Pompe di circolazione della vernice elettriche: perché i motori brushless DC sono migliori dei motori AC

Le pompe elettriche richiedono un qualche tipo di motore elettrico per convertire la potenza elettrica nella potenza meccanica necessaria ad azionare il motore della pompa di ricircolo. I tipi più comuni sono i motori AC a induzione e i motori brushless DC (BDLC). Scopri perché i motori brushless DC sono migliori dei motori AC.

Per molti anni le pompe pneumatiche sono state un caposaldo del mondo della circolazione della vernice e per una buona ragione. Sono semplici, affidabili e intrinsecamente sicure per i laboratori che utilizzano vernici a base di solventi, 

tuttavia presentano uno svantaggio portante: un consumo di energia elevato. Con un’efficienza solo del 10%, l’uso 24 ore su 24 per 7 giorni su 7 dei motori pneumatici può incidere in maniera davvero significativa sulle spese energetiche. A causa dell'inefficienza delle pompe pneumatiche, il mercato si è rivolto ad altre soluzioni come le pompe alternative elettriche.

Tipi di motori elettrici

Le pompe elettriche per la vernice richiedono un qualche tipo di motore elettrico per convertire la potenza elettrica nella potenza meccanica necessaria ad azionare la pompa. Nel settore vengono utilizzati vari tipi di motori elettrici, tuttavia i motori AC a induzione e i motori brushless DC (BLDC) sono i più comuni.

Per le applicazioni industriali più generali, i motori AC a induzione sono la scelta più comune: sono semplici, convenienti e, se non è necessario il controllo della velocità, non richiedono alcun tipo di controllo. I motori BLDC richiedono un controller e sono diventati più comuni dal momento in cui è divenuta disponibile l'elettronica di potenza a basso costo, ovvero dalla fine degli anni '70.
 

Differenze tra i motori AC e BLDC delle pompe di ricircolo

I motori AC a induzione e i motori brushless DC sono molto simili: la differenza principale è la struttura del rotore. Il rotore di un motore AC a induzione non è dotato di magneti, presenta invece una serie di lamine e di avvolgimenti. Quando è applicata un'alimentazione trifase allo statore del motore, si genera un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico rotante crea, per induzione, un flusso di corrente nel rotore. La corrente del rotore crea un suo campo magnetico che interagisce con il campo dello statore e genera una coppia.
 

Motore AC con variatore di frequenza (VFD)

La maggior parte dei motori AC a induzione possono essere utilizzati direttamente con un’alimentazione AC e senza controller. Se l’applicazione richiede una velocità variabile (come molte applicazioni a pompa) questo vantaggio viene meno. In questo caso, è necessario un variatore di frequenza (VFD).

Il VFD varia velocità del motore alterando la frequenza dell'alimentazione. Per esempio, un motore da 1.800 giri/min e 60 Hz nominali può essere rallentato a 900 giri/min facendolo funzionare a 30 Hz. Anche con un VFD, i motori AC a induzione industriali hanno un intervallo di velocità limitato compreso tra il 30% e il 130% della velocità nominale. Non rappresentano quindi la soluzione ideale per erogare la coppia nominale a velocità molto basse o a rotore bloccato.

Vantaggi di un motore brushless DC (BLDC)

Se i motori a induzione CA sono più comuni dei motori brushless DC, perché gli operatori dovrebbero preferire un motore brushless DC per un'applicazione di pompaggio? Vi sono numerosi vantaggi e caratteristiche che solo un motore brushless DC può offrire, come ad esempio:

• Efficienza più elevata: Un motore BLDC riduce il consumo di energia e la produzione di calore.
• Controllo preciso di coppia e velocità: Una pompa può rispondere rapidamente alle variazioni delle richieste del sistema. La pompa può anche essere azionata senza circolazione consentendo al motore di generare la coppia massima a velocità nulla. Inoltre, il motore è in grado di generare una coppia costante. Ciò consente di controllare il motore per creare una pressione costante, che reagisca alle variazioni in un sistema a ricircolo come una pompa pneumatica. 
• Minore inerzia del rotore: La conseguenza è una risposta molto più rapida della pompa alle variazioni della pressione del sistema rispetto a una motore AC a induzione alimentato in modo simile.
• Dimensioni ridotte: A parità di potenza erogata, i motori BLDC sono generalmente più piccoli dei motori AC, caratteristica che consente di ridurre anche le dimensioni della pompa.

La migliore efficienza dei motori brushless DC risulta evidente nei grafici seguenti. Il grafico 1 mette a confronto i motori a induzione CA con i motori brushless DC. Il grafico 2 mostra l'efficienza elettrico-meccanica totale di vari tipi di pompe di ricircolo.

^{Grafico 1: Efficienza della potenza 
Potenza
(verde) motore BLDC     (blu) motore AC trifase     (giallo) motore AC monofase}
 

^{Grafico 2: Efficienza della portata 
Portata di fluido (g/min)
(blu) pompa di ricircolo elettrica con motore BLDC     (giallo) pompa di ricircolo elettrica con motore AC}

I motori AC richiedono una configurazione complicata

I motori AC e BLDC richiedono un metodo per convertire il movimento rotatorio del motore in un movimento lineare alternato di una pompa volumetrica a pistone. Il funzionamento a velocità relativamente costante e la risposta dinamica lenta di un motore AC a induzione richiedono un meccanismo complicato per realizzare questa conversione. Per esempio, si può utilizzare un sistema a camme o a gioghi. 

Nel seguito è mostrata una pompa azionata da un motore a induzione AC. Il motore AC, la scatola del cambio e il sistema di azionamento a camme sono elementi distinti e necessari per convertire il movimento rotatorio in un movimento lineare. Il sistema di azionamento a camme è costituito da numerosi componenti ed è due o tre volte più grande del motore. Inoltre presenta punti e cuscinetti che possono rompersi o usurarsi facilmente, richiedendo interventi di manutenzione o di sostituzione costosi.

Per quale motivo più semplice è meglio

Oltre alla minore inerzia e al migliore controllo di coppia, la risposta intrinsecamente rapida dei motori BLDC consente di semplificare in maniera significativa il collegamento meccanico. 

Rispetto alla complessa configurazione di una pompa azionata da un motore a induzione AC, un sistema con una pompa di circolazione della vernice può utilizzare un piccolo motore brushless DC, un riduttore a due stadi e un semplice sistema di azionamento a pignone e cremagliera per convertire il movimento rotante in un movimento lineare. 

Per creare l'azione alternata, viene semplicemente invertito il senso di rotazione del motore brushless DC. Con un'inerzia più bassa e un controllo preciso della coppia, il motore brushless DC consente di ottenere questo effetto in maniera semplice ed efficiente.