Un motore BLDC può funzionare come generatore? Una guida pratica per acquirenti e costruttori

Ruota manualmente l'albero di un motore di raffreddamento ad aria evaporativo trifase e posiziona un metro tra due dei suoi conduttori. Leggerai alcuni volt. Accoppiatelo a un trapano e portatelo a 1.500 giri al minuto e la lettura sale fino a decine o centinaia di volt, senza riavvolgimento, senza modifiche e senza controller collegato. Quel singolo test al banco risponde alla domanda che porta la maggior parte degli acquirenti a questo argomento: un motore BLDC è una macchina sincrona a magnete permanente e una macchina sincrona a magnete permanente non sa se la coppia entra nell'albero o ne esce. Sì, funziona come un generatore.

La domanda più utile non è se può generare, ma se può generare qualcosa che puoi effettivamente utilizzare. Un semplice motore BLDC produrrà volt, ma quanti volt, a quale velocità, in quale carico, con quale regolazione e per quanto tempo prima che l'avvolgimento si surriscaldi, dipende interamente da come è stata avvolta la macchina e da come viene guidata. Queste sono decisioni commerciali tanto quanto tecniche, e sono la ragione per cui i progetti di generatori riescono o falliscono molto prima che qualcuno apra una scheda tecnica.

La risposta breve: sì, a tre condizioni

Un motore DC senza spazzole genera energia ogni volta che il suo rotore gira, perché i magneti sul rotore passano oltre le bobine dello statore e inducono una tensione in esse. L'effetto è la stessa legge fisica che produce la forza elettromotrice posteriore su cui fa affidamento l'azionamento del motore durante la normale guida. Non esiste una speciale "modalità generatore" da abilitare, nessun interruttore del firmware e nessun hardware da aggiungere all'interno della macchina.

Devono ancora essere soddisfatte tre condizioni prima che la tensione diventi potenza utilizzabile:

• Abbastanza velocità. La tensione indotta è proporzionale alla velocità di rotazione. Al di sotto di un certo numero di giri l'uscita è troppo bassa per spingere la corrente attraverso un raddrizzatore, un cavo e un carico.
• Un modo per convertire e regolamentare. I terminali forniscono CA trifase a una frequenza che cambia con la velocità. La maggior parte dei carichi, dalle batterie alle lampade agli inverter, necessitano di qualcosa di meglio.
• Spazio termico. Un motore da 850 W in servizio automobilistico non è automaticamente un generatore da 850 W. La ventola di raffreddamento, il percorso del flusso d'aria e il ciclo di lavoro cambiano tutti quando la macchina viene azionata dall'estremità dell'albero da un motore primo esterno.

C'è anche un'esclusione aziendale. I motori con elettronica integrata, come i motori dei ventilatori EC con scheda di commutazione e controllo integrata, non sono utilizzabili come generatori nella loro forma standard. L'elettronica di azionamento è progettata per una direzione del flusso di potenza e la macchina dietro di essa è inaccessibile a meno che la scheda non venga rimossa.

La fisica è simmetrica

In una macchina brushless a magnete permanente, lo statore trasporta gli avvolgimenti e il rotore trasporta i magneti. Quando la corrente scorre negli avvolgimenti, il campo magnetico risultante interagisce con i magneti del rotore e produce coppia. Quando invece un motore primo esterno fa girare il rotore, il campo magnetico in movimento induce una tensione negli stessi avvolgimenti. Entrambi gli effetti sono descritti dalla stessa costante, che i produttori solitamente indicano come costante della back-EMF, Ke, in volt per 1.000 giri al minuto, o come il suo reciproco Kv in giri al minuto per volt.

Quella costante è il numero più importante per chiunque abbia intenzione di far funzionare un motore come generatore. Ti dice la tensione a circuito aperto a qualsiasi velocità e imposta anche la corrente necessaria per una determinata coppia. Una macchina con un Ke basso fornisce una tensione utile a bassi giri al minuto ma necessita di una corrente elevata per la stessa potenza, il che aumenta le perdite resistive. Una macchina con un Ke elevato arriva a centinaia di volt a poche centinaia di giri, il che è comodo per un autobus diretto raddrizzato ma scomodo se si volesse caricare un pacco batterie da 48 V.

Ne conseguono due conseguenze pratiche. Innanzitutto, la frequenza di uscita varia in base alla velocità e al numero di poli: una macchina a otto poli produce 100 Hz di uscita elettrica a 1.500 giri al minuto e 50 Hz a 750 giri al minuto, il che è importante per trasformatori, filtri e qualsiasi hardware di collegamento alla rete. In secondo luogo, la forma d'onda non è un'onda sinusoidale pulita su ogni progetto. I motori avvolti per la commutazione a sei fasi tendono a mostrare una FEM trapezoidale, che va bene dopo la rettifica ma può confondere strumenti e apparecchiature che si aspettano un'onda sinusoidale a bassa distorsione.

Ciò che effettivamente viene fuori dalle tre piste

Collega un oscilloscopio a due dei tre conduttori di fase e vedrai una forma d'onda CA trifase la cui ampiezza e frequenza aumentano entrambe con la velocità. Niente nell'uscita è stabilizzato, perché non vi è alcun avvolgimento di campo né circuito di eccitazione da regolare. I magneti forniscono un flusso costante, quindi la tensione è una funzione diretta del numero di giri e della corrente di carico.

Il percorso di conversione abituale è un raddrizzatore a ponte trifase seguito da un condensatore del collegamento CC e quindi qualunque regolazione richieda l'applicazione. Una regola approssimativa per un ponte trifase alimentato da una sorgente sinusoidale è che l'uscita CC a vuoto è circa 1,35 volte la tensione RMS linea-linea, diminuendo all'aumentare della corrente di carico a causa della resistenza dell'avvolgimento e della caduta del diodo. A ciò si aggiunge l'ondulazione, che appare a sei volte la frequenza elettrica, motivo per cui un condensatore dimensionato per il funzionamento a bassa velocità nel caso peggiore è solitamente più grande di quanto si aspettano i nuovi arrivati.

• La produzione raddrizzata non è regolata: diminuisce costantemente all'aumentare della corrente.
• La frequenza di ondulazione aumenta con la velocità, quindi il filtraggio dimensionato per 600 giri al minuto sarà generoso a 1.500 giri al minuto.
• I sensori Hall e le uscite dell'encoder sono utili solo per un azionamento, non per un carico passivo.
• Una lettura a circuito aperto indica il potenziale dell'avvolgimento; non ti dice cosa può erogare la macchina in modo continuo.

I parametri che decidono se funziona

Quando si considera un motore per il funzionamento come generatore, un breve elenco di caratteristiche determina quasi tutto. La maggior parte di essi sono già documentati sulla targa o nella scheda tecnica del motore; il resto dovrà essere richiesto al produttore.

Una menzione a parte merita la coppia di cogging perché è invisibile in una prova automobilistica. Un motore con un cogging pronunciato può funzionare perfettamente con l'alimentazione di rete, perché l'azionamento può spingere attraverso i fermi, ma una piccola turbina eolica o un caricabatterie a manovella potrebbero semplicemente bloccarsi e non raggiungere mai la velocità alla quale appare la tensione utile. I magneti inclinati e le disposizioni di avvolgimento a fessura frazionaria sono le solite soluzioni.

Un motore non è un generatore appositamente costruito

I generatori a magneti permanenti appositamente costruiti sono ottimizzati fin dall'inizio per una velocità, una tensione e un ciclo di lavoro. Un motore riconvertito come generatore è ottimizzato per l'uscita dell'albero, una bassa ondulazione della coppia e una tensione di azionamento specifica. Il divario tra i due non è teorico; si manifesta in efficienza, regolamentazione e costi.

Per la maggior parte dei progetti inferiori a pochi kilowatt la risposta pratica è un motore di serie con un avvolgimento rispecificato, perché la differenza elettromagnetica è modesta e il costo dell'attrezzatura di un generatore dedicato non lo è. Oltre a ciò, l’aritmetica inizia a favorire una macchina appositamente costruita.

Dove funziona realmente l’approccio del motore come generatore

L'approccio è collaudato in applicazioni con potenza modesta, finestre di tensione tolleranti e un motore primo la cui velocità è almeno approssimativamente prevedibile. Esempi tipici includono piccole turbine eoliche, installazioni micro-idro, banchi di esercitazione e di prova, frenatura rigenerativa su piccoli sistemi di trazione e caricabatterie portatili azionati da motore.

• Piccolo eolico e micro-idroelettrico: una macchina PM a basso cogging con il giusto Ke carica un banco di batterie attraverso un raddrizzatore e un convertitore boost.
• Frenata rigenerativa: anche la macchina che fa muovere la ruota recupera energia, che è esattamente ciò che fa per definizione un motore usato come generatore.
• Banchi e banchi prova: una macchina BLDC caricata contro un azionamento costituisce un dinamometro controllabile ed economico.
• Illuminazione autonoma e ricarica della batteria: nella fascia da 20 W a 500 W, i piccoli telai per raffreddatori d'aria e motori delle ventole sono punti di partenza comuni perché sono compatti, economici e disponibili in quantità.

In questa fascia di bassa potenza, i motori di raffreddamento ad aria con rotore esterno sono un candidato naturale, perché i magneti del rotore sono già all'esterno dello statore, i telai sono corti e gli avvolgimenti possono essere rispecificati per una costante target di back-EMF senza nuovi strumenti.

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Il problema è che si tratta di unità prodotte in serie ottimizzate per i carichi dei ventilatori, quindi prima di ordinare, chiedere il Ke misurato, la resistenza linea-linea e la temperatura massima consentita dell'avvolgimento, non solo la potenza nominale.

Dove cade a pezzi: modalità pratiche di fallimento

La maggior parte dei generatori deludenti falliscono per ragioni che non hanno nulla a che fare con l’elettromagnetismo. Vale la pena elencare quelli comuni perché sono tutti evitabili con un po' di accortezza.

• Sovratensione ad alta velocità. La tensione a circuito aperto è la tensione più alta mai prodotta dalla macchina. Una turbina eolica che perde il suo carico in una raffica può spingere il collegamento CC oltre i valori nominali del condensatore e dell'inverter in pochi secondi.
• Nessun regolamento. L'uscita segue sia la velocità che la corrente. Tutto ciò che necessita di un binario stabile deve aggiungere un convertitore, un carico ribaltabile o una batteria con capacità sufficiente.
• Surriscaldamento. La corrente continua è limitata dalla temperatura dell'avvolgimento e il funzionamento del generatore spesso implica un percorso del flusso d'aria diverso da quello per cui è stato progettato il cappuccio della ventola.
• Smagnetizzazione dei magneti. Il sovraccarico prolungato ad alta temperatura dell'avvolgimento riduce il flusso magnetico, che riduce la potenza in modo permanente.
• Disadattamento meccanico. La tensione della cinghia e la sporgenza della puleggia caricano il cuscinetto anteriore in una direzione che il supporto originale non aveva mai previsto.
• Aspettative di rotazione errate. La sequenza delle fasi in uscita inverte la direzione; un raddrizzatore trifase non si preoccupa, ma un sistema sincrono o collegato alla rete lo farà.

I telai di maggiore potenza si comportano meglio dal punto di vista termico perché hanno una maggiore superficie per watt di perdita, ma producono anche una tensione più elevata alla stessa velocità, il che spinge il problema sul lato elettrico.

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Per qualsiasi telaio superiore a circa 1 kW, pianificare uno stadio convertitore con una tensione di ingresso nominale che copra la condizione di circuito aperto alla massima velocità che il motore primo può raggiungere, non il punto di funzionamento nominale.

Un esempio di dimensionamento funzionante

I numeri rendono concreti i compromessi. Prendiamo un motore BLDC a rotore esterno da 220 V, 850 W con una costante back-EMF di 180 V RMS da linea a linea per 1.000 giri al minuto e una resistenza da linea a linea di circa 1,1 ohm. Guidalo a 900 giri al minuto con un piccolo motore e una cinghia.

• Tensione linea-linea a circuito aperto: 0,9 x 180 = 162 V RMS.
• DC raddrizzata a vuoto: circa 1,35 x 162 = 219 V.
• A 6 A di corrente di carico, caduta resistiva: circa 7 V, che forniscono circa 212 V ai terminali.
• Perdita di rame nell'avvolgimento: circa 3 x (6 / 1,22) al quadrato x 0,55, ovvero circa 40 W.

Il risultato è una potenza elettrica utilizzabile di 1,27 kW a una velocità confortevole, tranne per il fatto che questa supera la potenza nominale del telaio e l'avvolgimento non sopravviverà in modo continuo. Taglia la corrente a 3 A e i numeri diventano circa 560 W di uscita con circa 10 W di perdita nel rame, che è un punto continuo sensato con un margine salutare.

Ora cambia obiettivo. Supponiamo che il carico sia una batteria da 48 V anziché un bus da 200 V. Riducendo la velocità a 300 giri al minuto si ottiene un circuito aperto da linea a linea di 54 V, che si rettifica a circa 73 V, ma l'abbassamento sotto 8 A è di quasi 9 V e la perdita nel rame sale a circa 70 W. La tensione ora è troppo bassa e le perdite troppo elevate per la potenza richiesta, che è il classico segnale che l'avvolgimento non è adatto al lavoro. La soluzione corretta non è una maggiore velocità ma uno statore con Ke inferiore.

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Cosa inserire in una richiesta di offerta a una fabbrica di motori

Dato che un avvolgimento modificato è solitamente più economico di una macchina nuova, il percorso più veloce dall'ideazione all'hardware è una chiara richiesta di preventivo. I produttori che costruiscono motori BLDC e a magneti permanenti in grandi quantità possono in genere fornire una variante con un numero di giri diverso, un calibro del filo diverso e un albero o connettore modificato senza nuovi strumenti.

• Tensione e corrente target a una velocità stabilita, più la velocità massima che il motore primo può raggiungere.
• Costante back-EMF richiesta o tensione a circuito aperto misurata a un numero di giri noto.
• Corrente continua e di picco, con ciclo di lavoro e temperatura ambiente prevista.
• Interfaccia meccanica: diametro e lunghezza dell'albero, chiavetta o piana, flangia di montaggio, senso di rotazione.
• Requisiti ambientali: grado di protezione IP, umidità, polvere, sale o esposizione al lavaggio.
• Se è necessario un set di sensori Hall o un encoder per il controllo o solo per la strumentazione.
• Dati di verifica: Ke misurato, resistenza linea-linea e test di tensione a vuoto a una velocità.

Il lato costruttivo della macchina conta tanto quanto l'avvolgimento. Il design del rotore a magnete permanente, il numero di poli e la disposizione delle fessure determinano la forma d'onda EMF e il comportamento di cogging, e un fornitore che costruisce regolarmente queste macchine può spiegare i compromessi in termini semplici. Una lettura di base utile è a guida alla costruzione di motori BLDC e rotori a magneti permanenti , che aiuta a formulare domande sul grado del magnete e sulla geometria della fessura.

Anche il contesto dell’applicazione è importante. Se il generatore verrà posizionato dietro un ventilatore o un ventilatore, verranno utilizzate le stesse famiglie di motori applicazioni di ventilatori industriali sono un punto di partenza sensato, poiché le loro gamme di velocità, schemi di montaggio e disposizioni di cuscinetti corrispondono già a quel tipo di motore primo e profilo di carico.

La sintesi onesta è che un motore BLDC costituisce un generatore perfettamente funzionante purché il progetto sia progettato attorno alla sua natura piuttosto che contro di essa. Non regolerà la propria tensione, non tollererà un sovraccarico prolungato e funzionerà bene solo alla velocità per la quale è stato scelto l'avvolgimento. Ottieni la costante back-EMF giusta per il motore primo e il carico, aggiungi un raddrizzatore e uno stadio convertitore con un margine di tensione adeguato, rispetta i limiti termici dell'avvolgimento e la macchina si comporterà in modo prevedibile per anni. Se si sbaglia l'avvolgimento, nessuna quantità di elettronica aggiuntiva recupererà l'efficienza persa a causa di una tensione e di un punto operativo corrente non corrispondenti.