Cos’è un motore a spazzole? Una guida completa: dalla struttura e dal funzionamento alle caratteristiche

I motori a spazzole vengono utilizzati in un’ampia gamma di settori, come quello delle apparecchiature industriali, dei dispositivi medici e dei sistemi di sicurezza. Grazie alla loro struttura semplice e alla facilità di controllo, sono la scelta preferita di molti ingegneri che si occupano di sviluppo prodotti.

D’altra parte, non sono pochi i tecnici che hanno esigenze del tipo: “Voglio capire bene come funziona un motore a spazzole”, “Voglio scegliere il motore più adatto ai nostri prodotti” o “Voglio capire chiaramente la differenza rispetto ai motori brushless”.

In questo articolo spiegheremo in modo esaustivo, dal punto di vista tecnico, la struttura di base dei motori a spazzole, il loro principio di rotazione, il principio di generazione di energia e le loro caratteristiche pratiche. Presenteremo anche alcuni punti chiave per la scelta dei motori, utili per lo sviluppo dei prodotti sia per gli ingegneri alle prime armi che per quelli più esperti, quindi ti invitiamo a leggere fino alla fine.

Struttura di base e principio di funzionamento del motore a spazzole

Il motore a spazzole è un motore dalla struttura semplice che può essere alimentato con corrente continua.

Il motore a spazzole è composto da quattro componenti principali: rotore, statore, spazzole e commutatore. Il meccanismo funziona così: la corrente fornita dall’alimentatore in corrente continua passa attraverso le spazzole e raggiunge il commutatore, per poi fluire negli avvolgimenti del rotore, generando una forza di rotazione basata sulla legge della mano sinistra di Fleming.

Grazie al contatto meccanico tra le spazzole e il commutatore, si verifica il “fenomeno di commutazione”, per cui la direzione della corrente cambia meccanicamente in base alla rotazione del rotore, consentendo così una rotazione continua. La caratteristica principale di questo meccanismo è proprio la sua semplicità: basta collegarlo direttamente a un’alimentazione in corrente continua per farlo funzionare, senza bisogno di circuiti di controllo esterni.

Cosa tratteremo in questa sezione

• Il ruolo del rotore e dell’avvolgimento
• L’azione di commutazione tramite spazzole e commutatore
• La legge della mano sinistra di Fleming e il principio di rotazione

Cominciamo col capire le strutture e i principi di base.

Il ruolo del rotore e dell’avvolgimento

Alcuni motori a spazzole sono costituiti da un rotore composto da bobine di avvolgimento fissate all’asse di rotazione e da un nucleo di ferro; quando la corrente passa attraverso le bobine, si genera un campo magnetico. L’interazione tra il campo magnetico generato e i magneti permanenti (o elettromagneti) dello statore produce una coppia di rotazione, che viene convertita in un movimento rotatorio continuo.Il nucleo in ferro del rotore è generalmente costituito da lamiere di acciaio magnetico stratificate, con un design pensato per aumentare l’efficienza magnetica e ridurre al contempo le perdite per correnti parassite.

Le caratteristiche di coppia e la velocità di rotazione dipendono dalla progettazione dell’avvolgimento e dal numero di poli, quindi è necessario ottimizzarle in base all’applicazione. Ad esempio, se si aumenta il diametro del filo dell’avvolgimento, la resistenza diminuisce e si può far passare più corrente, il che rende più facile ottenere una coppia elevata; d’altra parte, dato che lo stesso spazio consente un numero minore di spire, la costante di velocità (Kv) aumenta e le caratteristiche tendono verso una rotazione più veloce.

Al contrario, se si aumenta il numero di spire utilizzando fili sottili, la resistenza aumenta e la corrente che scorre diminuisce; però, con l’aumentare del numero di spire, il coefficiente di coppia (Kt) cresce, il che rende il motore più incline a fornire una coppia potente ai bassi regimi.
In questo modo, combinando il diametro del filo e il numero di spire dell’avvolgimento, è possibile regolare l’equilibrio tra coppia e velocità di rotazione.

Poiché nei dispositivi medici e ottici è richiesto un controllo della rotazione di alta precisione, la progettazione dell’avvolgimento è un fattore determinante per le prestazioni del prodotto. Nei utensili industriali si dà priorità alla coppia elevata, mentre nei dispositivi di sicurezza si punta sul risparmio energetico: per ogni applicazione è quindi necessaria una progettazione dell’avvolgimento su misura.

L’azione di rettifica tramite spazzole e commutatore

Le spazzole sono componenti conduttivi fissi che forniscono corrente entrando in contatto con il commutatore rotante.Per i materiali delle spazzole si usano carbonio e leghe di metalli preziosi, dando grande importanza all’equilibrio tra conduttività e resistenza all’usura. Il commutatore è un componente cilindrico suddiviso in più segmenti; il suo meccanismo funziona così: a seconda dell’angolo di rotazione del rotore, il punto di contatto con le spazzole cambia, invertendo meccanicamente la direzione della corrente che scorre nell’avvolgimento.

Maggiore è il numero di segmenti, più fluida sarà la commutazione e minore sarà l’ondulazione di coppia (variazioni di rotazione). Quando il rotore gira, le spazzole passano da un segmento all’altro, invertendo la direzione della corrente al momento giusto e generando sempre una forza di rotazione nella stessa direzione. Grazie a questa commutazione meccanica, è possibile ottenere una rotazione continua e stabile senza bisogno di un controllo esterno.

È proprio il contatto tra il commutatore e le spazzole a garantire un funzionamento affidabile nonostante la struttura semplice, ed è questo che fa dei motori a spazzole dei dispositivi così affidabili. Il fatto che siano stati utilizzati per tanti anni in diversi settori, come quello delle apparecchiature industriali e dei sistemi di sicurezza, dimostra l’affidabilità di questo meccanismo di commutazione.

La legge della mano sinistra di Fleming e il principio di rotazione

Il principio di rotazione del motore a spazzole si basa sulla legge della mano sinistra di Fleming. Secondo questa legge, quando allarga la mano sinistra con il pollice, l’indice e il medio ad angolo retto tra loro, se allinea il medio con la direzione della corrente e l’indice con quella del campo magnetico, il pollice indica la direzione della forza.

Il principio funziona così: quando si fa passare una corrente attraverso un conduttore (avvolgimento) posto in un campo magnetico, si genera una forza in direzione perpendicolare sia alla corrente che al campo magnetico. Questa forza produce una coppia di rotazione sul rotore e, grazie alla commutazione della direzione della corrente effettuata dal commutatore e dalle spazzole, il rotore ruota continuamente nella stessa direzione.

Anche se varia a seconda del progetto, ad ogni angolo prestabilito del rotore si cambia segmento del commutatore e, con il cambio di direzione della corrente che scorre nell’avvolgimento, la direzione della forza di rotazione rimane sempre costante. È proprio grazie a questa commutazione continua che si mantiene un movimento rotatorio fluido.

È proprio un principio fisico semplice e chiaro a garantire l’elevata affidabilità e controllabilità dei motori a spazzole. Il fatto che siano stati utilizzati per tanti anni in diversi settori, come quello delle apparecchiature industriali e dei sistemi di sicurezza, dimostra quanto sia solido questo principio di base.

Principio di generazione e caratteristiche del motore a spazzole

Il motore a spazzole è reversibile, nel senso che funziona non solo come motore, ma anche come generatore (dinamo). Un generatore (dinamo) è un dispositivo che converte il movimento rotatorio in energia elettrica, e il motore a spazzole è dotato proprio di questa capacità di conversione bidirezionale.

Quando viene fatto ruotare meccanicamente dall’esterno, nei avvolgimenti si genera una forza elettromotrice che permette di ricavare corrente continua tramite le spazzole e il commutatore. Questo principio di generazione di energia svolge un ruolo importante anche durante il funzionamento del motore, sotto forma di “forza controelettromotrice (Back EMF)”.

Quando il motore gira, si genera una forza controelettrica che, limitando la corrente di alimentazione, permette un autocontrollo in base alla velocità di rotazione. Inoltre, in caso di arresto improvviso, la forza controelettrica aumenta, consentendo di regolare la forza frenante tramite il freno a cortocircuito.

Cosa tratteremo in questa sezione

• Forza controelettromotrice (Back EMF) e caratteristiche di coppia
• Come funziona la frenata a corto circuito
• Il rapporto tra tensione, corrente e velocità

Comprendere i principi di generazione dell’energia e le relative caratteristiche ti permette di applicarli alla progettazione ottimale dei sistemi di controllo della velocità e di frenata.

Forza controelettromotrice (BACK EMF) e caratteristiche di coppia

Quando il motore gira, la forza controelettrica generata dal passaggio degli avvolgimenti attraverso il campo magnetico agisce in senso opposto alla tensione applicata, riducendo di fatto la corrente che scorre. Poiché l’intensità della forza controelettrica è esattamente proporzionale alla velocità di rotazione, più veloce è la rotazione, maggiore è la forza controelettrica generata; di conseguenza, la corrente viene limitata.

Per questo motivo, presenta una caratteristica di autoregolazione per cui, in assenza di carico, gira a velocità elevata, mentre all’aumentare del carico la velocità di rotazione diminuisce e la coppia aumenta.

In pratica, la differenza di tensione tra la tensione applicata e la forza controelettrica è la tensione effettiva che aziona il motore.Quando la coppia di carico aumenta, la velocità di rotazione diminuisce e la forza controelettromotrice si riduce; di conseguenza, scorre una corrente maggiore che genera la coppia necessaria. Poiché l’entità della forza controelettromotrice è proporzionale alla velocità di rotazione, questo principio viene applicato anche alla regolazione senza sensore di velocità.

Grazie a questa caratteristica, è possibile monitorare lo stato di funzionamento del motore anche senza sensori esterni, contribuendo così a semplificare il sistema di controllo e a ridurre i costi. Nei dispositivi medici e negli utensili industriali, la capacità di adattarsi alle variazioni di carico sfruttando questa caratteristica di autoregolazione è molto apprezzata.

Come funziona la frenata in cortocircuito

Se si cortocircuita il terminale del motore, il rotore, che gira per inerzia, funziona come un generatore (dinamo) e la corrente scorre nel circuito di cortocircuito. È proprio l’interazione di questa corrente con il campo magnetico che genera la coppia frenante che ostacola la rotazione.Poiché l’entità della coppia frenante è proporzionale alla velocità di rotazione, si ottiene una forza frenante maggiore quanto più alta è la velocità di rotazione, mentre questa forza si riduce gradualmente man mano che ci si avvicina all’arresto.

A differenza dei freni meccanici, non c’è usura dei componenti né generazione di calore dovuta all’attrito, quindi le prestazioni non tendono a peggiorare nemmeno con azioni di frenata ripetute. Dato che il freno di emergenza non utilizza l’attrito meccanico, è uno dei sistemi di frenata elettrici più efficaci per le applicazioni che richiedono un posizionamento di precisione o un arresto di emergenza.

Viene spesso utilizzato in situazioni che richiedono un arresto fluido e preciso, come l’azionamento degli endoscopi o il controllo delle lenti delle telecamere nei dispositivi medici. Inoltre, nel controllo dei bracci dei robot industriali, viene impiegato anche come meccanismo di sicurezza per arrestare all’istante qualsiasi movimento imprevisto.

Il rapporto tra tensione, corrente e velocità

La velocità di rotazione di un motore a spazzole è quasi proporzionale alla tensione applicata, mentre la coppia è proporzionale alla corrente. Ad esempio, se applichi 6 V a un motore da 12 V, in teoria funzionerà a circa la metà del numero di giri nominale.A vuoto, grazie alla forza controelettrica, la corrente scende al minimo e il motore gira velocemente; quando il carico aumenta, però, la velocità di rotazione cala e la forza controelettrica diminuisce, quindi passa più corrente e la coppia aumenta.

Nel controllo effettivo, grazie alla modulazione PWM (modulazione di larghezza di impulso) è possibile regolare il valore efficace della tensione e controllare liberamente la velocità di rotazione.Il meccanismo funziona così: variando il rapporto di ciclo, cambia la tensione media fornita al motore, consentendo un controllo fluido della velocità. Comprendere questa caratteristica permette di definire le specifiche dell’alimentatore, progettare i circuiti di pilotaggio e scegliere il motore più adatto in base alle condizioni di carico.

In applicazioni caratterizzate da forti variazioni di carico, come gli utensili industriali o le apparecchiature mediche, è necessario progettare tenendo conto di questa relazione tra tensione, corrente e velocità. Nelle serrature elettroniche dei dispositivi di sicurezza è molto apprezzata la capacità di avviarsi in modo affidabile anche a bassa tensione, mentre nelle apparecchiature ottiche è richiesto un controllo preciso della velocità.

Caratteristiche pratiche dei motori a spazzole e criteri di scelta nelle applicazioni industriali

I motori a spazzole sono utilizzati in tantissimi settori grazie alla loro struttura semplice e alla facilità di controllo. Bastano collegarli direttamente a un’alimentazione in corrente continua per farli funzionare e, rispetto ad altri sistemi, i circuiti di controllo tendono ad essere più semplici, il che aiuta a ridurre i costi e a rendere più compatto l’intero sistema.

D’altra parte, il contatto meccanico tra le spazzole e il commutatore richiede una manutenzione periodica e una gestione della durata di vita. Inoltre, le scintille e il rumore che si generano nei punti di contatto sono fattori da tenere in considerazione negli ambienti a prova di esplosione e nelle applicazioni che richiedono un controllo di alta precisione.

Cosa tratteremo in questa sezione

• Vantaggi: struttura semplice e maneggevolezza
• Svantaggi: usura delle spazzole e gestione della loro durata
• Esempi di applicazioni industriali e scelta dell’uso ottimale

Valuta in modo globale il rapporto tra costi e prestazioni, la facilità di manutenzione e le condizioni ambientali, e scegli il motore più adatto alle tue esigenze.

Vantaggio: struttura semplice

Il vantaggio principale dei motori a spazzole è che hanno una struttura semplice e non richiedono circuiti di controllo esterni. A differenza dei motori brushless e dei motori passo-passo, non necessitano di circuiti integrati di pilotaggio dedicati né di schede di controllo complesse, il che permette di ridurre il numero di componenti dell’intero sistema.

【I principali vantaggi dei motori a spazzole】

• Basta collegarlo direttamente a un’alimentazione in corrente continua per farlo funzionare
• Il controllo della velocità è facile grazie alla regolazione della tensione e al controllo PWM
• I costi di produzione sono relativamente bassi
• Si adatta bene anche alla produzione di piccoli lotti

Si possono utilizzare in un’ampia gamma di fasi di sviluppo, dalla prototipazione alla produzione in serie, e proprio questa praticità è il motivo per cui sono apprezzati da anni in molti settori industriali. La facilità con cui si possono integrare i motori a spazzole rappresenta un grande vantaggio sia per verificare il funzionamento nelle prime fasi di sviluppo, sia per progettare prodotti a costi contenuti.

Soprattutto nello sviluppo di nuovi prodotti, l’approccio più comune consiste nel verificare innanzitutto il funzionamento di base con un motore a spazzole e poi, se necessario, valutare il passaggio ad altri tipi di motore. Inoltre, questo permette di semplificare la progettazione dei circuiti di alimentazione e, nel caso di dispositivi portatili alimentati a batteria o di sistemi di sicurezza, questa caratteristica si traduce direttamente in una riduzione dei tempi di sviluppo e dei costi.

Svantaggi: usura delle spazzole e gestione della durata

A causa del contatto meccanico tra le spazzole e il commutatore, l’uso prolungato provoca un progressivo logorio. Man mano che l’usura aumenta, le prestazioni del motore diminuiscono e alla fine si verificano malfunzionamenti; per questo è necessaria una manutenzione periodica in base alle ore di utilizzo e alle condizioni ambientali.

Inoltre, le minuscole scintille che si generano nei punti di contatto sono fonte di rumore elettrico; per questo, nelle applicazioni che richiedono un controllo di precisione o comunicazioni wireless, è necessario adottare misure adeguate. Poiché è richiesta una progettazione che tenga conto della durata e della facilità di manutenzione, nelle applicazioni che richiedono un funzionamento continuo per lunghi periodi o in ambienti in cui la manutenzione è difficile, è necessario valutare anche altre tipologie di motori.

Esempi di applicazioni industriali e scelta dell’uso ottimale

I motori a spazzole vantano una comprovata esperienza in diversi settori, dalle apparecchiature mediche agli utensili industriali.

In particolare, è adatto a prodotti di massa in cui conta soprattutto il costo e ad applicazioni che richiedono un controllo semplice.

Noi di C.I. C.I. Takiron occupiamo di selezionare i motori più adatti alle tue esigenze e specifiche tecniche, offrendoti soluzioni personalizzate. Grazie alla nostra pluriennale esperienza, forniamo micromotori di alta qualità: se hai bisogno di aiuto nello sviluppo dei tuoi prodotti, non esitare a contattarci.

Riepilogo

Il motore a spazzole è un motore dalla struttura semplice che può essere alimentato con corrente continua grazie all’azione di commutazione meccanica esercitata dalle spazzole e dal commutatore. Grazie al principio di rotazione basato sulla regola della mano sinistra di Fleming e alle caratteristiche di autoregolazione dovute alla forza controelettrica, viene utilizzato in un’ampia gamma di settori industriali.

Se da un lato la semplicità della struttura e la facilità di controllo rappresentano grandi vantaggi, dall’altro ci sono anche degli svantaggi, come la durata limitata dovuta all’usura delle spazzole, la necessità di manutenzione e la produzione di rumore. Valutare in modo globale l’applicazione e le condizioni ambientali e scegliere il motore più adatto è fondamentale per il successo dello sviluppo del prodotto.

Informazioni sui prodotti e richieste di informazioni

Per maggiori dettagli sui micromotori di C.I. Takiron, dai un’occhiata al sito web qui sotto.

• Sito del prodotto: https://cik-ele.com/
• Motori senza nucleo: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
• Motori brushless: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
• Motoriduttore: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
• Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/

Se hai difficoltà a scegliere il motore compatto giusto per lo sviluppo del tuo prodotto, non esitare a contattarci tramite il modulo di richiesta. Un nostro tecnico valuterà l’applicazione e le tue esigenze per proporti la soluzione più adatta.

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