Mantenere i motori DC a spazzole a basso costo

Economici e facili da utilizzare, i motori CC a spazzole forniscono l'equilibrio ideale tra prestazioni e prezzo giusto in settori quali quello automobilistico, aerospaziale, medico e industriale. Di conseguenza, ogni anno in tutto il mondo se ne producono miliardi, una cifra che si prevede aumenterà nei prossimi 10 anni.

Tuttavia, i crescenti requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) insieme ad ambienti elettronici più affollati e “rumorosi” minacciano di sconvolgere l’equilibrio portando il costo di queste soluzioni di fascia bassa a un livello pari a quello delle alternative brushless più costose.

Il problema è l'interferenza elettromagnetica (EMI) generata dalle spazzole mentre sfregano il commutatore: uno svantaggio intrinseco del progetto. Per contrastare il rumore generato è necessaria una combinazione di componenti schermanti e filtranti. Ciò non solo fa aumentare i costi, ma molte soluzioni di filtraggio EMI/RF per motori DC a spazzole presenti sul mercato non sono soddisfacenti nel soddisfare i più elevati requisiti EMC odierni.

"Molte soluzioni di filtraggio EMI non filtrano tutte le forme di rumore generate e molte non sono in grado di gestire correnti CC più elevate senza un corrispondente aumento dei costi", spiega Christophe Cambrelin di Johanson Dielectrics, un'azienda che produce una varietà di materiali ceramici multistrato condensatori e filtri EMI.

Per rispondere a queste preoccupazioni, aziende come Johanson Dielectrics offrono ora soluzioni di filtraggio EMI più avanzate che aumentano leggermente i costi dei motori CC a spazzole, soddisfacendo al contempo i requisiti EMC in evoluzione.

Quando i dispositivi elettronici ricevono forti onde elettromagnetiche, nel circuito possono essere indotte correnti elettriche indesiderate che interferiscono con le operazioni previste. L'EMI può persino causare danni fisici alle apparecchiature operative.

Ad aggravare il problema sono gli aumenti della frequenza del circuito operativo, i rumori di frequenze più elevate che espandono la gamma di frequenza interessata e la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici che riduce la distanza tra fonte e vittima. Se ciò non bastasse, molti dispositivi elettronici sono più facilmente influenzati dal rumore, anche con meno energia, a causa dei circuiti odierni che funzionano a tensioni più basse.

Di conseguenza, settori come quello automobilistico si rivolgono sempre più ai motori CC senza spazzole. Con questi motori la commutazione avviene elettronicamente. Pertanto la generazione di rumore è significativamente inferiore (nessun rumore generato dalla commutazione meccanica), ma la complessità e il costo di implementazione aumentano.

Quindi, potendo scegliere, gli OEM preferirebbero soluzioni che mantengano il prezzo relativamente basso dei motori CC a spazzole, date le quantità coinvolte.

L'interferenza EMI/RFI viene irradiata o condotta in un'ampia gamma di frequenze, da diverse centinaia di hertz a diversi gigahertz. Il rumore irradiato si verifica quando la tensione viene applicata a livelli variabili al cablaggio. Per mantenere le radiazioni confinate nell'alloggiamento del motore, i produttori di motori CC a spazzole dovrebbero adottare diverse precauzioni. La cosa più importante è il materiale utilizzato per l'alloggiamento del motore, che dovrebbe essere in metallo, nonché un cappuccio metallico (non in plastica) sopra di esso. Quando il cappuccio è in plastica, l'utente deve coprirlo con uno schermo metallico (che può essere un PCB metallizzato).

Quando viene condotta l'EMI/RFI, il rumore generato viaggia lungo i cavi di alimentazione elettrica e viene quindi irradiato. La schermatura è inefficace contro il rumore condotto, quindi è necessario il filtraggio con un dispositivo separato.

Gli approcci tradizionali al filtraggio di modo comune includono filtri passa basso costituiti da condensatori che fanno passare segnali con una frequenza inferiore a una frequenza di taglio selezionata e attenuano i segnali con frequenze superiori alla frequenza di taglio.

Tra le opzioni per gli OEM ci sono differenziali a due condensatori, tre condensatori (uno a X e due a Y), filtri passanti, induttanze di modo comune, filtri LC o combinazioni di questi.

Per soddisfare i crescenti requisiti EMC, tuttavia, soluzioni a basso costo come i filtri differenziali a due condensatori non sono sufficienti perché condensatori non abbinati generano un filtraggio diverso su ciascuna linea e quindi una conversione di modo (ovvero parte del rumore di modo comune viene trasformato in rumore di modo differenziale , e viceversa). I tradizionali filtri a tre condensatori sono adeguati, a condizione che i requisiti EMC siano solo a frequenze relativamente basse (vale a dire <150 MHz, come le radio AM/FM nel settore automobilistico).