Come funziona il micromotore a magneti permanenti?

Attualmente un’enormità di dispositivi usa un micromotore a magneti permanenti, ma molto spesso non ci si accorge della sua presenza. Questo perché ormai questi dispositivi hanno raggiunto un livello di miniaturizzazione tale da scomparire all’interno del sistema che li ospita.  

Oggi un micromotore a magneti permanenti a corrente continua può avere un diametro addirittura di un millimetro, ma può erogare una notevole potenza, rispetto alle sue dimensioni.  

Micromotore a magneti permanenti, struttura e caratteristiche 

La sua struttura prevede come elementi cardine uno statore, solitamente costituito da un magnete permanente o da avvolgimenti elettromagnetici, e un rotore (posto all’interno dello statore) formato da lamierini di ferro con avvolgimenti a spirale. Un commutatore (utilizzato per realizzare l’inversione di polarità) e alcune spazzole controllano la sequenza con cui gli avvolgimenti del rotore sono attraversati da corrente al fine di produrre una rotazione continua. 

Micromotori DC coreless brushed e brushless 

Il nucleo in ferro nel rotore viene eliminato dei micromotori Dcoreless. In questo caso lo statore è costituito da magneti di terre rare con elevate proprietà magnetiche, come Neodimio AlNiCo (alluminio-nichel-cobalto), e si trova all’interno del rotore.
Le spazzole utilizzate in un motore DC coreless possono essere realizzate in metallo pregiato (argento, oro, platino o palladio) o in grafite. Le spazzole sono abbinate a commutatori anch’essi prodotti usando metallo pregiato. Questa struttura ha una bassa resistenza di contatto ed è spesso usata in applicazioni dove circola bassa corrente, come nei dispositivi a batteria.  

Il commutatore è invece costruito in rame quando si utilizzano spazzole di grafite di metallo sinterizzato. In applicazioni che richiedono maggiore potenza e corrente più elevata la combinazione più adatta è quella rame-grafite. 

Esistono anche micromotori privi di spazzole, chiamati brushless. In questi motori è eliminato anche il commutatore che è sostituito da un circuito elettrico.  

I vantaggi dei micromotori coreless 

L’eliminazione del nucleo nel micromotore a magneti permanenti coreles comporta numerosi vantaggi rispetto ai motori DC con nucleo.  

Eliminare del materiale dal rotore (soprattutto se si tratta di ferro) vuol dire ridurne la massa e l’inerzia. Questo permette di ottenere dal motore velocità di accelerazione e decelerazione molto rapide: nel caso di motori brushless si possono avere 50-70 mila giri al minuto. 

La mancanza del nucleo consente poi efficienze decisamente più elevate rispetto ai motori DC (fino al 90 percento). Questo grazie anche al fatto che viene eliminato il cogging causato da induzione magnetica, permettendo quindi una rotazione più omogenea con rumore e vibrazioni ridotti al minimo. Il design coreless aumenta anche la durata del motore. 
Poiché questi motori sono spesso utilizzati per movimenti ad alta dinamici (elevate accelerazione e decelerazione), le bobine nel rotore devono essere in grado di resistere a una coppia elevata e dissipare il significativo calore generato dalle correnti di picco. Siccome non esiste un nucleo di ferro che funge da dissipatore di calore, l’alloggiamento del motore contiene spesso fessure per facilitare il raffreddamento forzato dell’aria. 

Da precisare che la generazione di una coppia elevata, ottenuta applicando grandi quantità di corrente o aumentando le dimensioni del magnete, comporta necessariamente limitazioni in termini di generazione di calore e materiali del magnete. Per ovviare a questo problema, un’efficace soluzione è quella di incrementare il numero di poli magnetici da 2 a 4. Impiegando un magnete a 4 poli si aumenta l’area di densità effettiva del magnete stesso. Il risultato che ne consegue è una costante di coppia superiore e un consumo di corrente contenuto. Inoltre, si ottimizza la costante di tempo meccanica (il tempo in cui il motore raggiunga la massima velocità partendo da fermo), per cui anche i tempi di risposta risultano più rapidi
 

Impiego dei motori DC coreless 

L’impiego di magneti permanenti consente rapporti forza-volume molto più elevati rispetto all’uso di elettromagneti e si possono ottenere prestazioni di azionamento migliori. L’ambito in cui i motori DC coreless trovano ampio impiego è perciò quello delle applicazioni che richiedono potenza elevata e dimensioni contenute.  

Solitamente, sono usati motori con diametro da 1 mm fino a 75 mm (ma sono stati prodotti anche micromotori da soli 0,6 mm) e con potenze nominali di 250 W. Il design coreless è una soluzione particolarmente efficace per i dispositivi alimentati a batteria perché assorbono una corrente estremamente bassa in condizioni di assenza di carico, come è il caso dell’aeromodellismo o dei droni.  

I micromotori DC brushless a magneti permanenti sono poi sempre più utilizzati per il controllo di precisione del movimento e sistemi di posizionamento ad alta precisione. Prova ne è che i motori Dc coreless trovano ampio impiego in applicazioni mediche, in protesi, piccole pompe (come quelle per insulina), endoscopicateteriattrezzature da laboratorio. La loro capacità di gestire movimenti veloci con grande precisione li rende ideali anche per l’uso negli azionamenti di sistemi ottici avanzatistrumenti di rilevazionesistemi servo industriali e robot

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