Da diversi anni, assistiamo alla diffusione dei motori brushless nel settore degli utensili a batteria. È fantastico, ma qual è il problema? È davvero importante, finché riesco ad avvitare quella vite da legno? Beh, sì. Ci sono differenze significative e conseguenze tra motori con spazzole e motori brushless.
Prima di addentrarci nei motori brushless e a due piedi, comprendiamo innanzitutto le basi del principio di funzionamento dei motori a corrente continua. Quando si parla di motori a corrente continua, tutto ruota attorno ai magneti. Magneti con carica opposta si attraggono. L'idea di base di un motore a corrente continua è quella di mantenere la carica elettrica opposta della parte rotante (rotore) attratta dal magnete immobile (statore) che si trova di fronte, spingendo così in avanti il motore. È un po' come mettere una ciambella al burro di Boston su un bastoncino davanti a me mentre corro: continuerò a cercare di afferrarla!
La domanda è come mantenere in movimento le ciambelle. Non esiste un modo semplice per farlo. Si inizia con un sistema di magneti permanenti (magneti permanenti). Un sistema di elettromagneti cambia carica (invertendo la polarità) durante la rotazione, quindi c'è sempre un magnete permanente con carica opposta che può muoversi. Inoltre, la carica simile sperimentata dalla bobina elettromagnetica durante il cambio di polarità la spingerà via. Quando consideriamo i motori con spazzole e i motori brushless, il modo in cui l'elettromagnete cambia polarità è la chiave.
In un motore a spazzole, ci sono quattro componenti di base: magneti permanenti, indotti, anelli di commutazione e spazzole. Il magnete permanente costituisce l'esterno del meccanismo e non si muove (statore). Uno è caricato positivamente e l'altro negativamente, creando un campo magnetico permanente.
L'indotto è una bobina o una serie di bobine che, una volta eccitate, diventano un elettromagnete. È anche la parte rotante (rotore), solitamente realizzata in rame, ma può essere utilizzato anche l'alluminio.
L'anello commutatore è fissato alla bobina dell'indotto in due (configurazione a 2 poli), quattro (configurazione a 4 poli) o più componenti. Questi ruotano con l'indotto. Infine, le spazzole di carbone rimangono in posizione e trasferiscono la carica a ciascun commutatore.
Una volta che l'indotto è energizzato, la bobina carica viene attratta verso il magnete permanente di carica opposta. Quando anche l'anello commutatore sopra di essa ruota, si sposta dalla connessione di una spazzola di carbone a quella successiva. Quando raggiunge la spazzola successiva, subisce un'inversione di polarità e viene attratta da un altro magnete permanente, pur essendo respinta dallo stesso tipo di carica elettrica. In pratica, quando il commutatore raggiunge la spazzola negativa, viene attratto dal magnete permanente positivo. Il commutatore arriva giusto in tempo per formare una connessione con la spazzola dell'elettrodo positivo e seguirla fino al magnete permanente negativo. Le spazzole sono a coppie, quindi la bobina positiva attrarrà verso il magnete negativo e la bobina negativa attrarrà verso il magnete positivo contemporaneamente.
È come se fossi un'indotto che insegue una ciambella al burro di Boston. Ci sono andato vicino, ma poi ho cambiato idea e ho optato per un frullato più sano (la mia polarità o il mio desiderio sono cambiati). Dopotutto, le ciambelle sono ricche di calorie e grassi. Ora inseguo i frullati mentre vengo respinta dalla crema Boston. Quando ci sono arrivata, ho capito che le ciambelle sono molto meglio dei frullati. Finché premo il grilletto, ogni volta che arrivo alla spazzola successiva, cambio idea e allo stesso tempo inseguo gli oggetti che mi piacciono in un cerchio frenetico. È la massima applicazione per l'ADHD. Inoltre, siamo in due lì, quindi le ciambelle al burro di Boston e i frullati vengono sempre inseguiti con entusiasmo da uno di noi, ma indeciso.
In un motore brushless, si eliminano il commutatore e le spazzole e si ottiene un controller elettronico. Il magnete permanente ora funge da rotore e ruota al suo interno, mentre lo statore è ora composto da una bobina elettromagnetica fissa esterna. Il controller fornisce energia a ciascuna bobina in base alla carica necessaria per attrarre il magnete permanente.
Oltre a spostare le cariche elettronicamente, il controller può anche fornire cariche simili per contrastare i magneti permanenti. Poiché le cariche dello stesso tipo sono opposte tra loro, questo spinge il magnete permanente. Ora il rotore si muove grazie alle forze di trazione e spinta.
In questo caso, i magneti permanenti si muovono, quindi ora siamo io e il mio compagno di corsa. Non cambiamo più l'idea di ciò che vogliamo. Sapevamo invece che io volevo le ciambelle al burro di Boston e il mio compagno i frullati.
I controller elettronici permettono ai nostri rispettivi piaceri della colazione di scorrere davanti a noi, e noi abbiamo continuato a inseguire le stesse cose per tutto il tempo. Il controller mette anche dietro di noi le cose che non vogliamo, per darci una spinta.
I motori DC con spazzole sono relativamente semplici ed economici da produrre (sebbene il rame non sia diventato più economico). Poiché un motore brushless richiede un comunicatore elettronico, si sta di fatto iniziando a integrare un computer in un utensile senza fili. Questo è il motivo per cui il costo dei motori brushless sta aumentando.
Per motivi di progettazione, i motori brushless presentano numerosi vantaggi rispetto ai motori con spazzole. La maggior parte di essi è legata alla mancanza di spazzole e commutatori. Poiché la spazzola deve essere a contatto con il commutatore per trasferire la carica, causa anche attrito. L'attrito riduce la velocità raggiungibile e allo stesso tempo genera calore. È come andare in bicicletta con freni leggeri. Se le gambe esercitano la stessa forza, la velocità rallenterà. Al contrario, se si vuole mantenere la velocità, è necessario ottenere più energia dalle gambe. Inoltre, i cerchi si riscalderanno a causa del calore da attrito. Ciò significa che, rispetto ai motori con spazzole, i motori brushless funzionano a una temperatura inferiore. Questo conferisce loro una maggiore efficienza, quindi convertono più energia elettrica in energia elettrica.
Anche le spazzole di carbone si usurano nel tempo. Questo è ciò che causa la formazione di scintille all'interno di alcuni utensili. Per mantenere l'utensile in funzione, le spazzole devono essere sostituite periodicamente. I motori brushless non richiedono questo tipo di manutenzione.
Sebbene i motori brushless richiedano controller elettronici, la combinazione rotore/statore è più compatta. Questo offre opportunità per pesi più leggeri e dimensioni più compatte. Ecco perché vediamo molti utensili come l'avvitatore a impulsi Makita XDT16 con design ultracompatto e potenza elevata.
Sembra esserci un equivoco tra i motori brushless e la coppia. Il design di un motore con o senza spazzole non è indicativo dell'entità della coppia. Ad esempio, la coppia effettiva del primo trapano a percussione a combustibile Milwaukee M18 era inferiore a quella del precedente modello con spazzole.
Tuttavia, alla fine il produttore ha realizzato alcuni aspetti molto critici. L'elettronica utilizzata nei motori brushless può fornire maggiore potenza a questi motori quando necessario.
Poiché i motori brushless ora utilizzano un controllo elettronico avanzato, sono in grado di rilevare quando iniziano a decelerare sotto carico. Finché la batteria e il motore si trovano entro l'intervallo di temperatura specificato, l'elettronica del motore brushless può richiedere e ricevere più corrente dalla batteria. Ciò consente ad utensili come trapani e seghe brushless di mantenere velocità più elevate sotto carico. Questo li rende più veloci. Di solito è molto più veloce. Alcuni esempi includono Milwaukee RedLink Plus, Makita LXT Advantage e DeWalt Perform and Protect.
Queste tecnologie integrano perfettamente i motori, le batterie e l'elettronica dell'utensile in un sistema coeso per ottenere prestazioni e tempi di esecuzione ottimali.
Commutazione: cambia la polarità della carica, avvia il motore brushless e mantienilo in rotazione. Successivamente, è necessario controllare velocità e coppia. La velocità può essere controllata modificando la tensione dello statore del motore BLDC. Modulando la tensione a una frequenza più alta è possibile controllare la velocità del motore in modo più preciso.
Per controllare la coppia, quando il carico di coppia del motore supera un certo livello, è possibile ridurre la tensione dello statore. Naturalmente, questo introduce requisiti chiave: monitoraggio del motore e sensori.
I sensori a effetto Hall offrono un modo economico per rilevare la posizione del rotore. Possono anche rilevare la velocità in base al tempo e alla frequenza di commutazione del sensore di temporizzazione.
Nota dell'editore: consulta il nostro articolo Cos'è un motore brushless senza sensori per scoprire come la tecnologia avanzata dei motori BLDC cambia gli utensili elettrici.
La combinazione di questi vantaggi ha un altro effetto: una maggiore durata. Sebbene la garanzia per motori (e utensili) con e senza spazzole dello stesso marchio sia solitamente la stessa, è possibile aspettarsi una maggiore durata per i modelli senza spazzole. Questa può solitamente estendersi di diversi anni oltre il periodo di garanzia.
Ricordate quando ho detto che i controller elettronici sono essenzialmente computer integrati nei vostri utensili? I motori brushless rappresentano anche la svolta decisiva per l'impatto degli utensili intelligenti sul settore. Senza la dipendenza dei motori brushless dalla comunicazione elettronica, la tecnologia "one-button" di Milwaukee non funzionerebbe.
Durante il lavoro, Kenny esplora a fondo i limiti pratici dei vari strumenti e ne confronta le differenze. Dopo il lavoro, la sua fede e l'amore per la famiglia sono le sue massime priorità. Di solito lo farete in cucina, in bicicletta (è un triathlonista) o porterete qualcuno a pescare nella baia di Tampa.
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Grazie per la spiegazione. È una domanda che mi pongo da tempo, visto che la maggior parte delle persone è a favore dei motori brushless (almeno come argomento a favore di utensili elettrici e droni più costosi).
Vorrei sapere: il controller rileva anche la velocità? Non è necessario sincronizzarlo? Ha degli elementi Hall che rilevano (ruotano) i magneti?
Non tutti i motori brushless sono migliori di tutti i motori con spazzole. Vorrei confrontare la durata della batteria del Gen 5X con quella del suo predecessore X4 sotto carichi da moderati a pesanti. In ogni caso, le spazzole non rappresentano quasi mai un fattore limitante. La velocità originale del motore degli utensili a batteria è di circa 20.000-25.000 giri/min. E grazie al gruppo di ingranaggi planetari lubrificati, la riduzione è di circa 12:1 nella marcia alta e di circa 48:1 in quella bassa. Il meccanismo di attivazione e i cuscinetti del rotore del motore che supportano il rotore da 25.000 giri/min nel flusso d'aria polveroso sono solitamente punti deboli.
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Data di pubblicazione: 31 agosto 2021