Introduzione ai prodotti BLDC e analisi degli scenari applicativi

Introduzione ai prodotti BLDC e analisi degli scenari applicativi

I. Introduzione ai motori BLDC

Un motore in corrente continua senza spazzole (BLDC) è un tipo di motore in corrente continua che non utilizza contatti meccanici per la commutazione (spazzole in carbonio). Al loro posto, impiega un controllore elettronico per realizzare la commutazione, sostituendo così il tradizionale motore in corrente continua con spazzole.

Il suo omologo è il comune "motore in corrente continua (motore con spazzole)". Una bobina è posta all’interno di un campo magnetico. Quando vi scorre corrente, la bobina viene respinta da un polo magnetico e attratta dall’altro, provocando una rotazione continua sotto questo effetto. Durante la rotazione, il verso della corrente che attraversa la bobina viene invertito, consentendole di continuare a ruotare.

In un motore in corrente continua (motore a spazzole), il campo magnetico generato dai magneti permanenti fissi è stazionario. La rotazione viene ottenuta controllando il campo magnetico prodotto dalla bobina (rotore) al suo interno. La velocità di rotazione viene modificata variando la tensione. In un motore BLDC, il rotore è costituito da magneti permanenti. La rotazione viene ottenuta cambiando la direzione del campo magnetico generato dalle bobine circostanti. La rotazione del rotore è controllata regolando la direzione e l'entità della corrente che scorre nelle bobine.

I motori in corrente continua senza spazzole sono disponibili in tre configurazioni: monofase, bifase e trifase. Tra queste, il motore BLDC trifase è il più comune. Generalmente, i motori senza spazzole monofase e trifase sono frequentemente utilizzati negli elettrodomestici di uso quotidiano. Il principio fondamentale di queste due configurazioni è lo stesso, ma i relativi metodi di controllo presentano lievi differenze.

In un motore brushless monofase, tutti gli avvolgimenti interni sono realizzati utilizzando un singolo filo. Il verso della corrente varia tra gli avvolgimenti. Modificando opportunamente il verso della corrente in posizioni e istanti adeguati, è possibile controllare la rotazione del motore. Il metodo di controllo per questa configurazione è relativamente semplice, rendendolo ampiamente utilizzato in applicazioni come i ventilatori per radiatore.

A differenza della struttura monofase, gli avvolgimenti interni di un motore brushless trifase sono suddivisi in tre gruppi. In apparenza, questi appaiono come tre insiemi indipendenti di avvolgimenti, ma internamente sono interconnessi. Rispetto alla struttura monofase, questa configurazione motoristica offre vantaggi nel controllo della velocità e nella riduzione complessiva del rumore, con conseguente maggiore versatilità di impiego.

II. Caratteristiche dei motori brushless

1. Può sostituire la regolazione di velocità del motore a corrente continua, la regolazione di velocità mediante inverter + motore a frequenza variabile e la regolazione di velocità mediante motore asincrono + riduttore ;

2. Mantiene i vantaggi dei tradizionali motori in corrente continua eliminando tuttavia la struttura delle spazzole di carbone e degli anelli collettori ;

3. In grado di operare a bassa velocità e alta potenza, può azionare direttamente carichi elevati senza riduttore ;

4dimensioni ridotte, peso contenuto, elevata potenza in uscita;

5eccellenti caratteristiche di coppia, buone prestazioni di coppia a media/bassa velocità, coppia di avviamento elevata, corrente di avviamento ridotta;

6. Regolazione continua della velocità, ampio campo di regolazione della velocità, elevata capacità di sovraccarico ;

7. Avviamento/arresto graduale, ottime caratteristiche di frenatura, può eliminare la necessità di dispositivi frenanti meccanici o elettromagnetici originali ;

8. Alta efficienza: il motore non presenta perdite dovute all’eccitazione né perdite dovute alle spazzole di carbone ed elimina i consumi legati alla decelerazione multistadio, consentendo un risparmio energetico complessivo del 20%–60% ;

9. Alta affidabilità, buona stabilità, forte adattabilità, manutenzione e riparazione semplici;

10. Resistente alle vibrazioni e agli urti, rumore ridotto, vibrazioni minime, funzionamento fluido, lunga durata ;

11. Nessuna generazione di scintille, particolarmente adatto per ambienti esplosivi; disponibili modelli antideflagranti ;

12. È possibile selezionare motori a campo d'onda trapezoidale o motori a campo d'onda sinusoidale in base alle esigenze .

III. Scenari applicativi per i motori brushless

Applicazioni con carico costante

Questo tipo di applicazione è utilizzato principalmente in settori che richiedono una determinata velocità di rotazione, ma con requisiti di precisione relativamente bassi su tale velocità, come ventilatori, pompe idrauliche e asciugacapelli. Tali applicazioni presentano generalmente costi contenuti e fanno spesso ricorso al controllo in catena aperta.

Applicazioni con carico variabile

Questi si riferiscono principalmente ad applicazioni in cui la velocità del motore deve variare entro un determinato intervallo. Tali applicazioni richiedono caratteristiche elevate del motore in termini di funzionamento ad alta velocità e di risposta dinamica. Esempi tipici sono gli elettrodomestici, come lavatrici, centrifughe e compressori. Nel settore automobilistico, rientrano in questa categoria il controllo della pompa dell’olio, i controllori elettronici, il controllo del motore e gli utensili elettronici. Esistono inoltre numerose applicazioni nel campo aerospaziale, ad esempio centrifughe, pompe, bracci robotici e giroscopi. In questo ambito, i dispositivi di retroazione del motore vengono spesso utilizzati per realizzare controlli semi ad anello aperto e ad anello chiuso. Ciò richiede algoritmi di controllo complessi, con conseguente aumento della complessità del controllore e del costo complessivo del sistema.

Applicazioni di posizionamento

La maggior parte delle applicazioni industriali di controllo e automazione rientra in questa categoria. Queste applicazioni spesso prevedono la trasmissione di energia, ad esempio mediante ingranaggi o nastri trasportatori. Di conseguenza, il sistema presenta requisiti specifici riguardo alla risposta dinamica della velocità del motore e alla coppia. Inoltre, queste applicazioni possono richiedere frequenti inversioni del senso di rotazione del motore. Il motore può operare nelle fasi di accelerazione, velocità costante o decelerazione, e il carico può variare anche durante tali fasi. Ciò comporta requisiti più elevati per il controllore.