Il motore con spazzole cioè Brusced Motor è in giro da un bel po’ di tempo, dato che già nel 1800 si erano capiti e prodotti i primi motori Brusced basati sui principi chiave di questa tecnica.
Circa 200 anni di sviluppo dei motori con spazzole ha portato ad un miglioramento notevole di questa tecnologia, ma senza risolvere mai il problema base:
dove c’è attrito c’è usura dei materiali!
Mi dice Wikipedia english che The Brushless Motor, cioè il motore senza spazzole è molto più giovane, dato che è solo negli anni ’60 che grazie allo sviluppo dell’elettronica si sono visti i primi esemplari.
In seguito negli anni ’70 ed ’80 con l’avanzamento della tecnologia nel campo dei materiali magnetici, supermagnetici, derivati anche ma non solo dallo studio dei semiconduttori e superconduttori, è stato possibile creare dei materiali magnetici migliori, che creano campi magnetici permanenti e potenti a sufficienza per le varie tipologie di uso.
Solo questione di usura Materiali per i motori da e-Bike?
Prima di addentrarci su come funziona un motore senza spazzole, vediamo quali sono i suoi punti di forza rispetto al Brusced e che ne fanno non la scelta principe, ma in pratica obbligata per le Bici Elettriche a pedalata assistita.
- Maggior momento torcente(Torque) a parità di peso.
- Maggiore affidabilità.
- Maggiore momento torcente per Watt, cioè aumento dell’efficienza del motore.
- Rumore minore.
- Non è soggetto a forza centrifuga.
- Possono essere raffreddati per Conduzione.
- Possono essere sigillati, dato che non richiedono il passaggio dell’aria per il raffreddamento.
- Maggiore durata nel tempo grazie al non avere le spazzole e blocco motore sigillato(volendo).
- Sono esenti dal produrre scintille e campi magnetici di interferenza.
Il primo punto ed il terzo da soli fanno già la differenza necessari per essere scelti per qualsiasi e-Bike:
Maggior momento torcente, sappiamo tutti quanto il peso, anzi la leggerezza è importante in ogni bici, elettrica o muscolare.
Maggiore efficienza vuol dire che con la stessa batteria montata sulla mia e-Bike, potrò fare più strada con il motore Brushless, rispetto a quello con le spazzole.
Infine la maggior durata nel tempo:
nessuno ama quando c’è da cambiare i pezzi, dato che sono altre spese, si può rimanere fermi per la strada per guasti e tante altre brutte cose che l’usura dei motori con spazzole comporta.
Anche il fatto di poterli costruire completamente sigillati aumenta la durata del motore Bruschless:
non solo non vi saranno i detriti prodotti dall’usura spazzole, ma grazie al compartimento stagno, neanche la sporcizia, acqua e quant’altro può penetrare all’interno, aumentando la loro versatilità e sicurezza.
Quale tipo di motore costa di meno?
Purtroppo il motore con spazzole costa di meno, quindi giocoforza il motore Brushless costa di più!
Volevo aspettare verso la fine del Post per i dettagli più tecnici, ma non posso rimandare:
Se semplicemente facciamo passare della corrente in un motore con o senza spazzole, il momento torcente(torque) sarà pari a 0, si è proprio uno zero.
Fatemi fare due veloci calcoli mentali, mmm… momento torcente… valore zero… ho trovato:
non importa quanta potenza in Watt fornisco al mio motore, rimarrà sempre fermo!
Ci vuole un altro componente!
Perché il momento torcente non sia uguale a zero, ogni 180 gradi di rotazione del motore va cambiato la direzione della corrente che passa negli avvolgimenti.
Alcuni motori cheap, principalmente con spazzole, invece che invertire la direzione elettrica ogni mezzo giro, semplicemente la spengono per poi riaccenderla dopo altri 180 gradi di rotazione.
Essendo la geometria dei campi magnetici prodotta dal motore con spazzole fissa, si può ottenere lo switch tra le due direzioni della corrente elettrica molto economicamente tramite vari sistemi di cui tipico è un commutatore, costa poco, non è molto preciso, ma come abbiamo appena detto COSTA POCO!
Il motore Brushless è di un altro pianeta!
Tipicamente il controllo dell’alternanza di direzione nel motore senza spazzole è delegato ad un microcontrollore o ad un microprocessore, quando non fornito di firmware digitale usando un FPGA(Field Programmable Gate Array), il quale non è altro che un circuito integrato programmabile.
FPGA permette in pratica a chi produce il motore di offrire all’utente più o meno finale la possibilità di programmarlo secondo le sue specifiche esigenze.
Vi ricorda niente?
Bosch produce il suo splendido motore, poi da ai singoli produttori di biciclette, ad esempio La Lombardo Bike ed e-Bikes, la possibilità di calibrare la programmazione dello stesso in base al peso della bici, i rapporti della e-Bike e quant’altro può essere utile ai fini di avere prestazioni su misura per la propria bici elettrica a pedalata assistita..
Allora il BMS è questo microcontrolore/microprocessore/FPGA?
No, il BMS, cioè Battery Management System si occupa delle varie celle batterie che compongono il pacco batteria, prelevando più o meno corrente da ognuna in base alla carica residua rimasta, l’efficienza della singola batteria, la temperatura e tante altre piccole cose volte a prolungare la durata della batteria e la sua potenza nel tempo.
Il motore Brushless avendo il controllo dell’energia fornita comandato elettronicamente, permette il totale controllo del motore fino a valori infinitesimali, senza salti o scatti di potenza, logicamente questo è perfetto per montarli sulle bici elettriche a pedalata assistita.
Potenza massima di un motore Brushless.
La massima potenza di un motore senza spazzole è limitato quasi esclusivamente da quanto calore riesce a smaltire, dato che al salire della temperatura diminuisce la potenza dei magneti e quindi il campo magnetico permanente da loro prodotto.
L’aumentare del calore oltre un certo livello compromette anche l’isolamento degli avvolgimenti elettrici che non è proprio una cosa buona e giusta, come narra la leggenda si dice abbia detto un certo hippie capellone 2000 anni fa…
Come funziona il Motore Brushless(senza spazzole).
Dice wikipedia:
In un motore brushless il rotore è privo di avvolgimento ed è invece dotato di magneti permanenti, mentre il campo magnetico generato dagli avvolgimenti sullo statore è variabile. Poiché il motore funziona in corrente continua, per realizzare la rotazione del campo magnetico generato nello statore, un circuito elettronico, composto da un banco di transistor di potenza comandati da un microcontrollore che controlla la commutazione della corrente, comanda l’inversione di corrente e quindi la rotazione del campo magnetico.
Semplice vero?
Detto così mica tanto, proviamo in questo modo:
i magneti creano un campo magnetico permanente e quindi spingono, creano momento torcente(torque) in una direzione.
Questo momento torcente è generato nella stessa direzione per mezzo giro del rotore, cioè 180 gradi.
Dopo di che viene sempre generato momento torcente, ma purtroppo nella direzione opposta, annullando l’effetto dei due momenti torcenti.
Per far si che entrambi vadano nella stessa direzione, ogni 180 gradi di rotazione la corrente deve invertire la direzione con cui passa negli avvolgimenti.
Per far cambiare direzione alla corrente ci sono appositi circuiti elettronici dotati del necessario, alcuni di essi sono anche programmabili dall’utente finale.
Quale è il principale fattore che determina la vita utile del motore Brushless:
Teoricamente è limitato solo dalla durata dei cuscinetti su cui gira il rotore. in pratica anche dal calore prodotto e dalla temperatura di regime a cui lavora.
Altra perdita di efficienza può derivare dalla diminuzione della potenza del campo magnetico permanente generato dai materiali magnetici usati.
Perché il motore Brushless è meglio detto in poche parole.
Se dovete spiegare a qualcuno digiuno di nozioni tecniche il perché preferire sempre un motore senza spazzole, riferite queste poche parole:
Non dovendo sprecare corrente cioè energia per generare il campo magnetico, dato che già lo fanno i magneti, l’efficienza è maggiore, inoltre l’assenza di attrito e scintille aumenta la durata e la loro sicurezza.
Fonti e dati presi in parte da Wikipedia Italia:
https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_brushless
e soprattutto da Wikipedia English:
https://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor
Altre fonti di ispirazione prese da vari video su Youtube di cui parleremo in seguito e da reminiscenze scolastiche un po’ polverose che mi sono ripassato prima di scrivere l’articolo.