L’idea di utilizzare l’elettricità per produrre lavoro meccanico risale alla prima metà dell’Ottocento; tuttavia i primi motori elettrici efficienti risalgono agli anni 1860-64.
Il motore a corrente continua è stato il promotore in questo campo, chiamato così perché per funzionare deve essere alimentato con tensione e corrente costante, è costituito, come gli altri motori da due parti, il rotore e lo statore.
Questo tipo di motore può avere due tipi di statore, che possono essere i seguenti:
• Statore a magneti permanenti
• Statore alimentato
Il motore è come mostrato nell’animazione. Statore (N-S), rotore e collettore
Lo statore fornisce un campo magnetico costante e l’armatura, che è la parte rotante, è una semplice bobina. L’armatura è collegata ad una sorgente di corrente continua attraverso una coppia di anelli (collettore)
Quando la corrente scorre attraverso la bobina, una forza elettromagnetica è indotta su di essa secondo la legge di Lorentz. Così la bobina inizia a ruotare, noteremo la rotazione della bobina, gli anelli del commutatore collegati con l’alimentazione di polarità opposta. Come risulta sul lato sinistro della bobina fluirà sempre lontano da noi e sul lato destro la corrente fluirà sempre diretta a noi. Questo assicura che l’azione della coppia è sempre nella stessa direzione durante il movimento del rotore. Così la bobina continuerà a ruotare, ma se si osserva da vicino l’azione della coppia sulla bobina noteremo che quando la bobina è quasi perpendicolare al flusso magnetico il momento torcente è quasi nullo, questo provocherà un movimento irregolare del rotore se lo si fa funzionare come un motore DC
Aggiungiamo una bobina in più al rotore con una coppia di anelli dedicati. In questa disposizione quando la bobina è in posizione verticale, la seconda bobina sarà collegata alla fonte di alimentazione in modo che la forza del motore è sempre presente nel sistema
Inoltre, più bobine ci sono, più regolare sarà la rotazione del motore. Nel motore reale le bobine sono inserite dentro fessure del rotore costituiti da strati di acciaio ad alta permeabilità magnetica. Questo permetterà di migliorare l’interazione del flusso magnetico. Le spazzole sono tenute in contatto col collettore con delle molle per mantenere l’alimentazione. Un magnete permanente per lo statore viene usato solo per i piccoli motori DC. Molto spesso viene utilizzato un campo elettromagnetico, il campo elettromagnetico della bobina è alimentato dalla stessa alimentazione DC.
Le bobine possono essere collegate agli avvolgimenti rotorici in due diversi modi: parallelo o serie. Il risultato è di due differenti tipi di costruzione di motore DC: motori «SHUNT» e «SERIE». Il rotore SERIE ha una buona coppia di spunto, ma la velocità scende drasticamente con il carico. Il motore SHUNT ha una coppia di spunto bassa ma in grado di funzionare a velocità quasi costante indipendentemente dal carico agente sul motore.
A differenza di altre macchine elettriche, i motori a corrente continua presentano una caratteristica unica: la produzione di un campo magnetico (EMF Elettro Magnetic Field). Una bobina rotante in un campo magnetico produce una EMF secondo il principio dell’induzione elettromagnetica. Gli avvolgimenti hanno lo stesso comportamento, verrà indotto un EMF interno che si oppone alla tensione di ingresso applicata. Il campo EMF inverso riduce di molto la corrente nell’avvolgimento, il campo EMF inverso è proporzionale alla velocità del rotore
I = (𝐸𝑀𝐹𝑖𝑛 −𝐸𝑀𝐹𝑏𝑎𝑐𝑘)/𝑅 EMFback ∝𝑆𝑝𝑒𝑒𝑑𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟
Il rendimento di queste macchine è mediamente maggiore rispetto ai motori a corrente continua asincroni.
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 negli altri motori elettrici.
- L'ingombro è limitato rispetto alla potenza che possono erogare 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 chimici 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.
Difetti
- 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, quindi al costo del motore va aggiunto il costo del sistema di controllo.
Sulle navi si fa poco uso di questa tipologia di motore, lo si trova a volte nel comando delle porte degli ascensori. Hanno largo utilizzo nel campo automobilistico e industriale, li troviamo laddove un robot deve ripetere sempre la stessa operazione.
Per avere più affidabilità, più efficienza e minor rumore, la recente tendenza è di usare i motori DC brushless (senza spazzole) che sono più leggeri
Il motore DC a spazzole si usura nel tempo e crea scintille, così il motore DC a spazzole non dovrebbe essere usato per lunghi periodi
Il rotore di un motore brushless è un magnete permanente. Lo statore ha le bobine come nell’animazione. Alimentando con una corrente continua saranno energizzate le bobine che diventeranno elettromagneti.
Un’altra operazione del motore brushless è basata nella interazione di una semplice forza tra magneti permanenti ed elettromagneti. In queste condizioni quando la bobina si è energizzata, i poli opposti del rotore e dello statore si attraggono. Quando il rotore si avvicina ad un avvolgimento, una bobina viene eccitata, dopo che la bobina è eccitata con la polarità opposta questo processo è ripetuto ed il rotore continua a ruotare
Un’analogia umoristica per aiutare a ricordare e a pensare all’operazione BLDC come la storia dell’asino nell’atto di cura. Nonostante questo motore funzioni, ha un inconveniente che si può notare istante per istante: solo una bobina viene eccitata mentre le altre due sono trascinate provocando una perdita di potenza in uscita.
Il problema è risolto anticipando l’alimentazione della coppia di poli successiva. In questo modo il rotore troverà sempre una coppia di poli da cui verrà attratto. Occorre però individuare sempre il momento giusto per alimentare le bobine interessate. Questo compito viene svolto da un controller esterno che ne comanda la velocità.
IL MOTORE BRUSHLESS A CORRENTE ALTERNATA
Il motore brushless è un tipo di motore elettrico in corrente alternata la cui velocità di rotazione è sincronizzata con la frequenza elettrica. Comunemente si tratta di motori con alimentazione trifase, ma i motori brushless di piccola potenza sono spesso alimentati con la comune tensione monofase disponibile nelle abitazioni. La stessa macchina elettrica che funge da motore sincrono può essere utilizzata anche come generatore elettrico, e in questo caso è detto alternatore; la maggioranza dei generatori elettrici è in effetti di questo tipo.
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