Motore brushless

Un motore da un lettore per floppy disk da 3½ pollici. Le bobine, disposte radialmente, sono costituite da un filo di rame rivestito di isolante blu, mentre il rotore bilanciato (in alto a destra) è stato rimosso e capovolto. L'anello grigio all'interno del rotore è un magnete permanente.

Il motore brushless ("senza spazzole") è un motore elettrico a corrente continua (BLDCM, Brushless Direct Current Motor) avente il rotore a magneti permanenti. A differenza di un motore a spazzole non ha quindi bisogno di contatti elettrici striscianti (spazzole) sull'albero del rotore per funzionare.

La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti dello statore, e quindi la variazione dell'orientamento del campo magnetico da essi generato, avviene elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica.

Un motore molto simile è il motore passo-passo, che si differenzia dal motore brushless per il fatto che gli avvolgimenti dello statore non sono alimentati tutti contemporaneamente, ma in modo ciclico cosicché i campi magnetici da essi generati determinino una rotazione del rotore ottenendo un preciso posizionamento dello stesso.
Un altro motore simile, per costruzione ma non per funzionamento è il motore sincrono, che appunto è alimentato da corrente alternata e deve essere trascinato alla velocità di sincrono o accelerato tramite inverter.

Descrizione

Curve caratteristiche di un motore brushless di potenza molto contenuta

In un motore a spazzole, il contatto meccanico delle spazzole con il collettore rotante sull'asse del rotore chiude il circuito elettrico tra l'alimentazione e gli avvolgimenti sul rotore invertendo periodicamente il verso di circolazione della corrente nelle spire degli avvolgimenti rotorici, realizzando così l'inversione delle forze elettrodinamiche che agiscono sulle spire stesse.

In un motore brushless il rotore è privo di avvolgimento ed è invece dotato di magneti permanenti, che possono essere disposti in vario modo, come la disposizione a superficie magnetizzata o con magneti radiali, ma esistono un'infinità di configurazioni intermedie, mentre il campo magnetico generato dagli avvolgimenti sullo statore è variabile. Poiché il motore funziona in corrente continua, per realizzare la rotazione del campo magnetico generato nello statore, un circuito elettronico, composto da un banco di transistor di potenza comandati da un microcontrollore che controlla la commutazione della corrente, comanda l'inversione di corrente e quindi la rotazione del campo magnetico. Dato che il controllore deve conoscere la posizione del rotore rispetto allo statore per poter determinare l'orientamento da dare al campo magnetico, esso viene solitamente collegato a un sensore a effetto Hall, come il Pick-up o a un più preciso resolver ad albero cavo.

Il rendimento di queste macchine è mediamente maggiore rispetto ai motori a corrente continua o asincroni e il rendimento può arrivare a 0,98.

Applicazioni

Curve caratteristiche di un motore brushless in mozzo ruota, come si può notare le caratteristiche sono differenti a seconda del tipo di lavoro, se prolungato e costante nel tempo o del tipo impulsivo

Esistono applicazioni navali di tali motori con tecnologie a superconduzione che hanno potenze dell'ordine di MW. Ultimamente sono molto utilizzati in campo industriale e impiegati nelle macchine automatiche che necessitano di movimenti precisi e veloci con ingombri decisamente contenuti e grande versatilità, offerta anche da apparecchiature di controllo programmabili molto sofisticate che danno un completo controllo e diagnostica del motore.

Questo tipo di motore viene utilizzato nella Formula E.

Recentemente, grazie alla spinta commerciale legata alla richiesta di prodotti ad elevata efficienza energetica nel settore civile, sono stati introdotti sul mercato del condizionamento e della refrigerazione, dove possono ottenere elevati benefici in termini di consumi a favore dei grandi utilizzatori (ad esempio: la grande distribuzione organizzata che li può installare sui ventilatori che operano sugli scambiatori dei banchi frigo; gli uffici di ampie dimensioni, che li possono montare nei fan coil utilizzati nei sistemi di condizionamento distribuito).

Con la diminuzione dei costi dei sistemi di controllo elettronici, prodotta da economie di scala, è divenuta di rilievo la maggiore convenienza e conseguente estensione di utilizzo dei motori brushless anche per l'azionamento di bicicli, motocicli, e autoveicoli a trazione elettrica.

Vantaggi

Il primo notevole vantaggio riguarda la vita attesa del motore, dato che le spazzole sono il "punto debole" di un motore elettrico. L'assenza di spazzole elimina anche la principale fonte di rumore elettromagnetico presente nei motori elettrici in corrente continua.

L'ingombro è limitato rispetto alla potenza e soprattutto rispetto alla coppia che questi motori riescono ad erogare. In termini di efficienza, i motori brushless lavorano sempre in condizioni di rendimento ottimali. Non dovendo generare il campo magnetico rotorico hanno efficienze maggiori. L'assenza di scintille è fondamentale quando il motore opera in ambienti saturi di composti organici volatili come i carburanti.

In questo tipo di motori i magneti permanenti sono posizionati sul rotore e sono realizzati con speciali materiali che permettono di avere un'inerzia rotorica molto bassa, cosa che permette di avere un controllo estremamente preciso sia in velocità sia in accelerazione.

Svantaggi

Il principale svantaggio di questo tipo di motori sta nel maggiore costo. A differenza dei motori a spazzole, infatti, il controllo viene effettuato elettronicamente da un controller, un dispositivo elettronico fornito dal costruttore del motore o da terze parti. Al costo del motore va pertanto aggiunto il costo del sistema di controllo. La velocità dei motori a spazzole può essere regolata in modo molto economico seppur con bassa efficienza tramite un potenziometro o un reostato. La resistenza variabile di questi dispositivi, infatti, consente di regolare l'intensità di corrente assorbita dai motori. Mentre questa tipologia di controllo può essere utilizzata per più motori a spazzole collegati in parallelo, ogni motore brushless deve essere controllato singolarmente da un suo controller.

Un altro svantaggio è dato dalla natura variabile del campo magnetico dei DC brushless, la quale rende la coppia incostante e va a ridurre la reattività del motore.

Variante con rotore avvolto

Il motore in corrente continua brushless utilizza un rotore a magneti permanenti. Siccome i materiali utilizzati per la realizzazione dei magneti non sono facilmente reperibili, come ad esempio il neodimio, esistono delle versioni di motori brushless realizzate con rotore avvolto. Mentre i magneti permanenti generano un campo magnetico senza necessità di essere alimentati, gli avvolgimenti di rotore devono essere percorsi da corrente per poter generare il campo magnetico di rotore.

Alcuni motori utilizzano l'induzione elettromagnetica per fornire corrente agli avvolgimenti eliminando pertanto la necessità delle spazzole. Alcuni costruttori usano un sistema formato da una bobina di statore percorsa da una corrente alternata che induce una corrente su un disco calettato all'albero motore il quale opera anche da rettificatore. La corrente DC così generata viene fornita agli avvolgimenti di rotore.

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Collegamenti esterni

• Nozioni di base Motori e motoriduttori Brushless (PDF), su industrialelettrica.com.
• “Strategie di controllo del motore brushless” Archiviato il 23 aprile 2016 in Internet Archive.