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Brushless DC ed AC

Domanda:

Perchè in un brushless la coppia non dipende dalla velocità? Inoltre qual è la differenza tra brushless DC e AC?

Risponde admin

Come illustrato in questa lezione, la coppia in una qualsiasi macchina rotante dipende dall'intensità dei campi magnetici di rotore e di statore e dalla loro posizione reciproca.
L'intensità dei campi dipende dai magneti permanenti, se presenti, come nel caso dei brushless e dalla corrente.
Nel caso dei brushless poi la posizione tra i due campi magnetici è mantenuta costante dal sistema di alimentazione. Tutto questo indipendentemente dalla velocità di rotazione. La coppia dipende allora unicamente dalla corrente assorbita.

La differenza tra DC ed AC brushless è nella forma della forza controelettromotrice indotta dai magneti permanenti di rotore, negli avvolgimenti di statore.
Nel DC l'andamento di tale fcem è trapezoidale; nell'AC sinusoidale.
I DC si sono diffusi prima perchè l'alimentazione da fornire è più agevole e non necessita obbligatoriamente di circuiti digitali. Sei sensori ad effetto Hall sullo statore, sensibili al campo di rotore, forniscono il segnale all'alimentatore per immettere la corrente negli avvolgimenti secondo la corretta sequenza. Il periodo elettrico di 360° è diviso in 6 parti. La corrente è mantenuta costante positiva per 120° e costante negativa per altri 120°, quando la fcem è pure costante, ed è annullata per i 60° intermedi, quando la fcem commuta da positiva a negativa e viceversa. La coppia che si ottiene è affetta da un ripple dovuto alla non perfetta sincronizzazione della commutazione delle correnti di fase.
Negli AC l'alimentazione degli avvolgimenti avviene con corrente sinusoidale in modo tale che il campo rotante dalle tre correnti trifasi sia sempre sfasato di 90° elettrici rispetto al campo dei magneti di rotore. In tal modo si ottiene una coppia perfettamente costante, dipendente solo dal valore della corrente.

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Commenti e note

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di Alan,

Salve. Sono uno studente di ingegneria dei veicoli terrestri di pisa. Citando il libro del mio professore di meccatronica "il controllo trapezoidale è preferibile per ragioni di convenienza economica per il controllo della velocità laddov l'ondulazione di coppia dovuta alla commutazione sia tollerabile" invece "il controllo sinusoidale è più costoso --- è particolarmente adatta per il controllo della velocità in tutte quelle applicazioni nelle quali la macchina azionata non tollera sensibili ondulazioni di coppia e per il controllo dell aposizione" ora poichè al tipo di controllo corrisponde poi il tipo di macchina per ovvie ragioni cioè spiega la coesistenza delle due macchine. Spero di essere stato utile al sito che in passato mi è stato più volte assai utile!

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di ,

Luca,
io non ritengo le tue risposte né inutili né un affronto, come hai detto nella nota precedente. C'è stata una discussione, e questo spazio ha questa funzione. Quello che è detto negli articoli pubblicati o nelle risposte, non è come le sacre scritture. Prima di pubblicare mi documento con scrupolo, ma non ho conoscenze ed autorità tale da garantire una verità assoluta. Tanto più in un mondo tecnico vastissimo e di difficile, se non impossibile, controllo, anche per esperti molto al di sopra del sottoscritto. Io non alcuna difficoltà a riconoscere quel che ho sbagliato. Non voglio dire di andare fiero degli errori, vorrei non farne, ma purtroppo, per quel che mi conosco, mi è impossibile. Quindi ben vengano le discussioni. Per me sono utili e, credo, anche per i visitatori attenti del sito.

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di Luca,

ok, ho controllato su un po' di testi. Effettivamente la fem nel brushless trapezoidale ha forma trapezoidale. Probabilmente nell'ultimo corso che ho seguito è stata approssimata con una sinusoide per semplificare; quello che interessa all'utilizzatore del motore è la periodicità della fem. Scusa se ho inserito risposte inutili.

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di ,

Per quale motivo la forza controelettromotriche dovrebbe essere sempre sinusoidale? Prova a costruire una macchina sincrona senza sagomare le scarpe polari opportunamente e vedrai se la fem indotta da quei magneti è comunque e sempre perfettamente sinusoidale: la fem ha la forma dell'induzione magnetica (e=B*L*v). Se l'induzione al traferro non è sinusoidale, non lo è neppure la fcem. La sinuusoidalità dell'induzione al traferro è un fatto costruttivo. Come ho già detto, io non sono un costruttore, nè un inventore, non solo di motori ma nemmeno di notizie tecniche. Sui testi, compreso quello su cui tu hai detto di avere studiato, la distinzione c'è ed è di tipo costruttivo. Che non ci sia più ragione che esistano le due tipologie, e che si costruisca solo il tipo sinusoidale per il quale si possono adottare entrambi i sistemi di pilotaggio, è un altro discorso. Su questo posso ovviamente essere d'accordo: inutile parlare dei brushless trapezoidali perché non si trovano più come non si trovano più i floppy disk da 5,25 pollici. Questa è la critica che si può fare alla risposta, data da chi si basa su una letteratura tecnica che non ha la stessa velocità di evoluzione delle tecnologie di cui tratta.

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di Luca,

Le frasi che hai citato sono un po' vaghe. A meno che il docente dell'ultimo corso che ho seguito insegni ad allievi e ricercatori cose sbagliate (ne dubito), direi che in entrambi i brushless (trapezioidale e sinusoidale) la fem è sempre sinusoidale (e questo ci è stato spiegato con parecchi dettagli). Ovvio che le spire sono costruite e disposte in un modo particolare; hanno una particolare disposizione anche nel motore passo-passo, altrimenti il rotore non girerebbe. Ed è anche vero che è grazie a quella particolare distribuzione delle spire che la fem è sinusoidale. E' l'anello di controllo ad essere diverso. L'anello misura sempre la fem sinusoidale, ne ricava il periodo (pulsazione elettrica) e i punti di attraversamento dello zero. In tal modo il sistema di reazione riesce a sincronizzare le correnti che devono scorrere nelle spire con la fem (e quindi la posizione del rotore). (etc, etc..) Mi chiedi se le citazioni sono corrette? A me un altro docente (non Magnani) ha insegnato che la fem, in entrambi gli schemi di pilotaggio, è la stessa. La differenza tra i due motori è solo la forma della CORRENTE. La forma del campo magnetico non ha poi molta importanza, una volta che conosci la forma della fem (da cui poi ricavi le informazioni per la sincronizzazione, l'andamento della coppia motrice, etc..). Comunque non prendere le mie risposte come affronti. Cerco solo di dare un aiuto.

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di ,

Luca ,
io ho citato due frasi del testo su cui hai studiato. Tu, avendolo puoi leggerlo tutto e guardare i disegni. Hai seguito il corso di Magnani. Senza girarci molto attorno: quelle frasi del libro corrispondono al vero o no?

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di Luca,

beh, la fem è sempre sinusoidale. Quello che cambia è solo la forma della corrente che viene forzata nelle spire. Io ho seguito il corso di Magnani al politecnico ed ho studiato sul libro che hai citato. Ho seguito anche un corso successivo, più incentrato sui motori e sul loro controllo. Non ho mai visto com'è fatto un motore all'interno, se non dagli schemi elettrici che ho studiato su carta. Però da quanto ho studiato ho tratto le conclusioni che ho scritto in risposta. Il motore brushless inteso come spire e rotore, in anello aperto, viene alimentato con delle tensioni, applicate sulle spire; si usa un sistema a ponte half bridge per ciascuna spira. Come il motore DC, anche il brushless ha bisogno però di un anello di retroazione. Questo anello va a leggere la fem (sinusoidale), capisce quando è necessario applicare la corrente, a quali spire e con quale periodo, e quindi fa in modo che la corrente nelle spire abbia l'andamento desiderato (rettangoli di corrente nel DC, sinusoidi nell'AC). Io ho studiato 'controllo sinusoidale in corrente' e 'controllo trapezioidale in corrente'; con controllo credo che si voglia indicare che è il controllo retroazionato a forzare una corrente nelle spire con quell'andamento. Se con brushless intendi quindi il sistema complessivo (motore + sistema di controllo), allora sì, ci sono brushless in cui passa solo una corrente DC, e brushless in cui passa una sinusoide. Comunque queste sono solo mie conclusioni, alla fine del quinto anno di ingegneria elettronica.

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di ,

Luca,
credo che occorra farlo sapere anche ai costruttori di brushless AC che si ostinano a costruire, inutilmente a quanto sembra, rotori ed avvolgimenti in modo che diano una fcem sinusoidale. Io, l'ho detto nella nota precedente, non sono un costruttore e mi sono limitato a riportare quanto si trova nella letteratura tecnica, che ho anche citato, ma sulla quale non si è fatto ancora alcun commento. Che poi si possa pilotare con corrente sinusoidale anche n DC, non lo ha negato nessuno. Anche un asincrono può essere pilotato da un sistema trifase ad onda quadra, ma non è l'alimentazione che il motore si aspetta e per la quale è stato costruito e dimensionato.

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di Luca,

Credo che l'osservazione di Marco sia corretta. In effetti non è del tutto vero che nel motore brushless DC (ossia con pilotaggio trapezoidale) iniettiamo una corrente costante, così come non è vero che nel brushless AC (pilotaggio sinusoidale) iniettiamo una corrente sinusoidale. Il motore viene comandato tramite un ponte, e ad esso verranno applicate delle tensioni. Sarà poi il sistema di controllo retroazionato che farà in modo che la corrente abbia un andamento trapezoidale o sinusoidale (con periodo uguale alla forza controelettromotrice). Per semplificare si usa dire che il motore è controllato in corrente, appunto perchè l'anello di controllo retroazionato fa in modo che la corrente abbia quel particolare andamento. Nello studio del motore brushless è comunque molto più semplice supporre che lo stiamo pilotando con una corrente, e non con una tensione. In risposta alla prima domanda: è più corretto dire che nel motore DC la coppia motrice è fissata dalla coppia di carico. Di conseguenza la coppia di carico fisserà anche la corrente che scorre nelle spire. La velocità è determinata dalla tensione applicata e dalla coppia di carico. Nel motore brushless invece imponiamo noi l'intensità della corrente che circola nelle spire, e quindi imponiamo noi il valore della coppia motrice. Ricordando l'equazione: Tm=Tl+Ta+Dw+j(dw/dt) coppia motrice = coppia di carico + attrito dinamico + attrito volvente + coppia d'inerzia. Si capisce che, in base alla coppia Tm che ho imposto (tramite la corrente) avrò una certa velocità w a regime. Per imporre quindi una certa w è necessario cambiare l'ampiezza della corrente I che scorre nel motore. (tutto questo non viene fatto in anello aperto, ma in anello chiuso con un controllo di corrente e di velocità). Da uno studente del politecnico

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di Pio Bacchin,

Credo che la nota di Marco sia sostanzialmente frutto di sua esperienza diretta.Certamente i motori brushless DC possono funzionare con f.c.e.m. sinusoidale ma potrebbe esserci qualche problema di rendimento o di potenza che dipenderebbero da quanto dice Zeno Martini. Personalmente non sopporto preclusioni del tipo "ipse dixit", perciò se Marco ha tempo e pazienza di esporre la sua esperienza senza timori di giudizi ritengo faccia cosa gradita a tutti.

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di ,

Sarà anche vero quel che dice il non meglio identificato Marco, ma ai lettori di EP, desidero rendere noto che il suddetto Marco deve inoltrare la sua verità anche ai prof. Gianni Ferretti, Gian Antonio Magnani e Paolo Rocco del Politecnico di Milano, autori del libro "Tecnologie e sistemi di controllo" edito da McGraw-Hill , che a pag. 166 al cap. 6, par. 6.3.3 intitolato "Il motore brushless sinusoidale" affermano:
"La differenza fondamentale fra un brushless trapezoidale ed uno sinusoidale consiste nella differente funzione di forma ottenuta per le forze elettromotrici indotte". Più avanti continuano: "configurando opportunamente i magneti permanenti posti sul rotore è possibile ottenere una distribuzione sinusoidale del campo magnetico".
Se poi prendiamo un altro testo Meccanica degli azionamenti" di G.Legnani, M. Tiboni, R.Adamini edito dalla Società editrice Esculapio e realizzato presso l'università degli studi di Brescia, troviamo, al paragrafo 5.7.2 intitolato "Motori a f.c.e.m sinusoidale (A.C. brushless):
"I magneti permanenti del rotore sono magnetizzati opportunamente e gli avvolgimenti di statore sono realizzati in modo che quando il rotore ruota a velocità costante nello statore si generano forze contro elettromotrici sinusoidali. Questo garantisce che alimentando gli avvolgimenti con corrente di fase sinusoidale si ottiene un campo magnetico di modulo e velocità angolare costanti".

Ora io non sono un costruttore di brushless, né ho alcuna particolare autorità in questo campo. Sono semplicemente uno studioso che, in questo caso, ha ritenuto di esporre alcune delle fonti cui fa riferimento. Possono essere anche errate, ma finché Marco non si qualifica come fonte sicuramente più autorevole, non posso che ribadire quanto finora ho potuto appurare.
Marco, lo spazio in Electroportal c'è, non solo per fare affermazioni come quelle che hai fatto tu, ma anche per documentarle con articoli adeguati. Non devi far altro che spedirli e sarà fatta chiarezza.Oppure puoi anche citare testi, o note tecniche di costruttori, link, insomma qualcosa che vada oltre l'anonimato di un qualsiasi Marco e che possa mettere sulla retta via i lettori di Electroportal che spesso credono di trovare nozioni valide. EP può sbagliare ma non lo fa con leggerezza e superficialità e, soprattutto, non vuole ingannare né raccontar frottole ad alcuno. Ben venga chi ne corregge gli errori dunque, ma in modo che sia credibile.

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di Marco,

In realtà la differenza tra brushless AC e DC dipende dal driver collegato e non dal motore stesso. Tutti i motori brushless possono essere pilotati sia con corrente trapezoidale che sinusoidale. Cambia solo il metodo di controllo. Parlare di brushless AC e DC è quindi sostanzialmente errato!

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di bruno greppi,

scusate la mia ignoranza ma un motore brushless può avere l'avvolgimento su supporti non magnetici? ho sentito di motori avvolti in aria o addirittura di avvolgimenti sostituiti da circuiti stampati su vetronite

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di ,

Brushless significa semplicemente senza spazzole. In teoria sul rotore ci possano essere avvolgimenti, ma in realtà il brushless ha magneti permanenti. La coppia poi dipende dalla corrente assorbita e non dalla velocità. Alla velocità è legata la tensione, come nei motori cc ad eccitazione indipendente e nei sincroni

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di Anonimo,

Con brushless AC si intende un motore sincrono che può essere anche senza magneti permanenti ma con avvolgimento di rotore.Il nome brushless deriva dal fatto che,grazie alla rappresentazione delle grandezze di rotore e statore in sistemi di riferimento rotanti,si riesce a modellare il motore come un normale motore in DC.La coppia dipende sempre dalla velocità, solo che alimentando a frequenza variabile attraverso inverter, si riesce ad avere una coppia con valor medio diverso da zero a tutte le velocità.

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