Che cos’é un motore Brushless:

Cerchiamo intanto di capire che cosa si intende per motore brushless .La parola brushless significa senza spazzole e serve ad indicare un motore sincrono a magneti permanenti e commutazione elettronica.
Come per qualsiasi altro motore abbiamo anche per il brushless uno statore normalmente connesso a stella ed un rotore dotato di magneti permanenti collocati sulla superficie esterna.
Rispetto al motore in corrente continua il brushless ha l’indotto e l’induttore invertiti, ed inoltre per la commutazione non viene più usato il collettore ma un convertitore che opera commutando elettronicamente in funzione della posizione angolare del rotore che viene rilevata da un trasduttore che nel nostro caso è un resolver (trasduttore di posizione).
Il motore brushless ha il vantaggio rispetto al motore in corrente continua di essere molto preciso grazie al suo funzionamento a velocità costante, presenta però dei problemi all’avviamento che nel caso del brushless sono risolti dal convertitore, inoltre quest’ultimo mi consente di variare facilmente la velocità.

I vantaggi del brushless rispetto al motore in c.c. sono:
- assenza di manutenzione delle spazzole e collettore di commutazione.
- elevato grado di protezione, con possibile funzionamento in ambienti polverosi ecc.(motore chiuso che non ha bisogno di manutenzione).
- l’uso di una massa rotante molto piccola e leggera che consente di ottenere un momento di inerzia sensibilmente inferiore.
- velocità più alte (perché a differenza del motore in c.c. non abbiamo più una commutazione elettromeccanica dovuta allo sfregamento tra il collettore e le spazzole che provoca una diminuzione della velocità tutto questo nel brushless grazie alla commutazione elettronica del convertitore è evitata.
- nessuna limitazione di coppia alle alte velocità per effetto della commutazione.
 

Il motore brushless può essere comandato secondo la tecnica trapezoidale e sinusoidale a seconda della forma d’onda di:
- corrente, imposta dal convertitore.
- f.c.e.m. (forza contro elettro motrice) di fase, dipendente dalla disposizione degli avvolgimenti statorici e dalla disposizione dei magneti rotorici.

Il Convertitore

Il convertitore è l’organo di controllo del nostro motore brushless, ed in particolare controlla la coppia e la velocità tramite un apposito trasduttore ( resolver ), ed è contraddistinto da:
- elettronica di controllo e trasduttore di posizione rotorica dipendente dalla tecnica di controllo attuata.
-funzionamento reversibile (o bidirezionale), cioè la capacità di erogare energia motrice(P+) ed assorbire energia frenante(P-) per entrambi i sensi di rotazione del motore.

I convertitori di potenza solitamente possono essere fondamentalmente di due tipi:
- versione compatta, con l’alimentatore e l’invertitore di potenza collocati in uno stesso contenitore.
- versione modulare, con l’alimentatore e l’invertitore in due contenitori distinti.
Questo significa che il dissipatore d’alluminio è collocato su un fianco o e sul retro è raffreddato mediante ventilazione forzata.

Configurazione di potenza del convertitore.

Il convertitore di potenza serve per pilotare le tre fasi del motore. ed è comunemente costituito da :

- Un ponte raddrizzatore di ingresso di potenza con il compito di convertire la tensione alternata di rete in continua.
- Una batteria di condensatori con il compito di erogare la corrente di sovraccarico al motore ed assorbire l’energia restituita dal motore durante la decelerazione.
- Un ponte invertitore ( c.c/c.a ) per alimentare il motore a tensione e frequenza variabili tramite l’accensione e lo spegnimento di sei interruttori statici.
 

Per motori dell'ordine dei 15Kw i sei interruttori statici sono costituiti da transistor tipo IGBT che rispetto al BJT permettono frequenze di commutazione tre volte più elevate ed esigono una potenza di comando molto più bassa.

In parallelo al transistor viene collegato un diodo che ha lo scopo di evitare il danneggiamento del dispositivo durante la commutazione.
Il dispositivo è inserito in un circuito R-L ed all’atto dell’apertura si verifica una sovratensione ai suoi capi che può perforare la giunzione.
Il diodo entrando in conduzione corto - circuita in pratica il transistor.

Per evitare perdite di rendimento e di coppia il motore è realizzato con avvolgimenti connessi a stella.
Le perdite possono derivare dall’effetto di terza armonica e dalla circolazione di corrente, esaltata dalle f.c.e.m. statoriche e dalle possibili differenze costruttive dei tre avvolgimenti, all’interno dell’alternativa connessione a triangolo.
La sequenza d’alimentazione con sfasamento relativo di 120° elettrici delle fasi deve essere rigorosamente rispettata, altrimenti il motore non può ruotare poiché quando si deve invertire il senso di rotazione si interviene sul riferimento del convertitore.
Per regolare la velocità il convertitore necessita di un trasduttore di velocità; nel caso del motore sinusoidale è emulato dal resolver stesso.

Il Resolver come trasduttore di velocità e posizione.

Il resolver è un trasduttore rotante con due avvolgimenti statorici,( sfasati tra loro di 90° elettrici ) ed uno rotorico. Eccitando l’avvolgimento rotorico con una tensione alternata , in un avvolgimento statorico si induce una tensione d’ampiezza proporzionale al seno e nell’altro proporzionale al coseno dell’angolo di rotazione del rotore rispetto allo statore.
L’elaborazione elettronica di seno e coseno permette di ricavare l’angolo rotorico istante per istante, e conseguentemente anche la velocità angolare del motore.

Costruttivamente il resolver è disponibile sia con albero sporgente che cavo; la versione universalmente usata sui motori brushless è quella ad albero cavo.
Dai segnali del resolver si può ricavare elettronicamente la posizione dell’albero del motore evitando così di calettare un encoder vero e proprio, meno affidabile di un resolver sia in termini di vibrazioni che di temperatura di lavoro. Da sottolineare la funzione del convertitore resolver - digitale (RDC) che ricava dai segnali del resolver la posizione angolare rotorica in formato binario naturale e la velocità di rotazione sotto forma di segnale analogico bipolare.

Cenni sui metodi di frenatura

La frenatura del motore può avvenire in tre diversi modi :
1) Disabilitando il convertitore o riducendone il riferimento esterno di velocità o di coppia.
2) Comandando la frenatura elettronica con i regolatori del convertitore.
3) Comandando la sequenza elettromeccanica dello stop d’emergenza, questo comporta il blocco immediato dei regolatori e la chiusura degli avvolgimenti del motore su resistenza di frenatura.

Cenni sugli accorgimenti Anti disturbo

Per evitare mal funzionamenti del sistema bisogna curare particolarmente la messa a terra del motore e la schermatura dei cavi. Il cavo d’alimentazione deve essere il più corto possibile, tale da evitare eventuali possibili diturbi. A tale proposito deve essere effettuata la schermatura.

Considerazioni personali :

Dal mio punto di vista il motore brushless , è uno dei più versatili e precisi motori usati nelle automazioni , perché grazie alla possibilità di eseguire qualsiasi regolazione tramite convertitore esso può essere usato indistintamente in qualsiasi tipo di automazione senza richiedere rilevanti interventi a livello hardware , in quanto tutte le operazioni eseguite dal motore brushless possono essere comandate tramite computer e quindi a livello software. In questo modo l’emisfero delle automazioni è svincolato dalla logica cablata ma si erge sull’elettronica e sull’informatica.
Penso che il futuro delle automazioni sarà totalmente fondato sulla regolazione automatica tramite processori elettronici, e che tutto il lavoro dell’uomo sarà semplificato da questi sistemi automatici.