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MOTORI BRUSHLESS

[ 04/11/2012 ]

E’ stato introdotto negli anni 80’ con lo sviluppo dell’elettronica di potenza. Il nome brushless significa ‘senza spazzole’, e sta ad indicare il fatto che questo tipo di macchina non presenta il collettore e le spazzole che sono invece tipiche del motore in corrente continua. In questo modo vengono eliminati i difetti principali di questo ultimo:
a) A causa del contatto strisciante tra spazzole e collettore è richiesta una manutenzione periodica (sostituzione delle spazzole e delle lamelle del collettore) e non è possibile impiegare tale macchina in ambienti esplosivi.
b) Il rotore ha un elevata massa e quindi la dinamica meccanica è lenta.


Il motore brushless DC è costituito da un rotore su cui alloggiano dei magneti permanenti (è il circuito induttore) e da uno statore su cui sono disposte, ad esempio, tre fasi (è il circuito di indotto).
Se si alimentano le tre fasi di statore con tre correnti alternate di frequenza f, opportunamente sfasate, si avrà in ogni avvolgimento un campo magnetico alternativo. La risultante dei tre campi sarà un campo magnetico costante in modulo e ruotante. Per effetto di tale coppia il rotore tenderà a ruotare con una certa velocità angolare in modo da raggiungere l’allineamento tra i due campi (statore e rotore). La coppia è massima quando i due campi magnetici sono ortogonali fra loro e nulla quando questi sono allineati.
Quindi per mantenere il rotore in rotazione è necessario che il campo magnetico di statore sia sempre sfasato (la condizione ottima è che siano ortogonali) rispetto a quello di rotore.


Per mantenere lo sfasamento mentre la macchina ruota, occorrerà commutare la corrente negli avvolgimenti di statore, in modo dipendente dalla posizione del rotore: quindi a monte ci dovrà essere un inverter, comandato da un segnale che rileva la posizione rotorica (ad esempio un encoder).
L’inverter è un convertitore statico che trasforma una tensione continua in tre tensioni alternate di cui è possibile regolare la frequenza e l’ampiezza.
In questo caso l’inverter ha la stessa funzione che aveva il sistema spazzole-collettore nel motore in continua: da ciò nasce il nome di motore in continua senza spazzole.
In un certo senso è una macchina sincrona, perché i campi di rotore e di statore sono sempre mantenuti sincroni e sfasati tra loro per creare la coppia motrice.


Vantaggi nell’uso del motore brushless:
• Il campo di rotore si deve ad un magnete permanente, quindi nel rotore non ci saranno perdite apprezzabili. Le uniche perdite saranno nello statore.
• Si evita il sistema spazzole-collettore con notevoli vantaggi. Infatti nel motore in continua il problema di ottenere alte coppie in velocità (es: robot che solleva o sposta un pezzo) è male affrontato, perché lo scorrimento delle spazzole sulle lamelle del collettore porta, per fenomeni induttivi, al mantenimento di archi elettrici che saranno sempre più intensi quanto più elevata è la corrente (alte coppie) e quanto più cresce la velocità.


Spesso un robot industriale deve compiere un ciclo di lavoro ripetitivo: ad esempio lo spostamento di un pezzo da un banco di lavoro a un altro (pick and place). In tal caso il motore compie sempre lo stesso numero di giri a carico, abbandona il pezzo trasportato, si riposiziona e riprende un nuovo pezzo. Ci sarà perciò uno scintillio dovuto a una sovracorrente per ogni presa di carico e sempre sulla stessa lamella: quindi un’usura più rapida del collettore rispetto al caso di un ciclo di lavoro non ripetitivo. E’ il motivo che ha portato a una delle prime applicazioni industriali del motore brushless nelle macchine transfert sulle linee di produzione della FIAT UNO.
L’assenza di spazzole è quindi vantaggiosa non solo per problemi di manutenzione e di usura, ma anche perché elimina un sistema pesante, ingombrante e costoso. Il motore brushless ha rotori molto leggeri (a volte cavi) e i magneti (in Samario-Cobalto o in Neodimio-Ferro-Boro) sono incollati solo su di uno strato sottile superficiale. Ciò riduce di molto il peso ed anche il momento di inerzia del motore.


Svantaggi nell’uso del motore brushless:
• Necessità dell’inverter: al costo del motore va aggiunto quello di inverter, sensori e sistema di controllo.
• Presenza di magneti permanenti del tipo a terre rare, con elevati costi.







Il motore brushless AC è invece un'evoluzione di quello DC. Lo statore viene alimentato da una terna di correnti sinusoidali sfasate tra loro di 120°; Il brushless AC per funzionare necessita quindi di almeno due trasduttori di corrente per la lettura delle I assorbite, di un trasduttore di posizione rotorica e di un sistema di calcolo molto veloce, come per esempio un DSP (Digital Signal Processor), per comandare l’alimentazione. Ovviamente avendo la necessità di variare a piacere la terna di tensioni trifase che pilotano il motore, è necessario integrare nel sistema anche un inverter.
Il brushless AC ha prestazioni migliori rispetto a quello DC, per contro richiede un azionamento più complesso e costoso.










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