Che cos'è un motore brushless? Guida completa alla tecnologia BLDC

Prefazione

Negli ultimi anni il dibattito sui motori elettrici è stato dominato dai motori brushless. Questo perché offrono prestazioni, affidabilità ed efficienza migliori rispetto ai motori a spazzole. I motori DC brushless o ECM (electrically commutated motor) sono tipi di motori che funzionano con correnti continue. Hanno cambiato l'industria automobilistica, l'industria robotica, l'elettronica e i sistemi di raffreddamento. La necessità di avere una spazzola e un commutatore rotante che stabilisce il contatto elettrico è eliminata, il che consente ai motori brushless di ridurre l'usura meccanica e di aumentare l'efficienza e la durata.

In questo articolo analizzeremo in dettaglio la definizione di motore brushless, la sua struttura, il suo funzionamento e l'ambito di utilizzo in vari settori.

Secondo uno studio di Grand View Research Markets, nel 2020 il valore del mercato globale dei motori DC brushless ha raggiunto gli 8,7 miliardi di dollari e si prevede che la sua dimensione si espanderà a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) di 7,5% per il periodo dal 2021 al 2028. Questa tendenza è attribuita alla crescente integrazione dei motori elettrici in diversi spazi. Un'altra ragione di questa tendenza è la rotazione del rotore, che rende i motori BLDC più controllabili.

Che cos'è un motore brushless?

Un motore brushless è un tipo di motore che impiega bobine elettromagnetiche nello statore e un magnete permanente nel rotore per produrre velocità di rotazione e, di conseguenza, movimento rotatorio. A differenza dei tradizionali motori a spazzole, un motore brushless non contiene spazzole o spazzole fisiche o un commutatore. Utilizza invece una commutazione elettronica, ma è sempre guidato da un regolatore di velocità elettronico o ESC.

I motori brushless offrono diversi vantaggi, poiché sono privi di spazzole. Tra questi, la bassa usura, l'elevata efficacia e la minore manutenzione. Inoltre, grazie al loro sistema di controllo avanzato, i motori brushless tendono a raggiungere velocità più elevate e a generare una coppia maggiore rispetto ai loro omologhi a spazzole della stessa taglia.

Perché i motori brushless stanno guadagnando popolarità rispetto ai motori spazzolati?

In molti settori industriali si è assistito a una diffusione dei motori brushless, grazie ai loro vantaggi rispetto ad altri motori. Tuttavia, questo aumento di popolarità può essere attribuito ad alcuni fattori chiave, tra cui.

Alta efficienza: Un motore brushless è noto per la sua maggiore efficienza energetica, in quanto non presenta l'attrito e le perdite di energia meccanica dovute alle spazzole e ai commutatori che caratterizzano molti altri dispositivi. Ciò si traduce in un migliore risparmio energetico e in una maggiore durata della batteria nelle applicazioni portatili.

Manutenzione ridotta: L'assenza di spazzole nei motori brushless elimina la necessità di una manutenzione regolare, come l'usura delle spazzole. Pertanto, i costi di manutenzione sono inferiori e l'affidabilità è maggiore.

Controllo preciso: I motori brushless forniscono velocità di rotazione e coppia accurate con l'aiuto della commutazione elettronica e di algoritmi di controllo avanzati. Per questo motivo, possono essere utilizzati in applicazioni che richiedono un'elevata accuratezza e precisione del movimento e, allo stesso tempo, fluidità di funzionamento.

Dimensioni compatte: I motori brushless sono in grado di avere una maggiore densità di potenza rispetto ai motori a spazzole, consentendo così di ridurre le dimensioni del motore brushless. Ciò è particolarmente vantaggioso nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato, come i droni e i gadget portatili.

Attributo	Motori brushless	Motori a spazzole
Efficienza	Alta efficienza grazie all'assenza di attrito delle spazzole, che consente un migliore utilizzo dell'energia.	Efficienza ridotta a causa dell'energia persa per l'attrito delle spazzole e la commutazione.
Manutenzione	Richiede poca manutenzione perché non ci sono spazzole da sostituire.	Maggiore manutenzione a causa dell'usura delle spazzole e della necessità di sostituirle.
Controllo di precisione	Controllo preciso grazie alla commutazione elettronica e agli algoritmi di controllo avanzati.	Controllo meno preciso, limitato dalle spazzole fisiche e dal commutatore.
Dimensioni e densità di potenza	La compattezza e l'elevata densità di potenza consentono di realizzare motori più piccoli e più potenti.	Generalmente più grandi e meno potenti a parità di dimensioni, a causa di limiti meccanici.
Durata	Maggiore durata di vita grazie alla riduzione dell'usura meccanica.	Durata di vita più breve a causa dell'usura delle spazzole e dei commutatori.
Rumore e EMI	Basso rumore e interferenze elettromagnetiche, adatto per applicazioni sensibili.	Rumore più elevato e potenziale interferenza elettromagnetica.

Come funzionano i motori brushless

I motori brushless funzionano secondo un principio noto come induzione elettromagnetica. Lo statore di un motore brushless è costituito da diverse bobine elettromagnetiche, mentre il rotore è dotato di magneti permanenti incorporati. Il flusso di corrente elettrica nelle bobine dello statore determina la formazione di un campo magnetico che agisce con i magneti permanenti del rotore, provocandone la rotazione e convertendo l'energia elettrica in energia meccanica.

Il ruolo dei magneti e dei campi elettromagnetici

Il rotore di un motore brushless è dotato di magneti permanenti. Questi magneti, composti da materiali a base di terre rare, tra cui il neodimio o il samario cobalto, sono posizionati in un certo modo per formare poli nord e sud alternati, fondamentali per la generazione del moto rotatorio.

Le bobine costituiscono una parte dello statore e vengono alimentate con corrente in un ordine specifico tale da formare un campo magnetico rotante. Questo campo agisce sul rotore, dotato di magneti permanenti, e produce una coppia che tende a far ruotare il rotore.

Variando l'ordine in cui la corrente viene fornita alle bobine dello statore, è possibile regolare la velocità e la direzione del rotore.

Spiegazione del controllo elettronico della velocità (ESC)

I motori brushless utilizzano regolatori elettronici di velocità, noti come ESC, per il processo di commutazione. Questi ESC sono responsabili della conversione dei comandi di ingresso forniti dall'utente o da un sistema di controllo nella corretta tempistica degli impulsi di corrente da inviare alle bobine dello statore.

Un regolatore di velocità elettrico (ESC) controlla il flusso di corrente attraverso una combinazione di modulazione dell'ampiezza degli impulsi (PWM) e controllo orientato al campo (FOC) per regolare il numero di giri al minuto (RPM) e la coppia del motore. Questo sistema si basa anche su elementi di retroazione come sensori a effetto Hall o back-EMF, in quanto la tempistica di commutazione viene regolata in base alla posizione del rotore. Questo livello di controllo del motore è anche uno dei motivi principali per cui i motori brushless sono stati ampiamente utilizzati in vari settori.

Applicazioni dei motori brushless in vari settori

I motori brushless hanno trovato impiego in diversi settori grazie alla loro efficacia, affidabilità e prestazioni superiori. Alcuni dei principali settori e applicazioni che hanno richiesto l'uso di motori brushless su larga scala sono:

Innovazioni automobilistiche con i motori brushless

Nel mondo automobilistico, i motori brushless hanno trovato posto in diverse applicazioni, tra cui il servosterzo elettrico, le pompe del carburante e i sistemi di raffreddamento del motore. Questi motori brushless sono in grado di fornire un'elevata densità di coppia, un controllo accurato e una maggiore efficienza dei consumi rispetto agli altri sistemi idraulici o meccanici utilizzati in passato.

Allo stesso modo, i motori brushless sono diventati e stanno diventando sempre più centrali nella realizzazione di veicoli elettrici e ibridi. Il loro impiego è in costante aumento, in quanto i motori brushless sono adatti per i motori di trazione, i sistemi di frenata rigenerativa e i sistemi di raffreddamento delle batterie, al fine di migliorare l'efficienza e le prestazioni di tali veicoli.

Impatto sull'elettronica di consumo e sulla robotica

L'industria dell'elettronica di consumo ha tratto grandi vantaggi dai motori brushless, che hanno reso possibile la realizzazione di gadget ad alte prestazioni di dimensioni ridotte, come droni, smartphone e dispositivi indossabili. L'uso dei motori brushless in queste macchine è vantaggioso grazie all'elevata densità di potenza e al controllo preciso di cui sono dotati. Queste qualità li rendono adatti alle applicazioni in cui la macchina deve avere un funzionamento regolare e una lunga durata della batteria.

La robotica è un campo che prevede, tra i vari meccanismi, l'incorporazione di servi in motori specializzati. Si tratta di motori brushless che trovano applicazione nei robot industriali, nei robot collaborativi (cobot) e nei robot di servizio. Forniscono la precisione, la coppia e la velocità necessarie, essenziali per le attività di pick-and-place, la saldatura e la movimentazione dei materiali.

Motori brushless nei veicoli elettrici

La comparsa dei motori brushless nei veicoli elettrici (EV) ha trasformato il settore automobilistico. Si tratta di una potenza motrice che viene soddisfatta principalmente dai motori brushless, con particolare attenzione ai motori BLDC. Per questo motivo, i motori brushless presentano notevoli vantaggi per queste applicazioni.

Per cominciare, il motore BLDC possiede un'elevata densità di potenza che gli consente di fornire una maggiore potenza per volume rispetto ai motori a spazzole, ottenendo così progetti di motori compatti e leggeri, riducendo al minimo la massa complessiva del veicolo e migliorando così l'efficienza energetica del veicolo nel suo complesso.

Inoltre, i motori BLDC hanno un'efficienza elevata, compresa tra 85% e 95%. Questo aspetto è fondamentale, soprattutto per i veicoli elettrici, in quanto un'elevata efficienza si traduce in un aumento dell'autonomia di guida e in una riduzione del consumo energetico.

Infine, il controllo dei motori BLDC consente un controllo eccezionale delle caratteristiche di velocità e coppia, rendendo fluide e reattive le accelerazioni, le frenate rigenerative e la gestione efficace dell'energia nei veicoli elettrici. Ciò comporta anche un miglioramento della maneggevolezza e della stabilità del veicolo.

Motori brushless per ventole di raffreddamento

Nei sistemi di raffreddamento, il riscaldamento dei dispositivi e dei sistemi viene evitato per mezzo di ventole di raffreddamento, mantenendo il funzionamento efficiente dei dispositivi. L'uso di motori brushless, e in particolare di motori per ventilatori BLDC, si sta diffondendo nelle applicazioni di raffreddamento grazie alla loro efficienza rispetto ai ventilatori più convenzionali.

Ruolo dei cuscinetti nel sistema di raffreddamento

Ventilatori di raffreddamento BLDC vs. tradizionali

I motori CC spazzolati o i motori a induzione CA sono utilizzati di serie come motori per ventole di raffreddamento in quasi tutti i progetti. In passato questi motori erano molto diffusi per la loro affidabilità, ma oggi presentano un paio di svantaggi rispetto ai motori per ventole BLDC.

I ventilatori tradizionali a corrente continua che utilizzano motori a spazzole a corrente continua sono associati a guasti precoci perché questi motori includono spazzole e commutatori che inducono un'usura meccanica. Pertanto, questi motori hanno una durata di vita relativamente breve, sono più soggetti a manutenzione e a guasti.

Inoltre, i motori a spazzole introducono anche disturbi elettrici e interferenze elettromagnetiche nel funzionamento dei circuiti elettronici e dei componenti azionati, che possono ostacolare il funzionamento di sistemi delicati.

I motori dei ventilatori BLDC presentano invece una serie di vantaggi rispetto ai ventilatori tradizionali:

Migliori prestazioni: Non essendoci perdite di spazzole e commutatori, l'efficienza dei motori BLDC è maggiore. Di conseguenza, consentono di consumare meno energia e di migliorare l'efficienza di raffreddamento.

Durata di vita prolungata: L'assenza di componenti spazzolati nei motori per ventilatori BLDC elimina l'usura meccanica delle controparti spazzolate. Ciò si traduce in una maggiore durata di vita e in una minore necessità di manutenzione.

Bassa rumorosità e EMI: l'emissione di rumore elettrico e di EMI dei motori ventilatori BLDC è minima, pertanto possono essere utilizzati in applicazioni elettroniche sensibili.

Controllo preciso della velocità: L'utilizzo di un segnale PWM per controllare un motore di ventilatore BLDC è piuttosto semplice e consente di regolare con precisione la velocità per soddisfare le esigenze di una particolare attività di raffreddamento.

Applicazioni dei ventilatori di raffreddamento BLDC

Le ventole di raffreddamento BLDC sono ampiamente utilizzate in diversi settori e prodotti, come ad esempio:

Elettronica di consumo: Le ventole di raffreddamento BLDC trovano applicazione nei computer portatili, nei computer desktop e nelle console di gioco o in qualsiasi altro dispositivo elettronico che richieda un'accurata gestione termica per funzionare correttamente.

Automobile: I sistemi di raffreddamento delle batterie, i sistemi di climatizzazione dei veicoli e il raffreddamento dell'elettronica di potenza sono alcune applicazioni delle ventole di raffreddamento BLDC nel settore automobilistico.

Attrezzature industriali: Tali ventilatori vengono applicati anche a macchine CNC, pannelli di controllo industriali, alimentatori e altre apparecchiature industriali per dissipare il calore e prevenire la distruzione delle apparecchiature.

Dispositivi medici: Anche strumenti medici come ventilatori, monitor paziente e sistemi di imaging utilizzano ventole di raffreddamento BLDC per sostenere operazioni affidabili e la sicurezza dei pazienti.

Selezione degli standard per i ventilatori di raffreddamento BLDC

Esistono numerosi standard e specifiche da tenere presenti nella scelta di un ventilatore applicativo come una ventola di raffreddamento BLDC, per consentire la compatibilità dei componenti e migliorare le prestazioni e l'affidabilità del sistema. Alcuni dei principali standard e specifiche da considerare sono:

Dimensioni e configurazione: Le dimensioni e le varietà costruttive disponibili per questi ventilatori di raffreddamento BLDC comprendono soffiatori, ventilatori centrifughi e ventilatori assiali. A seconda del fabbisogno termico e delle specifiche di spazio, le dimensioni e il tipo di montaggio devono essere adeguati.

Potenza nominale: Sono disponibili ventole con potenze diverse. Ad esempio, una ventola di raffreddamento BLDC può essere disponibile a 12V, 24V o addirittura 48V. Tali ventole devono essere scelte in base alle specifiche dell'alimentazione necessaria al sistema.

Efficienza: le prestazioni di raffreddamento di questa ventola dipendono in larga misura dalla velocità e dal flusso d'aria che possiede. È quindi necessario scegliere una ventola con la giusta velocità, misurata in RPM, e un flusso d'aria nominale in CFM o m³/h, in base alla capacità di dissipazione del calore del sistema.

Suono: Per facilitare i riferimenti e le specifiche, le prestazioni di un ventilatore di raffreddamento BLDC possono essere quantificate in termini di quanti decibel (dB) di rumore genera. La classificazione acustica del ventilatore deve essere presa in considerazione soprattutto nei casi in cui è necessario mantenere una bassa rumorosità, ad esempio nelle applicazioni mediche o negli uffici.

Aspetti ambientali: un ventilatore di raffreddamento BLDC può essere influenzato da diverse caratteristiche ambientali, quali temperatura, umidità, polvere e vibrazioni. È opportuno scegliere un ventilatore che sia in grado di resistere alle condizioni ambientali specifiche di un'applicazione.

Tenendo conto di questi standard e specifiche, ingegneri e progettisti sono in grado di scegliere il miglior tipo di ventilatore di raffreddamento BLDC per la loro particolare applicazione e quindi di ottenere buone prestazioni, affidabilità e compatibilità con l'intero sistema.

Conclusione

Il motore brushless, detto anche motore brushless a corrente continua (BLDC) o motore a commutazione elettronica, è diventato utile in diversi settori industriali perché è più avanzato, più efficiente e più affidabile dei motori a spazzole. L'assenza di spazzole e l'uso della commutazione elettronica nei motori brushless offre diversi vantaggi, tra cui una minore usura meccanica, una maggiore efficienza, un controllo di precisione e dimensioni ridotte. Ciò significa che i motori BLDC non hanno praticamente alcun contatto con l'alimentazione e quindi la manutenzione è minima.

I motori brushless sono utilizzati in diversi settori, tra cui l'industria automobilistica, la robotica, gli apparecchi elettronici e i sistemi di raffreddamento. Sono fondamentali nei moderni progetti di veicoli elettrici che richiedono motori di trazione compatti ed efficienti e sistemi di raffreddamento della batteria. Nelle nuove ventole di raffreddamento, i motori BLDC sono più efficienti delle ventole tradizionali e quindi più facili da integrare in vari dispositivi e sistemi elettronici.

Con la continua evoluzione tecnologica, si prevede che verranno sviluppate ancora più applicazioni per i compressori, i motori BLDC e i ventilatori brushless DC, che guideranno ulteriori innovazioni in diversi settori. L'uso della tecnologia dei motori brushless porterà alla creazione di sistemi altamente affidabili, efficienti e performanti, favorendo il progresso nei settori della mobilità elettrica, dell'automazione e delle soluzioni di raffreddamento.

Domande frequenti:

Come scegliere il motore brushless della dimensione giusta per il progetto?

La valutazione di diversi criteri comporta la scelta di un motore brushless con i giusti limiti fisici per il progetto:

Requisiti di coppia: Identificare la coppia necessaria per l'azionamento dell'applicazione. In base ai requisiti di carico, accelerazione e velocità, determinare la coppia necessaria per tale sistema.

Gamma di velocità: Valutare l'intervallo di velocità entro il quale il motore deve funzionare. I motori brushless consentono di raggiungere velocità elevate, ma la progettazione del motore e i requisiti di una particolare applicazione determineranno l'intervallo specifico.

Potenza richiesta: Utilizzare la velocità e la coppia richieste nel calcolo della potenza in uscita per l'applicazione. Procurarsi un motore brushless con una potenza almeno pari a quella calcolata in precedenza.

Tensione e corrente nominale: Utilizzare un motore brushless la cui tensione e corrente nominali siano compatibili con l'alimentatore utilizzato. Tenere conto della tensione e della corrente massima assorbita dal motore sotto carico.

Considerazioni sullo spazio e sul peso: Individuare lo spazio disponibile e il peso massimo tollerabile nell'applicazione. Selezionare un motore brushless con dimensioni e peso tali da rientrare comodamente nei limiti imposti dal progetto.

Condizioni ambientali: Valutare le condizioni di lavoro del motore, comprese temperatura, umidità e vibrazioni. Utilizzare un motore brushless con caratteristiche ambientali e di protezione adeguate.

Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di un motore brushless rispetto ai motori tradizionali?

Rispetto ai tradizionali motori a spazzole, i motori brushless presentano i seguenti vantaggi:

Le perdite possono essere ridotte al minimo: I motori brushless sono privi di spazzole e di perdite nel commutatore e presentano quindi un'efficienza più elevata. È possibile raggiungere livelli di efficienza fino a 95%, rendendo così il motore brushless efficiente dal punto di vista energetico e le applicazioni portatili richiedono un minore utilizzo della batteria.

La durata della vita si allunga: Un motore brushless è privo di spazzole, il che significa che i suoi motori non si appoggiano sui muscoli, aumentando la durata dei motori e riducendo la manutenzione complessiva.

Alta precisione: I motori brushless hanno un'elevata efficienza inerziale e precisione di coppia grazie all'integrazione con varie tecniche di controllo avanzate, come la modulazione di larghezza di impulso o il controllo a orientamento di campo. Ciò garantisce un funzionamento regolare, un posizionamento accurato e prestazioni di alto livello in una vasta gamma di applicazioni.

Velocità e coppia elevate: I motori brushless generano una coppia maggiore e consentono una velocità superiore rispetto ai motori a spazzole di pari dimensioni, poiché i motori a spazzole sono meccanicamente limitati. Ma con i motori brushless che superano i loro limiti grazie al design con diamante, la spazzolatura non è più un problema.

Rumore e EMI ridotti: I motori brushless funzionano con rumori elettrici e interferenze elettromagnetiche (EMI) quasi silenziosi rispetto ai motori a spazzole. Questo li rende adatti all'uso in ambienti elettronici delicati e in applicazioni in cui è necessaria una bassa rumorosità.

Dimensioni compatte ed elevata densità di potenza: I motori brushless possono facilmente raggiungere un'elevata densità di potenza che consente di realizzare progetti compatti e leggeri. Ciò è molto utile nelle applicazioni con vincoli di spazio, come i droni, la robotica e i dispositivi portatili.

Manutenzione ridotta: L'uso di motori brushless elimina le responsabilità di manutenzione periodica associate all'usura delle spazzole. I costi di manutenzione diventano quindi più bassi e l'affidabilità aumenta.

Ampia gamma di velocità: I motori brushless sono in grado di lavorare in un'ampia gamma di velocità, da quelle basse a quelle alte, mantenendo una coppia costante. Questa caratteristica li rende ideali per diverse applicazioni con requisiti di velocità variabili.

Sebbene i motori brushless abbiano un costo iniziale più elevato rispetto a quelli con spazzole, i risparmi a lungo termine, nonché le prestazioni e la durata più elevate, compensano ampiamente l'esborso. I vantaggi effettivi dell'impiego di un motore brushless dipendono dai requisiti qualitativi e quantitativi dell'applicazione e dalle caratteristiche strutturali del motore.

Quali sono i problemi comuni di manutenzione e risoluzione dei problemi dei motori brushless?

Sebbene i motori brushless presentino requisiti di manutenzione più bassi, è comunque possibile riscontrare alcuni sforzi di manutenzione e alcuni problemi di risoluzione dei problemi con i motori brushless:

Usura dei cuscinetti: Non ci sono dubbi sul fatto che i motori brushless siano dotati di cuscinetti destinati a usurarsi con il tempo. Ciò comporterebbe ulteriori livelli di rumore e vibrazioni oltre a quelli già presenti nel motore. L'insieme di questi fattori può aiutare a decidere se sia necessario effettuare delle riparazioni o se la sostituzione dei cuscinetti sia un'opzione migliore.

Anche i sistemi di isolamento possono subire danni, soprattutto nel caso di avvolgimenti statorici che si trovano in numerose condizioni di elevata umidità o calore. Questo problema può essere ulteriormente aggravato da rotture dell'isolamento che possono provocare cortocircuiti. Questo problema può essere evitato monitorando regolarmente la resistenza degli avvolgimenti e sostituendo i motoriduttori se necessario.

Ogni tipo di motore, e i motori brushless non fanno eccezione, funziona entro parametri predefiniti e questo dipende normalmente dall'uso di sensori a effetto Hall o di encoder per fornire un feedback di posizionamento appropriato. Questi sensori sono fondamentali per il corretto funzionamento del motore e se dovessero guastarsi, l'intero motore potrebbe funzionare in modo errato o non funzionare affatto. Nella maggior parte dei casi, per risolvere i problemi legati ai sensori, è necessario eseguire diverse operazioni che possono includere il controllo del cablaggio, dei collegamenti dei sensori e, in alcune rare situazioni, la sostituzione dei sensori stessi.

Surriscaldamento: Un motore brushless può surriscaldarsi quando viene fatto funzionare oltre le specifiche nominali o se manca il raffreddamento. La bobina, i magneti o altri dispositivi potrebbero danneggiarsi a causa del surriscaldamento. Per evitare il surriscaldamento, è consigliabile fornire una ventilazione sufficiente, utilizzare tecniche di raffreddamento adeguate e limitare il funzionamento del motore entro i suoi parametri nominali.

L'uso appropriato dei motori brushless, unitamente a ispezioni e riparazioni tempestive, può aiutare a evitare e riconoscere qualsiasi problema potenziale che potrebbe causare la morte del motore. Se le procedure di risoluzione dei problemi non risolvono il problema, il passo successivo consiste nel contattare il produttore o tecnici di assistenza qualificati.