati aiutano il motore brushless a generare una forza contro-elettromotrice trapezoidale regolare, riducendo così le perdite energetiche durante il funzionamento. Anche la progettazione del rotore è importante. Un rotore con un alto rapporto di salienza (il rapporto tra l'induttanza dell'asse d e quella dell'asse q) può aumentare la coppia di riluttanza del motore brushless. Ciò significa che il motore può mantenere un'alta efficienza anche se le prestazioni magnetiche del magnete permanente diminuiscono leggermente. Ad esempio, alcuni motori brushless utilizzano una struttura del rotore che potenzia il circuito magnetico, garantendo un'uniformità della densità magnetica tra i poli. Questo evita surriscaldamenti locali e permette al motore di funzionare in modo efficiente per periodi più lunghi.

I motori senza spazzole perdono efficienza quando si surriscaldano, quindi la temperatura di esercizio e la dissipazione del calore sono fattori critici. La maggior parte dei motori senza spazzole utilizza magneti permanenti che si indeboliscono con l'aumento della temperatura. Se il motore surriscalda — magari perché opera in un ambiente caldo o sotto carico elevato per troppo tempo — la forza magnetica dei magneti diminuisce. Ciò costringe il motore ad assorbire più corrente per produrre lo stesso momento torcento, causando maggiori perdite di energia e un'efficienza inferiore. Una buona dissipazione del calore aiuta a mantenere il motore senza spazzole a una temperatura stabile e fresca. Questo può includere elementi come un alloggiamento metallico che conduce bene il calore, dissipatori di calore integrati o persino piccole ventole per il raffreddamento attivo. Ad esempio, i motori senza spazzole industriali utilizzati nelle apparecchiature per l'automazione hanno spesso involucri in alluminio che disperdono rapidamente il calore. Se un motore senza spazzole non dispone di una adeguata dissipazione del calore, potrebbe spegnersi inaspettatamente o subire danni permanenti ai magneti, compromettendone definitivamente l'efficienza.

Il carico che un motore brushless sta gestendo e la velocità alla quale funziona influiscono anche sull'efficienza. Ogni motore brushless ha una "zona di funzionamento efficiente"—un intervallo di carico e velocità in cui utilizza l'energia in modo più efficace. Se si fa funzionare il motore a una velocità molto più alta o più bassa rispetto al suo intervallo ottimale, o se si applica un carico eccessivo (o troppo leggero), l'efficienza diminuisce. Ad esempio, un motore brushless progettato per carichi medi e velocità moderate sprecherà energia se utilizzato con carico leggero a velocità molto elevate. Il motore continuerà a assorbire corrente per mantenere l'alta velocità, ma poiché il carico è leggero, gran parte di quella corrente non viene utilizzata per compiere lavoro utile. Dall'altro lato, sovraccaricare il motore brushless lo costringe a lavorare oltre la sua capacità, causando un aumento della corrente e maggiori perdite nel rame. Per mantenere alta l'efficienza, è importante scegliere un motore brushless che corrisponda effettivamente ai propri requisiti reali di carico e velocità. Ad esempio, se si necessita di un motore per un nastro trasportatore che funziona a velocità media costante, scegliere un motore brushless la cui zona efficiente si adatti a quella specifica operazione.