Motore coreless: come funziona e quali sono le principali applicazioni

Il principio generale di un motore elettrico a corrente continua prevede il passaggio di corrente attraverso un avvolgimento in rame, che genera un campo magnetico intorno a un elemento capace di ruotare; questo rotore entra in movimento a seguito dell’interazione con un magnete permanente.

Questi principi vengono realizzati in modo diverso e determinano differenti tipologie di motore.

Nei motori di tipo tradizionale il motore prevede un avvolgimento di filo di rame attorno a un nucleo in ferro. La caratteristica che contraddistingue i motori coreless (letteralmentesenza core ovvero senza nucleo) rispetto a quelli di tipo tradizionale è l’assenza del nucleo in ferro nel rotore. In questi motori, infatti, l’avvolgimento in rame è realizzato in una configurazione a cilindro e ruota esternamente a un magnete anch’esso di forma cilindrica.

I vantaggi del motore coreless

Questa caratteristica costruttiva offre molteplici vantaggi.

L’assenza di un nucleo in ferro permette di avere un motore più leggero caratterizzato da un minore momento d’inerzia, consentendo una più rapida accelerazione e decelerazione e un’elevata costante di coppia (ovvero una risposta rapida).

Un altro punto di forza del motore coreless è la rimozione del fastidioso effetto “cogging”, legato alla forza di attrazione tra il nucleo ferroso e i magneti permanenti, che determina l’insorgenza di una posizione preferenziale che richiede una variazione della forza di spinta per essere superata.

In assenza di cogging, la risposta alle microregolazioni in tensione e corrente è più rapida, la rotazione diventa più regolare e si riducono il rumore (sia meccanico sia elettrico) e le vibrazioni.

Infine, l’assenza del nucleo favorisce la miniaturizzazione del motore.

Motore coreless brushed e brushless

I motori DC coreless possono essere sia dotati di spazzole (brushed) sia privi (brushless).

I motori coreless di tipo brushed utilizzano spazzole per realizzare il contatto e sono efficaci in applicazioni che richiedono alta precisione, rapida capacità di risposta sia a bassa sia ad alta velocità, nonché compattezza ed elevata efficienza.

Possono essere realizzati con un sistema di commutazione in metallo prezioso e di commutazione in grafite.

Il termine “commutazione in metallo prezioso” si riferisce ai materiali utilizzati nelle spazzole e nei commutatori, che consistono in leghe di metalli preziosi ad alte prestazioni. Questo sistema di commutazione è particolarmente adatto grazie alla bassissima resistenza di contatto e del segnale di commutazione molto preciso, per applicazioni a bassa corrente come i dispositivi a batteria.

Il termine “commutazione in grafite” si riferisce al materiale della spazzola utilizzato in combinazione con un commutatore in lega di rame. Questo tipo di sistema di commutazione è molto robusto ed è più adatto ad applicazioni dinamiche ad alta potenza con avvii/arresti rapidi o condizioni di sovraccarico periodico.

I motori coreless di tipo brushless sono privi dei componenti di contatto meccanico ovvero le spazzole e il commutatore (utilizzato per realizzare l’inversione di polarità e sostituito da un circuito elettrico). Questo permette di ottenere un’elevata risposta dinamica in accelerazione e di raggiungere velocità molto elevate, 50-70 mila giri al minuto ed oltre, ovviamente in funzione delle differenti dimensioni: più piccolo è il motore e di conseguenza il rotore e maggiore è la velocità che si può ottenere.

Hanno una lunga durata e non devono affrontare il problema dei motori brushed legato all’abrasione delle spazzole.

I principali vantaggi

Il motore coreless, sia a spazzole sia brushless, non presenta alcuna coppia residua e questo abilita un controllo fluido del posizionamento e della velocità con una maggiore efficienza complessiva rispetto ad altri tipi di motori. Inoltre, ha coppia e potenza estremamente elevate in relazione alle dimensioni e al peso del motore.

Entrambi le tipologie presentano una relazione totalmente lineare tra carico e velocità, corrente e coppia e tensione e velocità, favorendo regolazioni precise e sensibili.

I motori a spazzole vantano anche un’inerzia del rotore estremamente bassa, che si traduce in caratteristiche dinamiche superiori per l’avviamento e l’arresto.

I motori brushless coreless, grazie al loro design speciale, hanno una durata operativa molto elevata e si dimostrano ideali per applicazioni ad alte prestazioni in frequente sovraccarico o in servizio continuo. I motori coreless brushless, infine, sono caratterizzati da un’ondulazione di coppia estremamente bassa, che garantisce alta precisione nel controllo sia della posizione sia della velocità.

Le applicazioni

I vantaggi offerti dal motore coreless trovano un utilizzo efficace in molteplici applicazioni.

L’elevata rapidità di risposta è un requisito essenziale nella realizzazione di servomotori per il controllo dei componenti meccanici di modelli radiocomandati di auto, aerei o elicotteri. Altrettanto importante, nei servomotori RC, è la possibilità di fornire elevata potenza, per l’utilizzo in tornei e competizioni varie.

La silenziosità, sia meccanica sia elettrica, e il basso contenuto di vibrazione è un requisito apprezzatissimo nella realizzazione dei gruppi ottici presenti sulle telecamere utilizzate per trasmissioni televisive, perché elimina i rumori associati alle operazioni di messa a fuoco, zoom e regolazione dell’esposizione che potrebbero essere registrati nel video. Inoltre, la rapida risposta consente di avere obiettivi in grado di rispondere velocemente alle mutate condizioni di ripresa.

Il motore coreless trova applicazione anche per il movimento dell’ago in alcune moderne macchine per tatuaggi di tipo rotativo. In tal caso, le doti di robustezza dei motori coreless garantiscono un utilizzo prolungato dell’albero di trasmissione che è sottoposto a sforzi intensi e prolungati, mentre la riduzione di vibrazione è importante per massimizzarne il comfort dell’operatore.

La possibilità di miniaturizzazione offerte dai motori coreless abilita la realizzazione di micro-meccanismi utilizzati in microchirurgia e per la realizzazione di mani robotiche per uso medico, in grado di eseguire movimenti tanto complessi quanto precisi

Sempre in campo medico, i motori coreless vengono utilizzati per la realizzazione di piccole pompe per l’iniezione di farmaci (per esempio insulina), che devono soddisfare requisiti di peso leggero, dimensioni compatte e basso consumo di corrente.

Altre possibili applicazioni del motore coreless sono nelle frese elettriche per la lavorazione delle unghie, che richiedono elevate velocità, minime vibrazioni e tensioni elevate per garantire la potenza necessaria.

Da ultimo ricordiamo l’uso nella realizzazione di serrature elettroniche: anche in questo caso le doti di risposta ad alta velocità al comando di apertura/chiusura, la possibilità di intervento manuale in caso di anomalia del sistema, la lunga durata operativa e la capacità di operare a temperature estremamente basse rendono i motori coreless la scelta ottimale.

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