Motori brushed vs brushless: funzionamento, costruzione e applicazioni

I motori elettrici sono diventati una parte enorme delle nostre vite. Si trovano in tutti i tipi di dispositivi, dalle auto elettriche ai droni, ai robot e ad altri dispositivi elettronici. In termini generali, un motore elettrico è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica. Di solito sono indicati come l'esatto opposto dei generatori poiché funzionano secondo principi simili e possono teoricamente essere convertiti in generatori. Sono essenzialmente utilizzati in situazioni in cui è necessario il movimento rotatorio e trovano applicazioni in apparecchi (motori a vibrazione), robot, apparecchiature mediche, giocattoli e molto altro.

I motori elettrici possono essere classificati in due grandi categorie in base al tipo di fonte di alimentazione utilizzata per loro: motori AC e motori DC. Come suggerisce il nome, i motori CA sono genericamente alimentati utilizzando fonti di alimentazione CA (monofase o trifase) e sono utilizzati principalmente in applicazioni industriali e pesanti in cui è richiesta molta coppia. I motori CC (che sono il nostro obiettivo per oggi) d'altro canto sono generalmente più piccoli e vengono utilizzati in applicazioni basate su batteria (o collegate a sorgenti CC) in cui è richiesta una quantità di lavoro significativamente inferiore rispetto ai motori CA. Trovano applicazioni in diversi dispositivi che vanno dai dispositivi di uso quotidiano come le forbici da barba ai giocattoli per bambini, robot e droni, tra gli altri.

Il requisito per i motori CC differisce da un'applicazione all'altra, poiché un'applicazione può richiedere più coppia e ridurre la velocità mentre un'altra può richiedere più velocità e coppia ridotta, quindi i motori CC a volte sono classificati dai venditori in base a questo. Tuttavia, i motori CC possono essere classificati in tre diverse categorie o tipi tra cui;

1. Motore CC con spazzole
2. Motori CC senza spazzole
3. Servomotori.

Per l'articolo di oggi, il nostro focus sarà sui motori Brushless e Brushed DC, poiché esaminiamo la differenza tra loro in base al principio di funzionamento, costruzione, applicazioni, vantaggi e svantaggi. Per il terzo tipo, puoi consultare l'articolo dettagliato di Servomotore.

Principio di funzionamento e costruzione

Il funzionamento di tutti i motori si basa generalmente su due principi che sono ; Legge di Amperes e legge di Faraday. La prima legge afferma che un conduttore elettrico posto in un campo magnetico subirà una forza se qualsiasi corrente che scorre attraverso il conduttore ha una componente ad angolo retto rispetto a quel campo. Il secondo principio afferma che se un conduttore viene spostato attraverso un campo magnetico, qualsiasi componente di movimento perpendicolare a quel campo genererà una differenza di potenziale tra le estremità del conduttore.

Sulla base di queste leggi, i motori elettrici si compongono di due parti principali; Un magnete permanente e un mazzo di conduttori avvolti in una bobina. Applicando elettricità alla bobina diventa un magnete e in base al fatto che i magneti si respingono a poli simili e si attraggono a poli diversi, si ottiene un movimento rotatorio.

Motore CC con spazzole

Il motore CC con spazzole è noto per essere uno dei primi e più semplici motori poiché implementa le leggi sopra descritte nel modo più semplice. Come descritto nell'immagine sotto, la costruzione di un motore CC con spazzole comprende uno statore fisso costituito da un magnete permanente e un'armatura mobile (rotore) su cui componenti come il commutatore, le spazzole e l'anello diviso sono tutti posizionati attorno al motore albero.

Quando l'alimentazione viene fornita al motore (tramite batteria o tramite una sorgente da CA a CC collegata), l'elettricità fluisce dalla sorgente all'armatura attraverso le spazzole che di solito si trovano sui lati opposti dell'albero del motore. Le spazzole (la cui presenza nel design è un fattore importante dietro il nome del motore) trasferiscono corrente elettrica all'armatura attraverso il contatto fisico con il commutatore. Non appena l'armatura (la bobina di filo) viene eccitata, inizia a comportarsi come un magnete ea quel punto i suoi poli iniziano a respingere i poli del magnete permanente che costituisce lo statore. Quando i poli si respingono, l'albero motore a cui è fissata l'armatura inizia a ruotare con una velocità e una coppia che dipendono dall'intensità del campo magnetico attorno all'armatura.

La forza del campo magnetico è solitamente una funzione della tensione applicata alle spazzole e della forza del magnete permanente utilizzato per lo statore.

Motori CC senza spazzole

Anche se usano lo stesso principio dell'elettromagnetismo, i motori brushless d'altra parte sono più complessi. Sono il risultato diretto degli sforzi compiuti per migliorare l'efficienza dei motori Brushed DC e possono essere semplicemente descritti come motori che non adottano l'uso di spazzole per la commutazione. Tuttavia, la natura semplicistica di quella descrizione lascia il posto a domande su come viene alimentato il motore e come si ottiene il movimento senza spazzole che cercherò di spiegare.

Contrariamente alla costruzione dei motori a spazzole, nei motori senza spazzole le cose sono capovolte. L'armatura che, nel caso del motore spazzolato, ruota all'interno dello statore, è stazionaria nei motori brushless e il magnete permanente, che nei motori spazzolati è fisso, funge da rotore in un motore brushless. In poche parole, lo statore per motori CC senza spazzole è costituito da bobine mentre il suo rotore (a cui è fissato l'albero motore) è costituito da un magnete permanente.

Poiché il motore brushless elimina l'uso di spazzole per fornire alimentazione all'armatura, la commutazione (commutazione) diventa più complessa e viene eseguita elettronicamente utilizzando un set aggiuntivo di componenti elettronici (come un amplificatore attivato da un componente di commutazione come un encoder ottico) per ottenere il movimento. Gli algoritmi di commutazione per motori DC Brushless possono essere divisi in due; Commutazione basata su sensori e senza senso.

Nella commutazione basata su sensori, i sensori (ad es. Sensore Hall) sono posizionati lungo i poli del motore per fornire feedback al circuito di controllo per aiutarlo a stimare la posizione del rotore. Ci sono tre algoritmi popolari impiegati per la commutazione basata su sensori;

1. Commutazione trapezoidale
2. Commutazione sinusoidale
3. Controllo vettoriale (o orientato al campo).

Ciascuno di questi algoritmi di controllo ha i suoi pro e contro e gli algoritmi possono essere implementati in modi diversi a seconda del software e del design dell'hardware elettronico per apportare le modifiche necessarie.

Nella commutazione sensorless d' altra parte, invece di posizionare i sensori all'interno dei motori, il circuito di controllo è progettato per misurare l'EMF posteriore per stimare la posizione del rotore.

Questo algoritmo funziona abbastanza bene ed è a un costo ridotto poiché il costo dei sensori di hall viene eliminato ma la sua implementazione è molto più complessa rispetto agli algoritmi basati su sensori.

Vantaggio e svantaggi

Nei motori CC con spazzole, le spazzole sono in costante contatto con il commutatore rotante. Ciò porta alla generazione di una notevole quantità di attrito e questo a sua volta porta alla perdita di energia per il calore e all'usura graduale delle spazzole. Pertanto, i motori CC con spazzole hanno una bassa efficienza e richiedono una manutenzione periodica. Questo crea molto attrito e l'attrito è uguale a calore (perdita di energia) e usura. Le CC senza spazzole d'altra parte sono essenzialmente prive di attrito e quindi hanno un'efficienza davvero elevata, non richiedono manutenzione e durano più a lungo dei motori CC con spazzole.

Tuttavia, i motori CC con spazzole sono molto economici rispetto alle loro controparti brushless a causa della natura semplice del loro design. D'altra parte, i motori CC senza spazzole sono piuttosto costosi a causa del loro design complesso e del costo aggiuntivo dei componenti elettronici aggiuntivi (controller) necessari per azionarli.

Applicazioni

Mentre i motori CC senza spazzole sono più popolari in questi giorni, i motori CC con spazzole sono ancora utilizzati negli elettrodomestici di tutti i giorni, nei giocattoli per bambini e nelle applicazioni industriali grazie alla facilità con cui il loro rapporto velocità / coppia può essere variato. A causa del loro basso costo, vengono utilizzati in applicazioni in cui il dispositivo host potrebbe guastarsi prima dei motori.

D'altra parte, i motori CC senza spazzole hanno trovato applicazioni in tutti i tipi di dispositivi, dalle apparecchiature mediche, ai robot e ai droni alle auto elettriche, agli utensili elettrici ecc. Sono essenzialmente utilizzati in applicazioni che richiedono alta efficienza, longevità e valgono il costo.

Fattori da considerare quando si seleziona tra i motori CC Brushless e Brushed

Oltre a velocità, coppia, potenza nominale e altri requisiti di base per la tua applicazione, di seguito sono tre fattori che ritengo possano essere utili da considerare quando si prende una decisione sul tipo di motore da implementare per la tua applicazione.

1. Ciclo di lavoro / vita utile
2. Efficienza
3. Controllo / attuazione
4. Costo

Ciclo di lavoro / vita utile

La vita utile descrive quanto tempo è necessario che il motore funzioni prima di guastarsi e con quale ciclo di lavoro. Questo è importante perché i motori CC con spazzole come accennato in precedenza sono soggetti a usura a causa dell'attrito tra le spazzole e il commutatore. Pertanto è importante assicurarsi che l'applicazione sia quella in cui il motore sarà funzionale per tutta la vita di servizio o un'applicazione in cui la manutenzione del motore sarà considerata normale e poco costosa se si devono utilizzare motori CC con spazzole. Un buon esempio di ciò è nei giocattoli per bambini, dove i giocattoli vengono solitamente gettati via o danneggiati prima che il motore si esaurisca. Nelle applicazioni con una lunga durata e la manutenzione del motore non è un'opzione praticabile, i motori CC senza spazzole sono generalmente l'opzione saggia.

Efficienza

In generale, i motori CC senza spazzole hanno un'efficienza complessiva più elevata rispetto ai motori CC con spazzole, ma ci sono stati casi di motori con nucleo senza ferro con spazzole con efficienza superiore rispetto ai motori brushless equivalenti. Tuttavia, è importante valutare l'efficienza complessiva richiesta e confrontarla con quella di ciascun motore prima di prendere una decisione. Nella maggior parte dei casi in cui l'efficienza è il fattore decisivo, i motori CC senza spazzole di solito vincono.

Controllo / attuazione

Questo di solito è uno dei principali ostacoli quando si tratta di utilizzare motori CC senza spazzole. I requisiti aggiuntivi come controller ecc., Rendono l'attivazione più complessa rispetto a quella dei motori CC con spazzole che potrebbero essere metodi alimentati / attuati banali come il collegamento di una batteria attraverso i suoi terminali. È necessario assicurarsi che la quantità di complessità associata all'utilizzo di un motore CC senza spazzole per il progetto sia giustificata e che l'elettronica di supporto come i controller siano prontamente disponibili. Indipendentemente dalla semplicità dei motori CC con spazzole, a volte non sono adatti per applicazioni di alta precisione. Mentre il motore CC con spazzole può essere facilmente collegato al controller come Arduino, è molto complesso collegare un BLDC con Arduino Uno, tuttavia l'ESC (Electronic Speed ​​Controller) rende più facile interfacciare un BLDC con un microcontrollore.

Costo

La complessità del design dei motori CC senza spazzole li rende molto costosi rispetto ai motori CC con spazzole. Assicurati che i costi aggiuntivi siano entro limiti accessibili per il progetto prima di optare per motori CC senza spazzole. Considerare anche il costo degli altri accessori necessari per l'uso dei BLDC prima di prendere una decisione.