La vera rivoluzione del brushless è rendere possibile l’esecuzione di un motore elettrico, molto potente a basse velocità, in presa diretta senza riduttore. Siamo nell’era dei “motori coppia”.

Una delle più interessanti possibilità offerte dalle serie ULTRACT – RULLACT e LYRA di R.C.V. è quella di realizzare ogni motore con avvolgimento speciale dedicato ad applicazioni a bassa velocità, in presa diretta senza riduttore.

L’eliminazione di uno stadio di riduzione dalla catena cinematica di trasmissione è un fattore sempre positivo in quanto permette di limitare i giochi e l’elasticità del sistema. Questo obbiettivo però è reso difficile dalla necessità di mantenere una coppia elevata, di movimento uniforme a bassa velocità ed una rigidità dell’asse. La realizzazione di questi nuovi brushless consente di pilotare motori ad alta coppia, il cui costo per Nm è abbastanza contenuto, in quanto si possono utilizzare azionamenti di piccola dimensione, paragonabili a quelli che servono per i motori con riduttore.

I motori coppia, o motori a bassa velocità, sono motori standard realizzati con avvolgimenti particolari con costanti Ke e Kt elevate. Per comprendere appieno le potenzialità, si consideri un motore brushless “ideale” con rendimento pari ad 1 e cos = 1 (in pratica buone approssimazioni). In queste condizioni, poiché il motore è a magneti permanenti e quindi in campo costante, la tensione ai capi del motore è proporzionale alla velocità tramite la costante Ke:

1.

mentre la coppia del motore è proporzionale alla corrente tramite la costante Kt:

2.

Se però si considera che la potenza elettrica assorbita dal motore deve essere pari alla potenza resa all’asse, si avrà:

3.

Se sostituiamo quindi 1 e 2 nella 3, si ottiene:

che semplificando diventa:

La costante di tensione e la costante di coppia del motore sono quindi intrinsecamente legate. La scelta del Ke in fase di progetto del motore, è sempre tale che alla massima velocità utile

Ne consegue quindi che, se un motore è limitalo per esempio a 30 rad/sec (~300 r.p.m.), invece dei classici 314 rad/sec (3000 r.p.m.), sarà possibile realizzarlo con un Ke proporzionalmente maggiore e cioè di circa 10 volte superiore al Ke del motore standard: la stessa proporzione si applica intrinsecamente alla costante di coppia, così che un motore di questo tipo, con avvolgimento speciale, arriva ad avere prestazioni eccezionalmente elevate.

A titolo di esempio, un motore UL1007, limitato a 300 r.p.m., avrà una costante di coppia di ~17NmA e può quindi erogare 100Nm con soli 6A. L’utilizzo di motori coppia permette di pilotare grandi motori con piccoli azionamenti, in conclusione:
l’eliminazione di un eventuale riduttore comporta l’adozione di un motore capace della coppia richiesta dall’albero lento (quindi un motore più grande) ma non comporta anche un sovradimensionamento dell’elettronica.

Per eliminare i riduttori ed usufruire dei relativi vantaggi, occorre per prima cosa accertare se il motore che risulta adeguato alla coppia richiesta dall’albero lento sia di costo vantaggioso rispetto all’applicazione che si desidera abbandonare. Questa condizione si verifica in rapporti di riduzione fino a 1:10.

Consigliamo ancora di verificare i seguenti due parametri:

UNIFORMITA’ DI ROTAZIONE E VELOCITA’ MINIMA

Un motore brushless opera correttamente anche a bassissima velocità. La velocità minima ottenibile è definita solamente dalla risoluzione del sensore di posizionamento utilizzato: con encoder std a 4096 impulsi/giro si risolvono 16000 posizioni per giro e la rotazione è uniforme ben al di sotto di 1 r.p.m. In generale, la velocità minima a cui la rotazione è perfettamente uniforme è quella in cui la frequenza dell’encoder supera la banda passante del sistema, tipicamente 30-50Hz.

INERZIA E RIGIDITA’ DEL SISTEMA

Ogni sistema dotato di riduttore riflette al carico l’inerzia del motore moltiplicata per il quadrato del rapporto di trasmissione. Di conseguenza quando si elimina il riduttore si riduce drasticamente l’inerzia del sistema. Questo può essere estremamente vantaggioso per tutti i casi in cui la componente inerziale del carico è dominante.
Lo stesso fenomeno può per contro essere un limite dove l’inerzia del sistema veniva utilizzata per assorbire carichi impulsivi. Senza inerzia, tali variazioni del carico devono essere compensate dalla velocità di retroazione dell’azionamento elettronico. E’ quindi indispensabile che l’azionamento possa funzionare con la più alta banda passante possibile e che il carico sia collegato al motore senza gioco, a mezzo di calettatori o con interferenza (non con chiavetta).
In generale la rigidità del motore è elevata fino alla frequenza di taglio del sistema, tipicamente 30-50Hz, per poi calare sino ad essere determinata solo dalle inerzie in gioco a frequenze superiori.