Cos'è un motore brushless? Come funziona, spiegazioni sui diagrammi e sui tipi DC

Cos'è un motore brushless?

Un motore brushless è un motore elettrico che genera forza di rotazione attraverso campi magnetici commutati elettronicamente, eliminando le spazzole di carbone fisiche e l'anello commutatore meccanico utilizzati nei motori con spazzole convenzionali. Invece di fare affidamento su contatti elettrici scorrevoli per cambiare la direzione della corrente attraverso gli avvolgimenti del rotore, un motore brushless utilizza un controller elettronico dedicato – l’ESC (regolatore elettronico di velocità) o il driver BLDC – per sequenziare la corrente attraverso gli avvolgimenti stazionari dello statore in tempi precisi con la posizione del rotore. Il rotore stesso trasporta magneti permanenti e non ha alcun collegamento elettrico.

Questo cambiamento di architettura ha tre conseguenze immediate. Innanzitutto, non vi è attrito o formazione di archi sulle spazzole, la principale fonte di calore, usura e perdita di efficienza nei design con spazzole. In secondo luogo, gli avvolgimenti generatori di calore si trovano sullo statore, che è a diretto contatto con l'alloggiamento del motore e può essere raffreddato passivamente o attivamente; in un motore con spazzole, il calore si accumula all'interno del rotore in rotazione dove è difficile da dissipare. In terzo luogo, i tempi di commutazione possono essere ottimizzati tramite software per qualsiasi condizione operativa, consentendo al motore di funzionare alla massima efficienza in un ampio intervallo di giri/min e di carico. I motori brushless raggiungono in genere un'efficienza dell'85-95%. , rispetto al 75-80% per i design spazzolati equivalenti.

Il termine "motore brushless" si riferisce più comunemente al motore CC senza spazzole (BLDC), che è alimentato da tensione CC e utilizza la commutazione elettronica per approssimare il campo magnetico rotante di un motore CA. I motori CA senza spazzole, inclusi i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), funzionano secondo lo stesso principio fisico ma sono azionati da forme d'onda CA sinusoidali anziché dalla commutazione CC trapezoidale. Nell'uso quotidiano, il "motore brushless" e il "motore BLDC" vengono utilizzati in modo intercambiabile nell'elettronica di consumo, negli utensili elettrici, nei droni, nei veicoli elettrici e nell'automazione industriale.

Diagramma di a Motore CC senza spazzole : Struttura Interna

Per comprendere lo schema di un motore CC senza spazzole è necessario identificare cinque elementi funzionali: lo statore, il rotore, i magneti permanenti, i sensori ad effetto Hall e il controller esterno. A differenza del diagramma di un motore con spazzole, che mostra le spazzole che premono contro un anello commutatore segmentato sull'albero rotante, un diagramma BLDC mostra tutta la complessità elettrica sul corpo esterno stazionario, con un semplice gruppo magnetico che ruota all'interno o all'esterno di esso.

Statore (avvolgimenti stazionari)

Lo statore è la struttura esterna fissa di un motore BLDC inrunner (o l'anello interno in un outrunner). È costituito da nuclei di acciaio al silicio laminato - stampati in una geometria a stella o a polo saliente - avvolti con bobine di rame disposte in tre fasi: Fase A, Fase B e Fase C. Queste tre fasi sono collegate in una configurazione a stella (Y), dove tutti e tre gli avvolgimenti condividono un punto neutro comune, o in una configurazione a delta (Δ), dove gli avvolgimenti si collegano da un'estremità all'altra in un triangolo. Il cablaggio a stella è più comune nei motori BLDC perché produce una coppia più elevata a bassi regimi e semplifica la progettazione del controller; Il cablaggio a triangolo è preferibile laddove la priorità è la massima potenza ad alta velocità.

Il numero di cave dello statore e dei poli del rotore definisce il carattere fondamentale del motore. Una configurazione a 12 slot e 14 poli (comune nei motori dei droni) produce una coppia uniforme con un basso cogging. Il design a 9 slot e 12 poli è popolare negli utensili elettrici per il suo equilibrio tra densità di coppia e semplicità di produzione. Il numero di slot e poli determina anche la frequenza del ciclo elettrico: un motore a 14 poli completa 7 cicli elettrici per giro meccanico, il che significa che il suo controller deve commutare la corrente 7 volte più velocemente per rotazione dell'albero rispetto a un motore a 2 poli allo stesso numero di giri.

Rotore (magneti permanenti)

In un motore BLDC inrunner, la configurazione standard negli utensili elettrici, nei dischi rigidi e nella maggior parte dei motori industriali, il rotore si trova all'interno del foro dello statore. È costituito da un albero in acciaio con magneti permanenti montati o incorporati nella sua superficie. I rotori magnetici a montaggio superficiale (SPM) sono più semplici da produrre e dominanti nei progetti a basso costo; I rotori a magneti permanenti interni (IPM) incorporano magneti all'interno delle laminazioni del rotore, consentendo una coppia di riluttanza più elevata e un migliore indebolimento del flusso per intervalli di velocità estesi. I motori di trazione dei veicoli elettrici utilizzano quasi universalmente i rotori IPM.

I motori BLDC Outrunner invertono questa geometria: il gruppo del magnete permanente ruota attorno all'esterno di uno statore fisso. Ciò fornisce agli outrunner un braccio di momento più grande per la generazione di coppia e li rende naturalmente adatti alle applicazioni a trasmissione diretta: le eliche dei droni e i motori dei mozzi delle biciclette elettriche montano il carico direttamente sul guscio esterno rotante, eliminando i cambi. Gli outrunner producono coppia più elevata a regimi inferiori rispetto agli inrunner equivalenti, mentre gli inrunner girano più velocemente e si adattano meglio alle applicazioni con ingranaggi ad alta velocità.

Sensori ad effetto Hall

La maggior parte dei motori BLDC include tre sensori a effetto Hall montati nello statore a intervalli di 120° (o 60° in alcune configurazioni). Ciascun sensore rileva il campo magnetico dei magneti del rotore che passano ed emette un segnale binario, alto o basso, a seconda che sia adiacente un polo nord o sud. I tre sensori insieme producono un codice di posizione a 3 bit (ad esempio, 101, 001, 011, 010, 110, 100) che attraversa sei stati univoci per ciclo elettrico, fornendo al controller una risoluzione di posizione sufficiente per determinare quale fase dello statore energizzare in qualsiasi momento. Questo è il cuore della logica di commutazione del motore brushless: Uscita sensore Hall → il controller decodifica la posizione del rotore → commuta la coppia di fasi corretta .

I motori BLDC senza sensori omettono completamente i sensori Hall e rilevano invece la posizione del rotore monitorando la back-EMF (forza elettromotrice) generata nell'avvolgimento di fase non energizzato mentre i magneti del rotore passano. I design senza sensori sono più semplici, più compatti e meno costosi (dominanti nei droni, nelle ventole di raffreddamento dei PC e negli elettrodomestici) ma richiedono che il rotore stia già girando prima che sia rilevabile la forza elettromagnetica posteriore. Questo è il motivo per cui i motori sensorless necessitano di una sequenza di avvio (commutazione forzata ad anello aperto) prima di passare al tracciamento back-EMF ad anello chiuso e perché possono esitare o non riuscire ad avviarsi in modo affidabile sotto carico pesante.

Come funzionano i motori brushless: la sequenza di commutazione

Il principio di funzionamento di un motore brushless è l'attrazione e la repulsione elettromagnetica tra gli elettromagneti commutabili dello statore e i magneti permanenti fissi del rotore. Il controller crea continuamente un campo magnetico rotante nello statore energizzando gli avvolgimenti in una sequenza specifica; i magneti permanenti del rotore inseguono questo campo rotante, convertendo la coppia magnetica in rotazione meccanica dell'albero.

In un motore BLDC trifase con commutazione trapezoidale (l'approccio standard per i motori dotati di sensore Hall) solo due delle tre fasi sono energizzate in qualsiasi momento. La sequenza di commutazione a sei fasi del controller funziona come segue:

1. Passaggio 1: Fase A positiva, Fase B negativa, Fase C spenta. Il campo magnetico risultante attira il magnete del rotore più vicino verso la coppia di poli dello statore AB.
2. Passaggio 2: Fase A positiva, Fase C negativa, Fase B spenta. Il campo ruota elettricamente di 60°; il rotore segue.
3. Passaggio 3: Fase B positiva, Fase C negativa, Fase A spenta. Il campo ruota di altri 60°.
4. Passaggio 4: Fase B positiva, Fase A negativa, Fase C disattivata. La rotazione continua.
5. Passaggio 5: Fase C positiva, Fase A negativa, Fase B spenta.
6. Passaggio 6: Fase C positiva, Fase B negativa, Fase A spenta. Un ciclo elettrico completo completato; la sequenza si ripete.

Ogni passo mantiene il campo energizzato leggermente davanti alla posizione attuale del rotore, come una carota perennemente davanti al rotore. Il rotore non raggiunge mai perché non appena si avvicina alla posizione attuale del campo, il controller avanza alla fase successiva. La velocità viene controllata variando la tensione applicata agli avvolgimenti , tipicamente tramite PWM (modulazione di larghezza di impulso) sugli interruttori high-side del ponte inverter trifase del controller. La coppia è controllata dall'entità della corrente di fase. La relazione tra queste due variabili – e la loro ottimizzazione in tempo reale – è ciò che separa un driver BLDC di base da un sofisticato sistema di controllo a orientamento di campo (FOC).

Controllo ad orientamento di campo vs commutazione trapezoidale

La commutazione trapezoidale cambia bruscamente tra i sei passaggi, producendo un'ondulazione di coppia - una variazione periodica della coppia di uscita - a sei volte la frequenza elettrica. A basse velocità questa ondulazione crea rumore e vibrazioni udibili; alle alte velocità diventa trascurabile. Il controllo ad orientamento di campo (FOC), chiamato anche commutazione sinusoidale o controllo vettoriale, applica correnti sinusoidali che variano continuamente a tutte e tre le fasi contemporaneamente, creando un campo magnetico rotante perfettamente uniforme. Il risultato è Ondulazione della coppia prossima allo zero, funzionamento più silenzioso ed efficienza superiore del 5-15%. ai carichi parziali. Il FOC richiede più potenza di calcolo (un microcontrollore DSP o ARM Cortex che funziona a decine di MHz) e un rilevamento preciso della corrente su tutte e tre le fasi, motivo per cui è standard negli utensili elettrici di alta qualità, nei veicoli elettrici e nei servoazionamenti industriali, ma meno comune nei prodotti di consumo sensibili ai costi.

Motore brushless e motore spazzolato: differenze di prestazioni che contano

Lo schema del motore elettrico brushless rispetto allo schema del motore con spazzole rivela il compromesso fondamentale: i motori con spazzole sono meccanicamente autocommutanti (elettronica di azionamento più semplice, costo di sistema inferiore) mentre i motori brushless trasferiscono la complessità al controller e ottengono in cambio sostanziali vantaggi in termini di prestazioni.

La formazione di archi nelle spazzole è particolarmente importante nelle applicazioni in cui l'EMI (interferenza elettromagnetica) rappresenta un problema: dispositivi medici, apparecchiature di misurazione di precisione e sistemi RF. Il commutatore di un motore a spazzole genera rumore elettrico a banda larga attraverso lo spettro di frequenza che può accoppiarsi ai circuiti sensibili vicini. I motori brushless, al contrario, producono rumore di commutazione solo alla frequenza PWM e alle sue armoniche, una fonte di interferenza gestibile e prevedibile che può essere filtrata con componenti di soppressione EMI standard.

Specifiche chiave sulla scheda tecnica di un motore CC senza spazzole

La scelta di un motore CC senza spazzole per un'applicazione richiede l'interpretazione di diverse specifiche interdipendenti che non compaiono sulle schede tecniche dei motori con spazzole. La comprensione di questi dati impedisce applicazioni errate, in particolare la sottostima dei requisiti del controller, che rappresenta l'errore di specifica più comune nella progettazione di sistemi con motori brushless.

• Valutazione KV (RPM/V) — La velocità a vuoto prodotta dal motore per volt di CC applicata, senza necessità di conversione delle unità. Un motore da 1000 KV a 12 V gira a circa 12.000 giri/min senza carico. KV più alto = coppia più veloce e più bassa; KV più basso = coppia più lenta e più alta. I motori di propulsione dei droni variano tipicamente da 300 KV (eliche grandi e lente) a 2.500 KV (eliche piccole e veloci).
• Corrente continua e di picco (A) — La corrente continua è il carico sostenuto che il motore può gestire senza surriscaldarsi; la corrente di picco è il massimo momentaneo durante l'accelerazione o lo stallo. La corrente nominale del controller deve superare la corrente di picco del motore — il sottodimensionamento dell'ESC provoca il guasto del FET durante le forti accelerazioni.
• Resistenza di fase (mΩ) — Resistenza dell'avvolgimento tra due terminali di fase qualsiasi. Una resistenza inferiore significa una minore perdita di rame (riscaldamento I²R) a una determinata corrente, ma significa anche una corrente di stallo più elevata che può danneggiare il controller se non limitata dalla corrente.
• Costante di coppia (Nm/A) — Coppia di uscita prodotta per ampere di corrente di fase, direttamente correlata a KV dalla relazione inversa Kt = 60/(2π × KV). Questa cifra determina la quantità di corrente richiesta dall'applicazione alla richiesta di coppia massima.
• Numero di poli — Richiesto dal controllore per calcolare la corretta frequenza di commutazione. Un motore a 14 poli a 3.000 giri al minuto richiede che il controller esegua 7 × 3.000/60 = 350 cicli elettrici al secondo — 2.100 eventi di commutazione al secondo come minimo nella commutazione trapezoidale.
• Sensored vs sensorless — Se il motore include sensori a effetto Hall. I motori con sensore richiedono un controller con ingressi per sensori Hall; i motori sensorless necessitano di un controller con rilevamento back-EMF. La loro combinazione, ovvero il funzionamento di un motore dotato di sensore su un controller sensorless, provoca un avviamento inaffidabile e una potenziale smagnetizzazione.

Dove vengono utilizzati i motori brushless: applicazioni per settore

Negli ultimi due decenni i motori brushless hanno sostituito i design con spazzole praticamente in tutte le applicazioni critiche per le prestazioni, spinti dalla diminuzione dei costi dei controller e dalla richiesta di intervalli di manutenzione più lunghi e di una maggiore densità di potenza.

Elettronica di consumo ed elettrodomestici

I motori con mandrino per unità disco rigido sono stati tra le prime applicazioni brushless del mercato di massa: il controllo preciso della velocità e i requisiti di lunga durata dei mandrini degli HDD hanno reso i motori con spazzole poco pratici fin dall'inizio. Oggi, le ventole di raffreddamento dei PC, i mototamburi delle lavatrici, gli aspirapolvere robotici e gli utensili elettrici senza fili utilizzano tutti i motori BLDC come standard. Un trapano a batteria premium con motore brushless offre 25–50% di autonomia in più per carica rispetto a un equivalente con spazzole della stessa tensione, perché la maggiore efficienza converte più energia della batteria in lavoro utile anziché in calore.

Droni e applicazioni RC

I droni multirotore dipendono interamente da motori BLDC outrunner – tipicamente trifase, sensorless, a trasmissione diretta – per la generazione di spinta. La combinazione di elevato rapporto peso/potenza, controllo elettronico preciso della velocità e assenza di spazzole che richiedono manutenzione rendono BLDC l’unica tecnologia di propulsione praticabile per gli UAV commerciali e di consumo. Un tipico motore per droni da corsa FPV da 5 pollici (dimensione del telaio 2306, 2400 KV) pesa meno di 35 ge produce oltre 1 kg di spinta alla corrente di picco: una densità di potenza a cui i motori a spazzole non possono avvicinarsi.

Veicoli elettrici

I motori di trazione per veicoli elettrici sono prevalentemente BLDC (o PMSM) a magnete permanente interno, controllati da inverter FOC alimentati dal pacco batterie ad alta tensione. Il motore posteriore di Tesla nella Model 3 è un design a riluttanza commutata, ma il motore anteriore è un PMSM, scelto per la sua efficienza nell'intera gamma di velocità della guida in autostrada. La BMW i3 e la maggior parte dei modelli Hyundai/Kia EV utilizzano motori IPM BLDC. Le potenze di picco vanno da 150 kW nei veicoli elettrici compatti a oltre 500 kW nelle applicazioni ad alte prestazioni, tutte gestite da inverter trifase di livello automobilistico con precisione di commutazione a livello di microsecondi.

Automazione Industriale e Robotica

I servomotori nelle macchine utensili CNC, nei bracci robotici e nei sistemi di trasporto sono quasi esclusivamente brushless: la combinazione di controllo FOC, encoder ad alta risoluzione e feedback ad anello chiuso offre una precisione di posizionamento entro i micron e una regolazione della velocità entro lo 0,01% in caso di variazioni di carico. In ambienti con gas esplosivi o polveri sottili (lavorazione del grano, impianti chimici, miniere), i motori brushless con alloggiamenti sigillati eliminano il rischio di accensione di archi elettrici, qualificandoli per le certificazioni ATEX e IECEx per aree pericolose che i motori con spazzole non possono soddisfare.