Servomotori brushless trifase

Portata

I servomotori brushless includono una vasta gamma di tipi di motori, compresi i motori DC brushless a magnete permanente e i motori AC brushless a magnete permanente. Possono anche essere progettati per il movimento rotativo o lineare. Indipendentemente dai diversi tipi, alcune cose hanno in comune: usano magneti permanenti e sono motori trifase.

Costruzione

I servomotori brushless sostituiscono il commutatore meccanico che si trova nei motori brushed con una commutazione elettronica. Nei servomotori brushless, è il magnete permanente che agisce come rotore (componente rotante) piuttosto che le bobine che sono fisse. La rotazione del servomotore si ottiene alterando individualmente la grandezza e la direzione della corrente in ogni serie di bobine, cambiando la direzione dei campi magnetici generati dalle bobine fisse. Ci sono tipicamente tre serie di bobine in un servomotore senza spazzole, ogni serie di bobine è eccitata individualmente in un ordine particolare che crea una serie di forze elettromagnetiche per mantenere il rotore in movimento. Questo richiede 3 fili di alimentazione per fornire corrente a ogni serie di bobine. Poiché le bobine sono fisse, le connessioni elettriche dirette possono essere fatte facilmente, eliminando la necessità di commutatori meccanici e spazzole. L'assenza di spazzole e commutatori nel motore senza spazzole rende questo dispositivo molto durevole, poiché le spazzole e i commutatori nei motori a spazzole sono suscettibili di consumarsi a causa del contatto continuo in movimento.

Motore senza spazzole a 3 fasi

Poiché non hanno commutatori meccanici, i servomotori brushless richiedono una commutazione elettronica e dispositivi di feedback per controllare la velocità del motore. La commutazione elettronica ha una maggiore efficienza, un elevato risparmio energetico e un migliore controllo rispetto alla commutazione meccanica. Tuttavia, con la mancanza di commutatori meccanici, la maggior parte dei servomotori brushless richiede dispositivi di feedback per controllare accuratamente la coppia e la posizione del motore.

Ci sono diverse opzioni per quanto riguarda i livelli di feedback e di commutazione che dipendono dai vincoli economici e dalla precisione preferita del motore. Questo permette ai consumatori di scegliere i loro livelli preferiti di feedback e il tipo di commutazione elettronica per adattarsi alla loro applicazione. I sensori di Hall e gli encoder sono il feedback di scelta per i servomotori brushless, entrambi i dispositivi possono essere usati separatamente o in tandem per utilizzare il tipo di commutazione preferito. I sensori di Hall da soli sono capaci solo di una commutazione trapezoidale, mentre gli encoder da soli sono capaci solo di una commutazione sinusoidale. L'utilizzo dei sensori di Hall e degli encoder insieme permette l'uso di una commutazione sinusoidale o trapezoidale. La commutazione trapezoidale è standard nei servomotori senza spazzole perché è facilmente implementabile ed è ottima per fornire la massima coppia. Anche se la commutazione trapezoidale è preferita per la maggior parte delle applicazioni, la commutazione sinusoidale con i servomotori brushless è utile per le applicazioni in cui il rumore acustico e meccanico deve essere estremamente basso.

Il feedback sensorless è un'innovazione più recente nella tecnologia dei servomotori DC senza spazzole, dove la posizione del motore è determinata dall'emf posteriore del motore. Il feedback sensorless può funzionare con una commutazione trapezoidale o sinusoidale, tuttavia la commutazione sinusoidale è preferita per le applicazioni più sensibili perché è meno suscettibile all'ondulazione della coppia. Poiché il feedback sensorless richiede che il motore funzioni in base al proprio feedback interno, il feedback sensorless è più efficace quando il carico del motore è statico. Per esempio, i droni sono diventati un'applicazione comune di feedback sensorless nei servomotori DC senza spazzole perché il carico non cambia significativamente mentre il drone è in movimento e la mancanza di dispositivi di feedback gli permette di essere più leggero.

Storia

I motori DC senza spazzole sono nati all'inizio della rivoluzione digitale negli anni '60, quando siamo passati dalla tecnologia meccanica ed elettronica analogica all'elettronica digitale. I motori a corrente continua spazzolati si sono dimostrati insufficienti a sopportare le richieste di applicazioni più intense, poiché le spazzole e i commutatori si consumavano così rapidamente, così è nato il motore a corrente continua senza spazzole. La disponibilità di semiconduttori di potenza a stato solido come i MOSFET ha reso possibile il motore DC senza spazzole come prima macchina DC con commutazione a stato solido. Lo svantaggio dei primi motori DC senza spazzole era che non potevano generare una grande quantità di potenza. Quando negli anni '80 sono diventati disponibili materiali a magneti permanenti più forti, i motori brushless sono stati in grado di generare altrettanta o anche più potenza delle loro controparti spazzolate.

Innovazioni future

I motori brushless di oggi superano molte delle limitazioni dei motori brushed in quanto hanno una maggiore potenza di uscita, dimensioni più piccole, migliore efficienza, maggiore durata e un rumore elettrico molto basso. Questi vantaggi hanno anche degli svantaggi, perché i motori senza spazzole richiedono dispositivi di feedback e un controller di azionamento del motore per la commutazione elettronica, e tendono ad essere più costosi dei motori spazzolati. Tuttavia, i nuovi progressi nella tecnologia dei motori DC senza spazzole hanno permesso di realizzare degli azionamenti per motori senza sensori che renderanno questi motori più accessibili. Nella tecnologia di controllo sensorless, la posizione del rotore è determinata dal rilevamento del back EMF (forza elettromotrice) da una delle tensioni terminali del motore, eliminando la necessità di sensori Hall ed encoder. Il controllo sensorless permetterà anche ai motori DC senza spazzole di essere più piccoli, più affidabili e più durevoli a causa del minor numero di componenti.

Un'altra innovazione che diventerà presto comune nella progettazione dei motori DC senza spazzole è l'integrazione dei motori DC senza spazzole e dell'elettronica di azionamento in un unico pacchetto per creare un sistema più semplice. Con l'aumento dell'efficienza dei componenti elettronici, l'elettronica di potenza sta diventando sempre più piccola, dando agli azionamenti integrati dei motori DC senza spazzole un ruolo chiave nelle innovazioni tecnologiche

Usi/Applicazioni

A causa della loro efficienza e longevità, i servomotori DC senza spazzole sono ampiamente utilizzati in dispositivi che funzionano continuamente come gli elettrodomestici e altri dispositivi elettronici di consumo. Per le applicazioni industriali, i motori DC brushless sono una scelta popolare nei motori lineari, servomotori, motori di azionamento per estrusori e azionamenti di alimentazione per macchine utensili CNC a causa delle loro capacità di controllo del movimento affidabili e precise. I servomotori DC senza spazzole sono anche diventati il motore preferito per i droni perché forniscono molta potenza pur mantenendo dimensioni e peso ridotti. Si prevede che le applicazioni dei servomotori DC senza spazzole continueranno ad espandersi in futuro. Man mano che questi motori diventano più accessibili, è probabile che sostituiscano completamente i servomotori DC spazzolati.

Vantaggi

  • Alta densità di potenza
  • Eccellente dissipazione del calore
  • Meno manutenzione dei motori a spazzole e maggiore durata di vita
  • La commutazione elettronica permette un controllo più accurato e un maggiore risparmio energetico
  • Rumore operativo e meccanico ridotto rispetto ai motori DC spazzolati
  • Più piccolo e leggero dei motori DC spazzolati

ADVANCED Capacità di Motion Controls

  • La maggior parte dei servoazionamenti off-the-shelf funziona con motori brushless e include un'ampia varietà di opzioni di feedback e prestazioni
  • I motori brushless possono essere più difficili da configurare, ma i servoazionamenti digitali semplificano notevolmente il processo con caratteristiche come AutoCommutation

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