Motori a corrente continua (DC) con nucleo vs senza nucleo - quale scegliere?

Un motore elettrico DC a spazzole converte l’energia elettrica in energia meccanica usando la legge di Lorentz, che afferma che “un conduttore attraversato da corrente e posto in un campo magnetico sperimenta una forza”. Questa forza può essere sfruttata in vari modi, ad esempio in un attuatore lineare per convertire il moto rotatorio in moto lineare.

Progressive Automations offre una varietà di attuatori lineari che incorporano un motore DC con nucleo (cored) o senza nucleo (coreless), ma quale scegliere e perché? Analizziamo le differenze tra motori DC con nucleo e senza nucleo osservandone la costruzione e i relativi pro e contro. Inoltre, vediamo il funzionamento, i protocolli di comunicazione e il feedback dei diversi motori per aiutarti a prendere una decisione informata.

Motore DC con nucleo

Un motore DC a spazzole con nucleo è la tipologia di motore più diffusa grazie alla convenienza di produzione su larga scala. Un motore con nucleo è composto da un rotore (in rotazione), uno statore (stazionario), un commutatore (solitamente con spazzole) e magneti di campo permanenti. Inoltre, gli avvolgimenti dell’armatura sono avvolti attorno al nucleo di ferro e collegati al commutatore.

 

Le spazzole, a contatto con il commutatore, sono realizzate in grafite/carbonio e permettono alla corrente collegata di passare negli avvolgimenti dell’armatura. La corrente negli avvolgimenti genera un campo magnetico che interagisce con i magneti fissi producendo una forza che mette in rotazione il nucleo di ferro e, di conseguenza, l’albero del motore.

Questi motori sono ideali per applicazioni gravose grazie all’elevata coppia di spunto e al rigido nucleo di ferro. Sono meno soggetti al surriscaldamento poiché il nucleo di ferro funge da dissipatore di calore. Applicazioni su larga scala includono auto elettriche, ascensori e pompe. Su piccola scala sono usati in trenini, spazzolini elettrici e altri giocattoli.

Pro

• Più economici.
• Elevata coppia di spunto.
• Controllo della velocità su un ampio intervallo di tensioni.
• Avviamento, arresto e inversione rapidi.
• Esenti da armoniche.

Contro

• Rendimento elettrico inferiore (circa 50%).
• Manutenzione elevata a causa dell’usura delle spazzole.

Motore DC senza nucleo

Che cos’è un motore senza nucleo? È simile a un motore DC con nucleo in quanto dispone di spazzole e commutatore. Esistono anche varianti brushless. Tuttavia, la differenza è che gli avvolgimenti del rotore sono disposti in modo inclinato (o a nido d’ape) a formare un cilindro cavo autoportante, solitamente resinato con epossidica per stabilità.

 

Lo statore, che si trova all’interno del cilindro cavo, è realizzato con un magnete a terre rare, come Neodimio, AlNiCo (alluminio-nichel-cobalto) o SmCo (samario-cobalto). Le spazzole in un motore senza nucleo possono essere in metallo prezioso (ad es. argento, oro o platino) o in grafite. Il cilindro di filo distribuisce il campo magnetico in tutta la struttura quando una corrente elettrica viene applicata ai terminali collegati a spazzole e commutatore; tale campo interagisce con il magnete a terre rare producendo una forza e facendo ruotare l’albero.

I motori senza nucleo aprono a un’ampia gamma di possibilità nella robotica. Alcune applicazioni includono il loro uso estensivo in protesi, pompe per insulina, apparecchiature di laboratorio e macchine a raggi X, tutte richiedenti un posizionamento ad alta precisione.

Pro

• Design piccolo, leggero e compatto.
• Funzionamento a bassa rumorosità e vibrazioni.
• Altamente efficienti (circa 90%).
• Maggiore durata grazie alla minore elettroerosione.
• Elevate accelerazioni e decelerazioni.
• Caratteristica velocità/coppia lineare che facilita il controllo.

Contro

• Decisamente più costosi.
• Non tollerano i sovraccarichi termici poiché manca un nucleo di ferro che funga da dissipatore per gli avvolgimenti del rotore.
• Richiedono elettronica aggiuntiva (ad es. decoder).

Protocolli di comunicazione

Se scegli un motore DC con o senza nucleo, devi considerare i protocolli di comunicazione relativi a ciascuno. I principali protocolli di comunicazione includono RS-485 e TTL/PWM. La scelta determinerà anche il tipo di motore utilizzabile.

Comunicazione RS-485

La comunicazione RS-485 è un popolare protocollo seriale che offre un trasferimento dati ad alta velocità tra dispositivi. È uno standard di comunicazione robusto e affidabile, capace di fornire dati attendibili su lunghe distanze.

Progressive Automations offre l’attuatore lineare PA-12 ad alta precisione, controllabile con un microcontrollore Arduino. Sono disponibili due varianti: una con motore DC con nucleo (PA-12-T) e un’altra con motore DC senza nucleo (PA-12-R).

 

Se si opta per la versione senza nucleo, è necessario utilizzare la comunicazione RS-485. Questo protocollo è facilmente implementabile utilizzando un modulo da TTL a RS-485 per comunicare con Arduino. In alternativa, si può usare un altro microcontrollore che comunichi via RS-485 nativamente.

Comunicazione TTL/PWM

L’attuatore lineare PA-12-T può essere controllato direttamente con un microcontrollore Arduino tramite comunicazione TTL/PWM, riducendo il costo di moduli di conversione della comunicazione aggiuntivi. L’attuatore lineare offre un controllo preciso della posizione con una precisione fino a 100um.

Considerando i pro e i contro dei motori DC con e senza nucleo discussi in precedenza, la soluzione migliore dipenderà dall’applicazione. Entrambi gli attuatori lineari PA-12 forniscono un controllo accurato della posizione, ma i protocolli di comunicazione sono differenti.

Feedback

Un fattore chiave per decidere quale motore DC scegliere è stabilire se integrare qualche forma di feedback. Il feedback è qualsiasi informazione che un controllore può usare per monitorare un processo e correggerlo. Nel caso di un motore DC, potenziometri, sensori ad effetto Hall ed encoder sono tipici tipi di feedback.

Un potenziometro trasforma un motore DC in un servomotore, consentendo un controllo preciso della posizione e della velocità. Questo tipo di feedback può essere applicato sia a un motore DC con nucleo sia a uno senza nucleo, ma è essenziale valutare le diverse opzioni per scegliere la soluzione più adatta all’applicazione. Se ti occorrono alta efficienza e alta precisione, opta per un motore DC senza nucleo con un encoder come opzione di feedback affidabile. Tuttavia, questa soluzione è piuttosto costosa e dipenderà dai vincoli di budget.

Conclusione

Abbiamo evidenziato pro e contro dei motori DC con e senza nucleo, oltre ai protocolli di comunicazione e alle opzioni di feedback. Progressive Automations offre una varietà di attuatori lineari che includono una combinazione di questi attuatori/dispositivi/sensori.

La decisione dipende da molti fattori, come le specifiche dell’attuatore lineare a cui è collegato il motore DC, il prezzo e il livello di precisione richiesto. Sarà l’applicazione a determinare il motore necessario e il motore determinerà le specifiche dell’attuatore lineare. Per maggiori informazioni sui prodotti Progressive Automations o per supporto aggiuntivo, contattaci oggi stesso.