Il motore DC, chiamato anche motore a corrente continua, rientra nella categoria dei motori elettrici e serve principalmente a trasformare l’energia elettrica in energia meccanica. In questo contesto, la maggior parte delle forme costruttive del motore DC si basano su forze magnetiche e dispongono di meccanismi interni di tipo elettronico o elettromeccanico. Un elemento caratteristico dei motori a corrente continua convenzionali è costituito inoltre dal commutatore, che modifica periodicamente la direzione del flusso di corrente all’interno del motore. Una variante più potente del classico motore DC, concepito per numerosi settori di applicazione, è costituito dal motore DC brushless (senza spazzole), che rinuncia ai contatti striscianti e offre pertanto una maggiore durata.
Nonostante l’uso sempre più frequente e la grande rivalità con i motori AC, che in quanto motori a corrente alternata rientrano anch’essi tra i motori elettrici, i motori DC rivestono ancora oggi enorme importanza. Grazie alle loro caratteristiche – in particolare la possibilità di regolare con precisione ed estrema variabilità il numero di giri e la coppia – trovano impiego in svariate applicazioni industriali. Ne sono un esempio i servoazionamento della serie PMA di Harmonic Drive AG, composti da un motore a corrente continua altamente dinamico dotato di encoder incrementale e dal riduttore PMG. Sono ideali per applicazioni nel settore dei semiconduttori, della tecnica medicale così come per l’impiego in apparecchiature di prova e misura.
Struttura e funzionamento del motore DC
La struttura del classico motore DC si basa su una forma costruttiva semplice e comprende un numero di componenti relativamente basso. Gli elementi fondamentali sono in primo luogo lo statore e il rotore. Lo statore, in quanto elemento fisso, è costituito per lo più da un elettromagnete oppure – soprattutto nelle macchine piccole – da un magnete permanente. All’interno dello statore è collocato insieme al rotore, chiamato anche indotto, un componente rotante, che nei motori DC convenzionali è costituito anch’esso da un elettromagnete. I motori a corrente continua in cui statore e rotore sono disposti come descritto sopra sono chiamati rotori interni, mentre una struttura invertita corrisponde al cosiddetto rotore esterno.
Gli avvolgimenti del rotore vengono collegati tramite un commutatore, che serve a invertire la polarità e contiene al suo interno dei contatti striscianti aventi forma di spazzole e realizzati con un materiale conduttore. I materiali più apprezzati sono la grafite e, a seconda dell’applicazione specifica del motore, da materiali arricchiti con metallo. Durante il funzionamento i contatti striscianti sono fondamentali per la funzionalità del motore DC convenzionale. Infatti, quando la corrente continua percorre l’avvolgimento del rotore, ovvero il rotore, questo si trasforma in un elettromagnete e grazie alle caratteristiche dello statore produce un campo magnetico. Poiché i poli uguali si respingono e quelli opposti si attraggono, si produce un movimento rotatorio del rotore, che in linea di principio verrebbe ad arrestarsi in una zona neutra. Per garantire una rotazione continua, è necessario che si verifichi un’inversione periodica della direzione della corrente. Con l’aiuto delle spazzole, il commutatore del motore a corrente continua procede regolarmente all’inversione di polarità.
La distinzione in termini di costruzione dei motori DC con spazzole può essere approfondita inoltre in base al tipo di collegamento dell’indotto e dell’avvolgimento dello statore. Nella macchina a collegamento in serie, l’avvolgimento di eccitazione e l’avvolgimento del rotore sono in serie, ovvero collegati in sequenza, il che costituisce la base dell’alimentazione a corrente alternata. Il pendant è costituito dalla macchina eccitata in parallelo, in cui i due avvolgimenti sono collegati in parallelo. La combinazione tra macchina a collegamento in serie e macchina a collegamento in parallelo dà vita al motore compound che, a seconda del dimensionamento, supporta diverse caratteristiche di funzionamento e sfrutta i vantaggi dei due tipi di costruzione.
Commutazione nei motori DC brushless
Al motore DC con spazzole si contrappone il motore DC senza spazzole (in inglese Brushless DC Motor, in breve BLDC). Come indica il suo nome, questa forma costruttiva differisce in modo significativo dalla costruzione classica poiché non utilizza contatti striscianti meccanici quali spazzole. La commutazione meccanica è sostituita da un commutatore elettronico, che segue la posizione del rotore per mezzo di un sensore e consente una commutazione elettronica. Grazie all’integrazione, ad esempio, di algoritmi di regolazione, in molti settori di applicazione è possibile eseguire inoltre una commutazione senza sensori. La struttura del motore DC senza spazzole è quindi equivalente a quella di un motore sincrono non smorzato, anche se offre possibilità di controllo più versatili e grazie all’elettronica dell’inverter consente l’alimentazione con corrente continua. Spesso i motori DC brushless, o più esattamente, le bobine magnetiche dello statore integrato sono realizzate a tre fasi.
Motori DC brushless e a spazzole a confronto
La scelta tra un motore DC brushless o a spazzole ha conseguenze profonde e dovrebbe essere presa in base ai requisiti dell’applicazione in questione, poiché le caratteristiche prestazionali delle due costruzioni presentano talvolta differenze significative. Vanno presi in considerazione anche fattori quali costi di acquisto e di manutenzione.
Gli effetti e le differenze dei sistemi di commutazione con e senza spazzole vanno considerati soprattutto in vista della vita utile del motore a corrente continua. Poiché i contatti striscianti, ovvero le spazzole, sono componenti fisici ad azione meccanica, sono costantemente soggetti a usura e la loro durata utile è pertanto limitata. Elevate velocità, vibrazioni e fattori simili rappresentano sollecitazioni supplementari che incidono significativamente sulla durata utile delle spazzole. In compenso, la durata utile dei motori CD brushless è limitata unicamente dal cuscinetto a sfere integrato e può essere calcolata in modo molto realistico. L’assenza di attrito meccanico permette di evitare i rischi di scintillamento, ossia la formazione di scintille sul commutatore. Le spazzole limitano inoltre l’impiego in specifiche condizioni ambientali; per le applicazioni in alto vuoto si utilizzano ad esempio solo motori DC brushless.
Nel confronto diretto con i motori a spazzole, i motori DC brushless presentano diversi vantaggi in termini di prestazioni. Questi possono variare in base alle applicazioni e assumere caratteristiche diverse, di norma però comprendono un’elevata coppia di avviamento, un controllo estremamente preciso e più resistente alle oscillazioni di carico nonché velocità più elevate.
La variante con spazzole presenta dei vantaggi nel funzionamento – per mettere in movimento il rotore è sufficiente alimentare con tensione due collegamenti. Sono pochi i tipi di motori così facili da azionare. I motori DC brushless, invece, necessitano di un sistema di commutazione elettronico e richiedono una messa in funzione ben più impegnativa. Il sistema elettronico citato in precedenza e i sensori spesso utilizzati nei motori a corrente continua senza spazzole fanno tendenzialmente lievitare i costi di acquisto, pertanto va considerato anche l’aspetto economico.
Settori di applicazione dei motori DC con e senza spazzole
Grazie alla grande varietà di costruzioni tecniche i motori DC sono parte integrante delle applicazioni più varie e sono utilizzati in tutti i settori. In particolare, il controllo relativamente semplice del numero di giri e della coppia, la possibilità di regolazione precisa e anche l’elevata dinamica consentono un’ampia gamma di applicazioni.
Il motore DC con spazzole, quale tipologia di motore convenzionale e rodato, non richiede o richiede solo pochi componenti esterni e può pertanto essere utilizzato anche in condizioni ambientali gravose. Costituiscono applicazioni idonee tra l’altro torni e rettificatrici, convogliatori e aspirapolvere. Ma anche compressori, rotative e ascensori possono essere azionati con motori DC dotati di spazzole.
Nel caso in cui, come avviene nel settore della robotica, deve essere garantito un controllo estremamente preciso nonché una velocità ridotta, si utilizzano motori DC con magnete permanente integrato. Grazie ai numerosi vantaggi in termini di prestazioni rispetto ai motori DC con spazzole, la gamma di applicazioni delle varianti brushless è in costante crescita. In numerosi settori e sub settori di variegati rami economici i motori DC brushless hanno già soppiantato la variante con spazzole.
L’impiego di motori a corrente continua brushless nell’industria si concentra prevalentemente su applicazioni dell’ingegneria di produzione e dell’automazione industriale. Sono soprattutto i sistemi di motion-control, di comando e posizionamento a sfruttare le caratteristiche di questa tipologia di motore. Un esponente di spicco della famiglia dei motori DC brushless sono i motori passo passo, utilizzati soprattutto nel controllo di posizione in sistemi di regolazione ad anello aperto. In molti ambienti industriali i motori passo passo supportano processi automatizzati e sono impiegati, tra l’altro, nelle macchine per processi pick-and-place.
L’impiego di motori a corrente continua brushless è particolarmente apprezzato nel modellismo aereo e in particolare nei droni. In questo settore è prioritario il rapporto tra potenza e peso nonché la scelta tra diverse grandezze della tipologia di motore. Infatti, mentre in passato i motori a combustione alimentavano, per via del loro profilo, modelli aerei relativamente grandi e pesanti, i motori DC brushless compatti consentono di realizzare modelli leggeri.