Qual è la differenza tra un Brushless Motor di Brushless

Qual è la differenza tra un Brushless Motor di Brushless

Figura 1: Differenza tra un motore Brushless vs Brushless

Brushless vs Brushless motori, quali sono le differenze

I motori DC brushless e brushless sono due tipi distinti di motori elettrici. In termini semplici, la differenza è che i motori spazzati hanno spazzole elettriche a contatto, che causano lo spin del motore. D'altra parte, i motori brushless si affidano all'elettronica piuttosto che ai pennelli per ruotare il motore. Un altro modo per descriverlo è che i motori brushless hanno magneti di spinning al centro, mentre i motori spazzolato hanno magneti stazionari all'esterno.

La figura 1 mostra la differenza visiva tra i due, tuttavia anche il funzionamento di ciascuno è completamente diverso. La differenza principale tra loro è il tipo di commutazione che utilizzano:

1. Metodo di commutazione:
   • I motori spazzini utilizzano spazzole meccaniche e un commutatore per commutare la direzione corrente nei windings, che a sua volta genera un campo magnetico per produrre coppia e ruotare il motore.
   • I motori brushless, invece, utilizzano il controllo elettronico e i sensori magnetici (ad esempio sensori di effetto Hall) per commutare la direzione corrente nei avvolgimenti senza alcun contatto meccanico. Questo controllo elettronico è spesso sotto forma di un driver esterno o di un controllore elettronico integrato (ESC).
2. Efficienza:
   • I motori brushless sono generalmente più efficienti dei motori bruscati perché non hanno l'attrito e le perdite di energia associate a spazzole e pendolari. Questo porta a migliori prestazioni, tempi più lunghi e consumi energetici ridotti.
3. Manutenzione e durata della vita:
   • I motori spazzolato richiedono una maggiore manutenzione a causa dell'usura e dello strappo su spazzole e pendolari, che possono eventualmente portare ad una diminuzione delle prestazioni e del guasto motorio. Le sostituzioni delle spazzole sono necessarie periodicamente per mantenere prestazioni ottimali.
   • I motori brushless hanno meno parti mobili e nessun contatto meccanico, che determina una durata di vita più lunga e requisiti di manutenzione ridotti.
4. Rumore e vibrazioni:
   • I motori brushless di solito producono meno rumore e vibrazioni rispetto ai motori spazzolato perché non hanno spazzole o pendolari che possono causare rumore meccanico.
5. Costo e complessità:
   • I motori brushless sono generalmente più costosi e complessi a causa del requisito dei sistemi di controllo elettronico per la commutazione. Tuttavia, i loro vantaggi in termini di efficienza, durata della vita e manutenzione superano spesso la differenza di costo iniziale.

Diagramma Motore Brushless

Nel rotore di un motore brushless sono presenti magneti permanenti, mentre lo statore ospita i windings. Questa disposizione è l'opposto delle posizioni stator e rotore in un motore a corrente continua spazzolato.  I motori DC spazzolato iniziano la rotazione quando la corrente viene fornita ai windings tramite il commutatore e i pennelli. Come gli spintoni motori, le coppie di pendolari e spazzole successive sono energizzate, dirigendo il flusso di corrente in diverse parabole e mantenendo la rotazione. I motori Brushless raggiungono la pendenza senza affidarsi a pennelli o pendolari. Essi, invece, utilizzano sensori di polo magnetico (come gli elementi Hall o gli effetti di Hall) per identificare le posizioni di polo magnetico dei magneti permanenti. Inoltre, i conducenti sono tenuti a guidare il flusso di corrente attraverso i avvolgimenti secondo le posizioni di polo magnetico rilevate.

Principi Motori Brushless

Per descrivere i principi di rotazione dei motori brushless, consideriamo un modello 2-pole semplificato, a tre fasi come raffigurato nella figura 2.

I magneti rotori sono costituiti sia da poli nord che sud, ciascuno avente un angolo di polo magnetico di 180 °. I sensori di polo magnetico Ha, Hb e Hc sono posizionati a 120 ° di distanza e rilevano il polo nord dei magneti rotori, producendo successivamente un segnale.

Per quanto riguarda lo statore, anche il coil phase-U, il coil phase-V e la bobina di phase-W sono posizionati a 120 ° di distanza e sono scostati dai sensori di polo magnetico di 60 °.

Quando i flussi correnti dal circuito di azionamento al motore per ogni avvolgimento di fase dello statore, si crea un polo sud sul lato del diametro interno dello statore. Viceversa, quando i flussi correnti in direzione opposta, si genera un polo nord sul lato di diametro interno dello statore. La Figura 3 illustra la condizione quando i flussi correnti da phase-U a phase-V.

 Figura 3: Principio motore brushless semplificato

Metodo di controllo di un motore Brushless

Un motore brushless è controllato da un controllore elettronico che regola la potenza fornita al motore. Di seguito sono riportati i passaggi fondamentali per il controllo di un motore a corrente continua brushless:

1. Hall Effect Sensori: i motori Brushless utilizzano sensori Hall Effect per determinare la posizione del rotore e fornire un feedback al controller.
2. Electronic Commutation: il controllore elettronico utilizza le informazioni dei sensori di Hall Effect per determinare la corretta sequenza di corrente da fornire allo statore.
3. Power MOSFETs o IGBTs: il controller utilizza MOSFETs di potenza o IGBTs per commutare la corrente fornita allo statore.
4. PWM Segnali: il controller utilizza segnali PWM (Pulse Width Modulation) per regolare la velocità e la coppia del motore regolando il ciclo di servizio dei segnali PWM.
5. Input Segnali: il controller riceve segnali di ingresso da una sorgente di controllo, come un microcontrollore, per impostare la velocità e la direzione desiderata del motore.

Il metodo preciso per controllare un motore brushless dipende dal motore specifico e dal controller utilizzato, ma questi passaggi forniscono una panoramica generale del processo.

Come fare per controllare la velocità di un brushless motore

La velocità di un motore a corrente continua brushless è controllata regolando la frequenza della potenza elettrica fornita al motore. Di seguito sono riportati i passaggi fondamentali per il controllo della velocità di un motore brushless:

1. Controllore elettronico: un controllore elettronico viene utilizzato per regolamentare la potenza fornita al motore.
2. PWM Segnali: il controller utilizza segnali PWM (Pulse Width Modulation) per regolare la frequenza della potenza fornita al motore. Cambiando il ciclo del dovere dei segnali PWM, la tensione media applicata al motore può essere varia, che a sua volta incide sulla sua velocità.
3. Input Segnali: il controller riceve segnali di ingresso da una sorgente di controllo, come un microcontrollore, per impostare la velocità desiderata del motore.
4. Motor Feedback: in alcuni casi, un meccanismo di feedback come un tachimetro o un encoder può essere utilizzato per monitorare la velocità del motore e fornire un feedback al controller, che può quindi regolare i segnali PWM per mantenere una velocità costante.

Controllando la velocità di un motore DC brushless comporta la regolazione della frequenza della potenza elettrica fornita al motore mediante segnali PWM e controllo elettronico.

Che tipo di controller hai bisogno di un motore brushless

Un motore a corrente continua brushless richiede un controllore elettronico, spesso indicato come Electronic Speed Controller (ESC), per regolamentare la potenza fornita al motore. Il CES è responsabile dei seguenti compiti:

1. Monitoraggio della posizione del rotore: i motori Brushless utilizzano sensori Hall Effect per determinare la posizione del rotore e fornire un feedback al controller.
2. Commutation: il controller utilizza le informazioni dei sensori di Hall Effect per determinare la corretta sequenza di corrente da fornire allo statore.
3. Commutazione di corrente: il controller utilizza MOSFETs di potenza o IGBTs per commutare la corrente fornita allo statore.
4. Controllo della velocità: il controller utilizza i segnali PWM (Pulse Width Modulation) per regolare la velocità e la coppia del motore regolando il ciclo di servizio dei segnali PWM.
5. Segnali di ingresso: il controller riceve segnali di ingresso da una sorgente di controllo, come un microcontrollore, per impostare la velocità e la direzione desiderata del motore.

Diagramma Motore Spazzolato

Figura 6: struttura motoria spazzata

Un motore spazzolato è un tipo di motore elettrico a corrente continua che consiste in diversi componenti chiave che lavorano insieme per convertire l'energia elettrica in energia meccanica. I componenti principali di un motore spazzolato sono il rotore, lo statore, il commutatore e i pennelli come mostrato in Fig 6. Ecco una descrizione di ogni componente e come contribuiscono alla struttura del motore:

1. Rotore (Armatura): Il rotore, noto anche come l'armature, è la parte rotante del motore spazzolato. Consiste in rotoli di avaria di filo intorno ad un nucleo di ferro, che crea un elettromagnete quando la corrente lo attraversa. Il campo magnetico del rotore interagisce con il campo magnetico dello statore, generando coppia e facendo girare il rotore, guidando l'albero motore.
2. Stator: La statrice è la parte stazionaria del motore spazzolato. Ospita magneti permanenti, tipicamente montati sulla superficie interna, fornendo un campo magnetico fisso. Il campo magnetico dello statore interagisce con il campo magnetico del rotore, creando la coppia necessaria per la rotazione.
3. Commutatore: il commutatore è un componente cruciale di un motore spazzolato, responsabile del passaggio della direzione corrente nei windings del rotore. Si tratta di un cilindro metallico segmentato attaccato al rotore, con ogni segmento collegato ad una estremità del rotore. Mentre il rotore gira, il commutatore ruota insieme a esso, facendo contatto con i pennelli.
4. Spazzole: Brushes sono fissi, componenti conduttivi che mantengono il contatto elettrico con il commutatore rotante. Sono tipicamente realizzati in carbonio o grafite, garantendo bassi frizione e usura. Le spazzole forniscono la connessione elettrica tra la fonte di alimentazione e il rotore avvolge il commutatore. Mentre il commutatore ruota, i pennelli scivolano sulla sua superficie, energizzando in successione diverse parabole del rotore, che a sua volta causa il campo magnetico del rotore per passare e mantenere la rotazione.

Un motore spazzolato è costituito da un rotore con rotoli di ferita, uno statore con magneti permanenti, un commutatore e spazzole. L'interazione tra i campi magnetici del rotore e dello stator genera coppia, mentre il commutatore e le spazzole funzionano insieme per commutare la corrente nei avvolgimenti rotori, garantendo una rotazione continua.

Principi alle spalle di un motore Brushed

I motori DC impiegano avvolgimenti in filo cotto per generare un campo magnetico. In un motore spazzolato, questi avvolgimenti sono attaccati al rotore, che è libero di ruotare e guida un pozzo. Spesso, i rotoli sono avvolti intorno ad un nucleo di ferro, sebbene alcuni motori spazzolato siano "coreless, " con avvolgimenti autosupportati. La porzione stazionaria del motore, conosciuta come "stator", utilizza magneti permanenti per stabilire un campo magnetico fisso. Questi magneti sono tipicamente situati sulla superficie interna dello statore, circostante il rotore. Fig 7 mostra maggiori dettagli.

Per creare coppia e far girare il rotore, il campo magnetico del rotore deve ruotare continuamente, interagendo con il campo fisso dello statore attraverso l'attrazione e la repulsione. Un interruttore elettrico a scorrimento facilita questo campo di rotazione. Questo switch comprende un commutatore, di solito un contatto segmentato montato sul rotore, e spazzole fisse montate sullo statore.

Figura 7:Principi alle spalle di un motore Brushed

Come fare per controllare la velocità di un spazzolato motore

La velocità di un motore DC spazzolato può essere controllata regolando la tensione applicata ai suoi terminali. Di seguito sono riportati i passaggi fondamentali per il controllo della velocità di un motore a corrente continua:

1. Alimentatore: l'alimentatore a corrente continua è collegato ai terminali motori per fornire la potenza elettrica necessaria per far girare il motore.
2. Controllo della velocità: Per controllare la velocità del motore, la tensione applicata al motore può essere regolata utilizzando un segnale resistente o di ampiezza di impulsi (PWM) mostrato in Fig 8.  Più bassa la tensione applicata al motore, il più lento ruoterà. Abbiamo scritto un articolo separato su Controller di velocità qui
3. Input Segnali: la tensione applicata al motore può essere controllata tramite segnali di ingresso da una sorgente di controllo, come un microcontrollore, per impostare la velocità desiderata.
4. Feedback Control: in alcuni casi, un meccanismo di feedback come un tachimetro o un encoder può essere utilizzato per monitorare la velocità del motore e fornire un feedback ad un controller, che può quindi regolare la tensione per mantenere una velocità costante.

Controllo della velocità di una spazzola Motore DC comporta la regolazione della tensione applicata ai suoi terminali, direttamente o utilizzando un meccanismo di feedback per regolarne la velocità.

Figura 8: Controllo della velocità di un motore spazzolato

In sintesi, un motore DC brushless richiede un Electronic Speed Controller (ESC) per regolamentare la potenza fornita al motore e controllarne la velocità e la coppia.

Come si fa a collegare un motore brushless a un interruttore

Un modo tipico per controllare un motore spazzolato è quello di utilizzare un interruttore di Rocker.Sulla parte inferiore del tuo switch si vedranno 6 connettori, come visto di seguito, che si allineeranno con il diagramma di circuito dell'interruttore DPDT sopra.Se l'interruttore viene premuto sulla posizione in avanti, i connettori superiori e medi saranno collegati all'interno dell'interruttore; se l'interruttore viene premuto sulla posizione posteriore, i connettori di fondo e di mezzo saranno collegati; e se l'interruttore è in posizione di mezzo, l'interruttore è aperto.

 Di seguito un diagramma di cablaggio che mostra 2 motori spazzolato collegati ad un interruttore

Sotto riportato un diagramma di cablaggio della parte posteriore di un interruttore a rocker

Che è più costoso, un motore spazzolato o brushless

In generale, i motori a corrente continua brushless sono più costosi dei motori a corrente continua. La differenza di costo può essere attribuita alla complessità del sistema motorio brushless, che richiede componenti aggiuntivi come un controller elettronico (ESC) e i sensori di Hall Effect. Il CES e i sensori aggiungono al costo del sistema, così come il processo di fabbricazione più sofistolato richiesto per i motori brushless.

Tuttavia, nonostante il loro costo di upfront più elevato, i motori brushless spesso offrono diversi vantaggi rispetto ai motori spazzati, tra cui l'efficienza superiore, la durata della vita più lunga e migliori prestazioni, in particolare nelle applicazioni ad alta velocità e ad alta coppia. Di conseguenza, il costo più elevato dei motori brushless può spesso essere compensato dai loro bassi costi di esercizio e dal miglioramento dell'affidabilità.

In conclusione, il costo dei motori spazzolato e brushless varia a seconda della specifica applicazione e requisiti. I motori brushless sono generalmente molto più costosi di fronte, ma possono offrire una durata di vita più lunga e una maggiore efficienza. I motori spazzolato sono l'ideale per la maggior parte delle applicazioni di tipo giorno e per le persone con poco a nessuna scadenza elettrica. Potrete trovare motori brushless utilizzati per le auto elettriche e altri sistemi dove è necessaria una lunghissima durata di vita (molti decenni), ma al di fuori di questo troverete che i motori Brushed costituiscono il 95% del mercato motorio.

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