I moderni motori AC trifase senza spazzole (come i PMSM - motori sincroni a magneti permanenti, ampiamente utilizzati nei veicoli elettrici e negli elettrodomestici di fascia alta) utilizzano un circuito inverter a semiponte trifase. Questo fa circolare correnti alternate sinusoidali trifase negli avvolgimenti dello statore, generando un campo magnetico rotante uniforme che trascina il rotore a magneti permanenti in una rotazione sincrona, fluida ed efficiente.
Lo statore ha tre avvolgimenti di fase (A, B, C) distribuiti simmetricamente a 120° nello spazio fisico. Quando correnti alternate trifase sfasate nel tempo vengono iniettate in questi avvolgimenti, i campi magnetici generati si combinano per formare un unico campo magnetico rotante.
I motori senza spazzole non hanno spazzole fisiche; la loro commutazione dipende da un inverter elettronico. Il circuito è composto da 6 MOSFET (interruttori lato alto e lato basso per ciascuna fase A, B e C). Un MCU controlla le loro sequenze de commutazione per convertire la tensione continua del bus in corrente alternata trifase che scorre negli avvolgimenti.
L'inverter controlla la direzione e l'intensità delle correnti in modo che la direzione del polo magnetico combinato dello statore ruoti rapidamente al centro del motore come un semaforo invisibile. Il rotore a magneti permanenti (S/N) è fortemente attratto e segue il campo magnetico in perfetta sincronizzazione, ottenendo un funzionamento stabile e rapido.
I motori AC senza spazzole sono generalmente pilotati da un inverter trifase a ponte intero. Il pannello a sinistra mostra la sezione trasversale del motore e le linee di flusso magnetico (tre poli A, B e C; il rosso indica che la corrente in ingresso genera un polo N, il blu indica che la corrente in uscita genera un polo S). Il pannello a destra mostra lo stato di conduzione del circuito del ponte inverter trifase a 6 MOSFET. Commutando i transistor di lato alto e lato basso, la corrente entra in alcuni avvolgimenti ed esce da altri. Questo fa ruotare il campo magnetico sintetizzato a passi di 60° (modo rettangolare a 6 passi) o 30° (modo di mezzo passo vettoriale a 12 passi), facendo girare il rotore.
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| Passo | Angolo risultante | Ponte Fase A (AH / AL) | Ponte Fase B (BH / BL) | Ponte Fase C (CH / CL) | Flusso di corrente nelle bobine | Polo magnetico dello statore |
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La differenza fondamentale risiede nella fonte di alimentazione, nel meccanismo di generazione del campo magnetico, nel sistema di commutazione e nei metodi di controllo:
I motori DC sono alimentati da corrente continua (DC) costante. La regolazione della velocità si ottiene semplicemente variando la tensione DC. I motori AC sono alimentati da corrente alternata (AC) che cambia direzione e intensità in modo ciclico. La velocità si controlla principalmente cambiando la frequenza della AC (controllo con inverter di frequenza).
I motori DC con spazzole tradizionali utilizzano collettori in rame e spazzole di carbone per la commutazione meccanica. Al contrario, i motori AC senza spazzole (PMSM) non hanno spazzole. Utilizzano inverter elettronici controllati da algoritmi avanzati per commutare i MOSFET e fornire correnti alternate sinusoidali trifase continue agli avvolgimenti.
Dipende dall'applicazione, ma in termini di efficienza e limiti di prestazioni, i motori AC senza spazzole trifase (PMSM) sono la scelta migliore:
I veicoli elettrici (come Tesla) e gli elettrodomestici di alta gamma utilizzano PMSM. Le bobine che generano calore sono posizionate sullo statore (consentendo la dissipazione diretta del calore attraverso la carcassa esterna), mentre il rotore è costituito da magneti permanenti ad alte prestazioni. Senza l'attrito delle spazzole e le perdite energetiche da scintille, l'efficienza di conversione dell'energia raggiunge il 90%–96%.
I motori con spazzole subiscono perdite per attrito e scintille di commutazione a causa del contatto fisico continuo tra le spazzole di carbone e il collettore rotante. Questa energia viene dissipata sotto forma di calore e scintille. Inoltre, gli avvolgimenti del rotore rotante generano molto calore che è difficile da dissipare, riducendo l'efficienza generale.
La differenza principale risiede nel metodo di commutazione:
| Dimensione | Motore con spazzole (Brushed) | Motore senza spazzole (Brushless) |
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| Commutazione | Contatto fisico e attrito tra spazzole + collettore per commutare la corrente. | Commutazione elettronica tramite ponte inverter + MCU, senza alcun contatto fisico. |
| Vida útil y Mantenimiento | Durata più breve (tipicamente centinaia di ore). Le spazzole si usurano e devono essere sostituite. | Durata estremamente lunga (limitata dai cuscinetti, decine di migliaia di ore), senza manutenzione. |
| Rumore e Interferenze | Rumore meccanico elevato a causa dell'attrito. Le scintille generano forti interferenze elettromagnetiche. | Senza scintille né attrito. Funzionamento estremamente silenzioso ed eccellente compatibilità elettromagnetica. |
| Complessità del controllo e Costo | Molto semplice. Funziona non appena collegato a una fonte di corrente continua. Economico. | Richiede un controller elettronico dedicato (ESC/inverter), aumentando il costo del sistema. |