I motori a corrente continua (DC) sono motori che generano un movimento rotatorio utilizzando un’alimentazione in corrente continua. Funzionano convertendo l’energia elettrica in energia meccanica e vengono utilizzati in un’ampia gamma di settori, dalle apparecchiature industriali alle apparecchiature mediche, fino ai componenti elettrici delle automobili. Esistono motori DC con spazzole e senza spazzole, ciascuno con una struttura e caratteristiche diverse.I motori CC con spazzole non richiedono un circuito di azionamento e hanno un costo contenuto, mentre quelli senza spazzole si distinguono per la lunga durata e la silenziosità; è quindi possibile scegliere il modello più adatto in base all’applicazione e alle prestazioni richieste.
Inoltre, capire bene la differenza rispetto ai motori a corrente alternata (AC) che funzionano con l’alimentazione di rete ti aiuterà a scegliere il motore più adatto alle tue esigenze. I motori a corrente continua (DC) offrono una maggiore libertà nel controllo della velocità tramite la regolazione della tensione e possono funzionare anche a batteria, mentre i motori AC hanno una struttura robusta e sono progettati per un funzionamento continuo prolungato.
In questo articolo spiegheremo in modo semplice i principi fondamentali di funzionamento e la struttura dei motori a corrente continua, le caratteristiche dei modelli con spazzole e senza spazzole, e il confronto con i motori a corrente alternata. Speriamo che ti sia utile come riferimento per la scelta del motore.
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Come funzionano i motori a corrente continua e la loro struttura di base
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Un motore a corrente continua (CC) è un motore che trasforma l’energia elettrica fornita da un’alimentazione in corrente continua in movimento rotatorio. Capire bene le leggi fisiche alla base del suo funzionamento, il ruolo dei componenti principali e come regolare la velocità è fondamentale per usare correttamente un motore a corrente continua. Di seguito spiegheremo questi tre punti uno per uno.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Il principio di rotazione secondo la legge della mano sinistra di Fleming
- Il ruolo del rotore, dello statore, del commutatore e delle spazzole
- Regolazione della tensione e controllo della velocità tramite PWM
Qui ti spiegherò il principio di funzionamento e i componenti di un motore a corrente continua, oltre alle nozioni di base sul controllo della velocità.
Il principio di rotazione secondo la legge della mano sinistra di Fleming
La legge della mano sinistra di Fleming è il principio fondamentale alla base del funzionamento dei motori a corrente continua. Nei motori a corrente continua con spazzole, sul lato dello statore vengono posizionati magneti permanenti o elettromagneti che generano un campo magnetico. Quando si inserisce una bobina in questo campo magnetico e vi si fa passare una corrente continua, l’interazione tra il campo magnetico e la corrente genera una forza elettromagnetica.L’intensità della forza generata è data dalla formula F = BLI (B: densità di flusso magnetico, L: lunghezza del filo nel campo magnetico, I: corrente), che descrive la forza esercitata su un conduttore in cui scorre corrente all’interno di un campo magnetico.
Da questa formula si evince che maggiore è la densità di flusso magnetico, più lungo è il filo all’interno del campo magnetico e maggiore è la corrente, più forte sarà la forza generata. Nei motori reali vengono disposte più bobine per generare una coppia continua e, sebbene i calcoli diventino più complessi, il principio di base si fonda proprio su questa formula.
La direzione della forza è determinata dalla legge della mano sinistra di Fleming: il pollice indica la direzione della forza (F), l’indice quella del flusso magnetico (B) e il medio quella della corrente (I). La forza elettromagnetica generata nella bobina fa ruotare il rotore, ma dopo mezzo giro, se la direzione della corrente rimane la stessa, la rotazione si ferma.Il commutatore e le spazzole cambiano automaticamente la direzione della corrente nella bobina al ritmo della rotazione, consentendo così un movimento rotatorio continuo.
Il ruolo del rotore, dello statore, del commutatore e delle spazzole
Il rotore, lo statore, il commutatore e le spazzole sono i quattro componenti principali che costituiscono un motore a corrente continua con spazzole. Ciascun componente svolge un ruolo diverso e, grazie al loro funzionamento coordinato, il motore a corrente continua riesce a mantenere un movimento rotatorio continuo. Ecco quali sono i ruoli di ciascun componente.
| Nome del componente | Funzione |
| Rotore | È costituito da bobine e un nucleo di ferro ed è la parte che ruota sotto l’effetto di una forza elettromagnetica. È collegato all’albero di uscita |
| Stator (fisso) | Contiene un magnete permanente o un elettromagnete che genera un campo magnetico al suo interno |
| Commutatore | È montato sul rotore e, ruotando, cambia la posizione di contatto con le spazzole per invertire il senso della corrente |
| Spazzola | Componente soggetto a usura collegato all’alimentazione che fornisce corrente alle bobine del rotore tramite il commutatore |
La corrente viene fornita alle bobine del rotore tramite il commutatore e le spazzole; poiché la direzione della corrente cambia automaticamente, il rotore può mantenere una rotazione continua in una direzione fissa. Il commutatore è un componente che ha la funzione di cambiare la direzione della corrente; senza questa funzione di commutazione, il motore non potrebbe continuare a girare e l’albero rimarrebbe fermo.
Inoltre, le spazzole sono componenti soggetti a usura, poiché sono costantemente a contatto con il commutatore in rotazione e, di conseguenza, si verifica attrito che porta all’usura con l’uso. Dato che un uso prolungato richiede sostituzioni e controlli periodici, questo è un aspetto da tenere in considerazione quando si progettano motori a corrente continua con spazzole*.
*I nostri motori non consentono la sostituzione dei componenti.
Regolazione della tensione e controllo della velocità tramite PWM
La regolazione della tensione è il metodo di base per controllare la velocità di rotazione di un motore a corrente continua. Se cambi la tensione applicata, la velocità di rotazione cambia. La corrente effettiva dipende dalla velocità di rotazione e dal carico: quando il carico aumenta e la velocità di rotazione diminuisce, la forza controelettromotrice si riduce e scorre più corrente.Anche se è possibile controllare la velocità in modo basilare variando la tensione, è importante tenere presente che la coppia è influenzata dalle condizioni di carico e dalla forza controelettrica.
La forza controelettromotrice è la tensione che si genera all’interno delle bobine quando il motore gira, in senso opposto alla tensione applicata. Più aumenta la velocità di rotazione, più aumenta anche la forza controelettromotrice e la corrente che scorre nelle bobine diminuisce. Al contrario, se la velocità di rotazione cala a causa di un aumento del carico, la forza controelettromotrice diminuisce, la corrente aumenta e la coppia sale.Comprendere la relazione tra tensione, forza controelettrica, corrente e coppia è fondamentale per capire le caratteristiche di velocità dei motori a corrente continua.
Nelle applicazioni che richiedono un controllo più preciso della velocità e della coppia, viene ampiamente utilizzata la tecnologia PWM (modulazione di larghezza di impulso). Il controllo PWM è un metodo che regola la tensione effettiva applicata al motore variando il rapporto di ciclo, tramite l’accensione e lo spegnimento rapidi dell’alimentazione.
Più alto è il rapporto di duty cycle, maggiore è la potenza fornita al motore e più alta è la velocità di rotazione; se lo si riduce, la potenza fornita diminuisce e la velocità di rotazione cala. Grazie alle ridotte perdite di potenza e alla possibilità di regolare la velocità con grande precisione, questa tecnologia sta trovando sempre più applicazione in un’ampia gamma di settori, come quello delle apparecchiature industriali e degli strumenti di precisione.
Tipi e caratteristiche dei motori a corrente continua
I motori a corrente continua si dividono in due grandi categorie a seconda della presenza o meno delle spazzole: i “motori a corrente continua con spazzole” e i “motori a corrente continua senza spazzole”. Poiché i due tipi hanno una struttura diversa, presentano caratteristiche diverse in termini di costo, durata, rumorosità e dissipazione del calore. Per scegliere il motore più adatto alle tue esigenze, è importante capire bene le caratteristiche di ciascuno e i criteri di selezione.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Struttura e caratteristiche dei motori CC con spazzole
- Struttura e caratteristiche dei motori CC senza spazzole
- Criteri di scelta tra modelli con spazzole e senza spazzole
Di seguito, dopo aver illustrato la struttura e le caratteristiche di ciascun tipo, ti spiegherò i punti chiave da tenere a mente al momento della scelta.
Struttura e caratteristiche dei motori a corrente continua con spazzole
I motori a corrente continua con spazzole hanno una struttura che fornisce corrente alle bobine del rotore tramite il commutatore e le spazzole. Si dividono principalmente in due tipi: il “tipo a campo magnetico a magneti permanenti”, che utilizza magneti permanenti nello statore, e il “tipo a campo magnetico elettromagnetico”, che utilizza elettromagneti.Il tipo a campo magnetico permanente si suddivide ulteriormente in tre categorie, a seconda della forma dell’induttore.
【Classificazione dei motori a campo magnetico permanente】
- Tipo a scanalature: tipo in cui il nucleo magnetico presenta delle scanalature (slot) che generano il cogging (coppia di resistenza)
- Tipo senza scanalature: non presenta scanalature, quindi non si verifica il cogging ed è caratterizzato da una rotazione fluida
- Tipo senza nucleo: struttura priva di nucleo ferroso, caratterizzata da un momento d’inerzia ridotto e da eccellenti prestazioni in termini di reattività e accelerazione
Il tipo senza nucleo, noto anche come “a bobina mobile”, ha una struttura priva di nucleo di ferro, il che rende il rotore leggero e garantisce un’ottima velocità di risposta in avvio e arresto. Grazie al basso momento di inerzia, resiste bene alle ripetute accelerazioni e decelerazioni; è un tipo spesso utilizzato in settori che richiedono un funzionamento di precisione, come le apparecchiature mediche e ottiche.
D’altra parte, il tipo a campo magnetico indotto da elettromagnete è quello in cui il flusso magnetico di campo viene generato da un elettromagnete al posto di un magnete permanente, e si divide in tre tipologie: a avvolgimento separato, a avvolgimento in serie e a eccitazione separata. Viene spesso utilizzato nei motori di medie dimensioni o più grandi, e le caratteristiche di velocità e coppia variano a seconda della combinazione tra la corrente di campo e quella dell’indotto.
I motori CC con spazzole girano semplicemente collegandoli alla corrente, quindi funzionano anche senza circuiti di azionamento elettronici: i vantaggi sono il basso costo e la facilità di controllo.D’altra parte, dato che il commutatore e le spazzole sono sempre a contatto, le spazzole si consumano e serve una manutenzione periodica. Inoltre, si generano rumori elettrici e meccanici dovuti all’attrito, quindi bisogna prestare attenzione quando li usi in applicazioni in cui vuoi ridurre al minimo il rumore.
Struttura e caratteristiche dei motori CC senza spazzole
I motori CC senza spazzole hanno una struttura in cui i magneti permanenti sono posizionati sul rotore e le bobine sullo statore, e la corrente viene controllata tramite un circuito elettronico.Non usano spazzole né commutatori: il circuito di azionamento (driver) rileva la posizione dei poli magnetici del rotore e controlla i tempi di alimentazione di ciascuna bobina per far girare il rotore.
Poiché non hanno spazzole né commutatore, non subiscono una riduzione della durata dovuta all’usura delle spazzole e garantiscono quindi una lunga vita utile. Inoltre, sono meno soggetti ai rumori elettrici e meccanici causati dal contatto delle spazzole, il che li rende particolarmente silenziosi. Quando serve un motore che duri a lungo, si tende a scegliere i motori CC senza spazzole.
Inoltre, nei motori CC senza spazzole le bobine sono posizionate sullo statore (lato involucro), quindi il calore generato dalle bobine viene dissipato facilmente all’esterno attraverso l’involucro: si tratta quindi di una struttura che garantisce un’efficienza di dissipazione del calore superiore rispetto ai motori con spazzole. È più facile contenere l’aumento di temperatura anche durante il funzionamento continuo, garantendo così prestazioni stabili.
Dato che richiedono un circuito di azionamento, il costo complessivo del sistema tende ad essere più elevato rispetto a quello dei motori con spazzole; tuttavia, i motori CC senza spazzole sono ideali per le applicazioni in cui sono richieste efficienza energetica e funzionamento continuo.
Criteri di scelta tra modelli con spazzole e senza spazzole
La scelta tra il modello con spazzole e quello senza spazzole dipende da fattori come costo, durata, rumorosità e controllabilità. Nella tabella qui sotto trovi un confronto tra le principali differenze tra i due tipi.
| Criteri di confronto | Motore CC con spazzole | Motore CC senza spazzole |
| Circuito di azionamento | Non necessario (gira collegandolo alla corrente) | Necessario (controllato da un circuito elettronico) |
| Durata | È relativamente breve a causa dell’usura delle spazzole | Lunga durata grazie all’assenza di usura delle spazzole |
| Rumore elettrico | Generato dal contatto delle spazzole | È ridotto perché non ci sono contatti meccanici |
| Dissipazione del calore | relativamente bassa | La bobina è sul lato dell’involucro ed è alta |
| Costi | Struttura semplice e costo relativamente contenuto | Richiede un circuito di azionamento, quindi tende ad essere più costoso |
I motori a spazzole sono adatti quando vuoi contenere i costi iniziali o per applicazioni in cui vuoi un funzionamento semplice senza circuiti di azionamento. Per le applicazioni in cui è richiesta una lunga durata, i motori brushless rappresentano una scelta valida.
Quando si deve lavorare in modo continuo in ambienti ad alta temperatura, i motori brushless, con la loro elevata efficienza di dissipazione del calore, sono la scelta migliore.Anche in settori in cui è richiesta silenziosità, come le apparecchiature mediche e ottiche, si tende a scegliere i motori brushless, che producono meno rumore. Al contrario, se l’uso è intermittente e una lunga durata non è un requisito indispensabile, i motori con spazzole, più economici, rappresentano una scelta ragionevole. Per scegliere il motore più adatto alle tue esigenze, è utile anche chiedere consiglio al produttore.
Differenze e applicazioni dei motori a corrente continua e a corrente alternata
La differenza fondamentale tra i motori a corrente continua (CC) e quelli a corrente alternata (CA) sta nel tipo di alimentazione utilizzata. I motori CC funzionano con corrente continua, mentre quelli CA con corrente alternata; questa differenza nell’alimentazione determina differenze nella struttura, nei metodi di controllo e nelle applicazioni più adatte.
Di seguito ti spiegherò le differenze in termini di alimentazione e struttura, le differenze nelle prestazioni di controllo e le principali applicazioni in cui vengono utilizzati i motori a corrente continua.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Confronto tra le differenze di alimentazione e struttura
- Capire le differenze tra i metodi di controllo e le prestazioni
- Le principali applicazioni dei motori a corrente continua
Qui ti spiego le differenze tra i due e i principali campi di applicazione dei motori a corrente continua.
Confronto tra le differenze di alimentazione e struttura
La differenza nell’alimentazione e nella struttura è il punto fondamentale quando si confrontano i motori a corrente continua (DC) con quelli a corrente alternata (AC). I motori DC funzionano con alimentazione in corrente continua: nei motori DC con spazzole, il commutatore e le spazzole cambiano la direzione della corrente nelle bobine, mentre nei motori DC senza spazzole il campo magnetico rotante viene generato tramite il controllo della temporizzazione della corrente da parte di un circuito elettronico.D’altra parte, i motori a corrente alternata sfruttano le caratteristiche dell’alimentazione CA per generare un campo magnetico rotante nello statore, il che li rende semplici e robusti dal punto di vista strutturale.
Alla base di queste differenze strutturali c’è la differenza nelle proprietà della corrente. Poiché nella corrente alternata (AC) la direzione della corrente cambia periodicamente, è possibile sfruttare direttamente questa caratteristica per generare un campo magnetico rotante.Nell’alimentazione CC, invece, la corrente scorre sempre in un’unica direzione; per formare un campo magnetico rotante è quindi indispensabile controllare la direzione della corrente tramite un commutatore, delle spazzole o circuiti elettronici. I motori a corrente alternata richiedono meno meccanismi aggiuntivi, quindi tendono ad avere un numero ridotto di componenti e una struttura più robusta.
Nella tabella qui sotto ho riassunto le principali differenze tra i due.
| Elementi di confronto | Motore a corrente continua | Motore a corrente alternata |
| Alimentazione | Corrente continua (DC) | Corrente alternata (AC) |
| Caratteristiche della corrente | Scorre in una direzione fissa | Cambia direzione periodicamente |
| Struttura tipica | Con spazzole: commutatore e spazzole Senza spazzole: serve un circuito elettronico | Struttura semplice che sfrutta le caratteristiche dell’alimentazione a corrente alternata |
| Robustezza | Rispetto ai motori a corrente alternata, il numero di componenti è maggiore | Struttura semplice e robusta |
Le differenze nell’alimentazione e nella struttura si riflettono in differenze in termini di controllabilità, durata e facilità di manutenzione.
Capire le differenze tra i metodi di controllo e le prestazioni
La differenza tra i metodi di controllo e le prestazioni è uno dei criteri da considerare nella scelta del motore. I motori a corrente continua (DC) si distinguono per la grande libertà di controllo che offrono, come la regolazione della velocità e della coppia tramite tensione o PWM, le funzioni di frenata e il controllo dell’angolo di rotazione.La corrente continua offre molti vantaggi rispetto alla corrente alternata nella gestione dei segnali elettrici, rendendo possibile con i motori a corrente continua anche un controllo preciso che sarebbe difficile da ottenere con i motori a corrente alternata.
Nello specifico, nei motori a corrente continua è possibile integrare, oltre al controllo della velocità e della coppia, anche funzioni di rilevamento delle anomalie e la impostazione dell’angolo di rotazione. Anche nei motori a corrente alternata è possibile controllare la velocità, ma in molti casi i motori a corrente continua offrono una maggiore precisione e una maggiore libertà di controllo.
I motori a corrente alternata (AC) regolano la velocità in base alla frequenza tramite dispositivi come gli inverter, ma a seconda della configurazione del sistema, a volte potrebbero non essere adatti a un controllo della coppia così preciso o a una risposta così rapida come nei motori a corrente continua (DC). D’altra parte, grazie alla loro struttura semplice, i motori AC sono molto resistenti e hanno caratteristiche che li rendono adatti al funzionamento continuo.Per le attrezzature industriali come pompe e nastri trasportatori, che richiedono un funzionamento stabile per lunghi periodi, i motori a corrente alternata rappresentano una scelta vantaggiosa.
Quando si sceglie un motore, dopo aver definito la precisione di controllo e la reattività richieste dall’applicazione, si valuta se sia più adatto un motore a corrente continua o uno a corrente alternata.
Le principali applicazioni dei motori a corrente continua
Uno dei motivi per cui i motori a corrente continua vengono utilizzati in così tanti settori è la loro compatibilità con l’alimentazione a batteria. Poiché è possibile utilizzare batterie portatili come fonte di alimentazione, sono ideali per applicazioni in cui la portabilità è fondamentale, come i sistemi elettrici delle auto, gli utensili elettrici e le biciclette a pedalata assistita. Anche nei settori domestico e industriale, l’utilizzo dei motori a corrente continua si sta espandendo. Ecco le principali applicazioni:
【Principali applicazioni dei motori a corrente continua】
- Componenti elettrici per auto (alzacristalli elettrici, tergicristalli, motori dei sedili, ecc.)
- Dispositivi medici (pompe, motori per endoscopi, ecc.)
- Apparecchiature per la climatizzazione e per la produzione di acqua calda (condizionatori, frigoriferi, ecc.)
- Apparecchiature ottiche (fotocamere, proiettori, ecc.)
- Macchine industriali (robot, sistemi di trasporto, strumenti di misura, ecc.)
- Dispositivi di sicurezza (come le serrature elettroniche)
Nella vita di tutti i giorni, i motori a corrente continua sono integrati in elettrodomestici come condizionatori, frigoriferi e scaldabagni. Anche nel mondo del lavoro vengono utilizzati all’interno dei proiettori installati negli uffici e nei bancomat delle banche, e il loro impiego si sta espandendo anche negli impianti domestici, in particolare nei sistemi di ventilazione.Anche nel settore industriale, la loro adozione sta avanzando nei robot e nelle attrezzature di trasporto che richiedono un controllo di precisione.
Inoltre, quando si utilizza una struttura quasi identica a quella di un motore a corrente continua per la generazione di energia, in genere si parla di “dinamo”.Mentre il motore a corrente continua converte l’energia elettrica in movimento rotatorio, la dinamo è un dispositivo che genera energia elettrica in corrente continua a partire dal movimento rotatorio. Dato che il tipo e le specifiche del motore più adatte variano a seconda dell’applicazione, ti consigliamo di rivolgerti a un produttore specializzato quando devi scegliere il modello giusto.
Riepilogo
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I motori a corrente continua (DC) sono motori che funzionano con alimentazione in corrente continua e il cui principio di rotazione si basa sulla legge della mano sinistra di Fleming. Si dividono in due grandi categorie: con spazzole e senza spazzole. Quelli con spazzole non richiedono un circuito di azionamento e sono economici, mentre quelli senza spazzole si distinguono per la lunga durata, la bassa rumorosità e l’elevata dissipazione del calore.Rispetto ai motori a corrente alternata (AC), nella configurazione standard offrono una maggiore libertà di controllo della velocità e sono compatibili con l’alimentazione a batteria; per questo sono prodotti ampiamente utilizzati in diversi settori, come le apparecchiature mediche, i sistemi elettrici per auto, le macchine industriali, le apparecchiature ottiche e i dispositivi di sicurezza.
Per scegliere il motore CC più adatto alle tue esigenze, è utile capire bene la struttura e le caratteristiche del motore, fare un elenco dei requisiti come precisione di controllo, reattività, durata, costo e condizioni d’uso, e poi chiedere consiglio a un produttore specializzato.
Noi di C.I. Takiron disponiamo di una vasta gamma di micromotori, tra cui motori senza nucleo, motori brushless e motoriduttori, e siamo in grado di proporti il motore più adatto alle tue esigenze. Non esitare a contattarci.
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