Il futuro dei motori a commutazione in un mercato dominato dai motori brushless

Se si trascorre un po“ di tempo con gli azionamenti elettrici, oggi sembra che tutto stia diventando brushless. Le nuove specifiche richiedono un'efficienza più elevata, un funzionamento più silenzioso e un controllo più stretto. L'elettronica di potenza diventa sempre più economica. Le schede di marketing sono piene di diapositive ”BLDC“ e ”motore EC".

Eppure, il motore a commutazione di vecchia concezione è ancora presente ovunque.

È presente in utensili a basso costo, alzacristalli, giocattoli, piccole pompe e in un numero sorprendente di elettrodomestici. Quando si aprono i prodotti di tutti i giorni, si vedono ancora spazzole, un commutatore e un odore molto familiare di polvere di carbone.

Quindi la vera domanda non è “I brushless uccideranno i motori a commutazione?”.”

La domanda più onesta è: Che ruolo avranno i motori a commutazione in un mondo in cui il brushless è la scelta predefinita per tutto ciò che è moderno e di qualità?

• In questo articolo, vi illustreremo:
  • Dove ha ancora senso progettare un motore a commutazione.
  • Come si evolve silenziosamente la tecnologia dei commutatori.
  • Cosa possono fare ora gli OEM e i produttori di motori per evitare di rimanere intrappolati tra normative e pressione sui costi.

1. Il Brushless è chiaramente vincente, ma non dappertutto

Partiamo dal quadro generale.

La maggior parte della crescita nel mondo dei motori sta avvenendo sul versante brushless. Per tutto ciò che funziona molto, utilizza energia reale o rientra in una categoria regolamentata (come HVAC o elettrodomestici), gli ingegneri sono costantemente spinti a passare a piattaforme BLDC o ad altre piattaforme ad alta efficienza.

Ma questa è solo metà della storia.

Spazzolato, tipo commutatore I motori sono ancora prodotti in grandi quantità. Continuano a comparire in progetti dove:

• la distinta base è brutalmente limitata,
• Le ore di vita sono limitate,
• o il budget per l'elettronica è prossimo allo zero.
• Perché il brushless ha conquistato i riflettori:
  • Utilizzo di energia: I motori BLDC di solito sprecano meno energia sotto forma di calore, il che è molto importante quando il prodotto viene sottoposto a controlli di efficienza.
  • Affidabilità: L'assenza di spazzole significa meno parti soggette a usura e meno interventi di assistenza nei sistemi critici.
  • Controllo: La commutazione elettronica consente un controllo fluido della velocità, della coppia e l'integrazione con sensori e software.
  • Regolamenti: Molti standard di efficienza e di progettazione ecologica spingono effettivamente i prodotti di maggior volume verso le opzioni brushless.

2. Dove i motori a commutazione hanno ancora senso

L'errore di molte prese di posizione “tutto sta diventando brushless” consiste nel presumere che ogni prodotto sia ottimizzato per ottenere le stesse cose: efficienza, durata e un sistema di controllo completo. In pratica, molti prodotti sono costruiti per ottimizzare la sopravvivenza su una distinta base con i costi prima, e tutto il resto in seconda battuta.

In questo mondo, i motori a commutazione hanno ancora dei punti di forza reali.

Un modo per considerarli: sono un sistema di azionamento elettromeccanico e di commutazione autonomo che funziona non appena viene collegato. Nessun firmware, nessun controller del motore, nessuna fusione di sensori. Basta applicare la tensione e il motore gira.

• I tipici punti di forza dei motori a commutazione di oggi:
  • Forte pressione sui costi: Apparecchi e dispositivi a basso margine in cui l'aggiunta di uno stadio di azionamento BLDC non è semplicemente conveniente.
  • Prodotti per impieghi brevi o di breve durata: Se il motore è destinato a funzionare solo per poche centinaia di ore nel corso della sua intera vita, il vantaggio della durata prolungata di BLDC può essere eccessivo.
  • Ambienti elettricamente “sporchi”: Alcune configurazioni industriali e di processo preferiscono un robusto motore a spazzole a una delicata soluzione elettronica.
  • Controllo molto semplice: On/off, forse un paio di velocità discrete, niente che richieda un'elettronica avanzata.
  • Piattaforme legacy: Linee di prodotti di lunga durata con approvazioni, utensili e catene di fornitura costruite intorno ai motori a commutazione.

3. Fianco a fianco: ruoli futuri del commutatore rispetto al brushless

Per evitare ampie generalizzazioni, è utile mettere le due tecnologie l'una accanto all'altra e osservare la ruoli futuri che probabilmente giocheranno, non solo per le loro differenze tecniche.

• Il senso di questo confronto è semplice:
  • Il futuro non è “brushless contro commutatore”, è brushless ovunque sia conveniente, e i commutatori nei punti in cui presentano ancora vantaggi strutturali.

4. La tecnologia non è congelata: che cosa sta cambiando nei motori a commutazione?

È facile pensare che i motori a commutazione siano “finiti” come tecnologia, ma non è quello che sta succedendo nelle fabbriche e nei laboratori di ricerca e sviluppo. C'è un flusso costante di piccoli ma significativi miglioramenti che mantengono queste macchine competitive all'interno della loro nicchia.

Molto di questo lavoro non finisce mai nei titoli dei giornali. Si manifesta come un funzionamento più silenzioso in un attrezzo manuale economico, o come una durata leggermente superiore delle spazzole in una pompa a cui nessuno pensa finché non si rompe.

• Le aree chiave in cui i motori a commutazione stanno migliorando:
  • Materiali delle spazzole e del commutatore:
    Le nuove formulazioni delle spazzole e le leghe di rame mirano a ridurre l'usura, gli archi elettrici e la polvere, allungando al contempo la vita utile.
  • Miniaturizzazione e imballaggio:
    Rotori più compatti, geometria della pila perfezionata e tolleranze più strette aiutano a inserire i motori in alloggiamenti più piccoli.
  • Rumore e vibrazioni:
    La geometria regolata delle scanalature, l'inclinazione e il migliore bilanciamento riducono il “fruscio” e il rumore che i clienti lamentano.
  • Miglioramento dei processi:
    Produzione automatizzata, La lavorazione più precisa e i migliori processi di impregnazione/verniciatura riducono gli scarti e migliorano la consistenza.
  • Semplice elettronica aggiunta in cima:
    L'avviamento graduale, la limitazione della corrente e i circuiti di monitoraggio di base vengono abbinati ai motori a spazzole per ridurre le sollecitazioni e prolungare la durata, senza dover ricorrere a un sistema BLDC completo.

5. Tre futuri realistici per i motori a commutazione (fino a ~2035)

Nessuno è in grado di prevedere i numeri esatti, ma è possibile abbozzare alcuni percorsi ragionevoli per quanto riguarda i motori a commutazione nei prossimi 10-15 anni.

È probabile che il mercato generale dei motori continui a crescere man mano che elettrifichiamo sempre di più: veicoli, utensili, sistemi di costruzione, processi industriali. Le opzioni brushless assorbiranno gran parte di questa crescita.

I motori a commutazione, invece, registreranno probabilmente una crescita più lenta o una leggera flessione dei volumi, con una spostamento del luogo di utilizzo piuttosto che un crollo notturno.

• Tre scenari da tenere a mente:
  • Scenario A - “Transizione ordinata” (quello noioso ma probabile)
    I motori brushless sostituiscono gradualmente i commutatori nelle applicazioni più grandi e di maggior valore. I motori a commutazione rimangono nei progetti a basso costo e a breve durata, dove hanno ancora senso dal punto di vista economico. Il mercato si riduce, ma in modo lento e prevedibile.
  • Scenario B - “Martello normativo”
    Le nuove norme sull'efficienza iniziano a colpire gli elettrodomestici più piccoli, gli utensili e altre categorie che storicamente sono state “sicure”. Una serie di progetti basati sul commutatore diventano improvvisamente non conformi e devono essere riprogettati sulla base di BLDC o altre alternative.
  • Scenario C - “Copertura della catena di fornitura”
    I prezzi dei magneti, la scarsità di semiconduttori o gli shock geopolitici rendono più difficile o più costosa la realizzazione di progetti ad alto contenuto elettronico. Gli OEM mantengono deliberatamente alcuni progetti spazzolati nel loro portafoglio come copertura: meno chip, niente terre rare, controllo più semplice.

6. Applicazione per applicazione: dove è probabile che i commutatori rimangano in circolazione

Parlare per astrazioni può nascondere i veri compromessi. È più utile esaminare alcune famiglie di prodotti e chiedersi come potrebbero evolvere.

Alcuni attuatori per auto utilizzano ancora oggi motori a spazzole perché sono economici, robusti e ampiamente validati. D'altra parte, non vedrete un moderno motore di trazione EV con le spazzole; quella battaglia è già finita.

• Una prospettiva approssimativa per area di applicazione:
  • Attuatori automobilistici (finestrini, sedili, specchietti, serrature):
    Aspettatevi più brushless nelle piattaforme di fascia alta e nei veicoli elettrici, ma i motori a spazzole rimarranno probabilmente nei modelli sensibili ai costi e nei mercati emergenti per un bel po'.
  • Utensili elettrici e attrezzature per il fai-da-te:
    Gli utensili di fascia alta si stanno già spostando verso i brushless per ottenere migliori prestazioni e maggiore autonomia, soprattutto quelli a batteria. Gli utensili a filo di livello base potrebbero rimanere spazzolati per molto tempo, semplicemente perché sono “abbastanza buoni” ed economici.
  • Elettrodomestici e elettrodomestici:
    I grandi consumatori di energia (come le lavatrici di alta qualità, i compressori a velocità variabile e i ventilatori ad alta efficienza) si stanno orientando verso il BLDC. I dispositivi più semplici e i modelli di fascia più bassa si trascineranno e manterranno i motori a commutazione dove lo richiedono gli aspetti economici.
  • Automazione industriale, pompe e ventilatori:
    Le normative e le bollette energetiche spingono verso motori ad alta efficienza. Commutatore I motori possono tornare a svolgere mansioni portatili o intermittenti, dove le loro debolezze fanno meno male.
  • Giocattoli, prodotti di hobbistica e gadget di fascia bassa:
    I motori a spazzole sono ancora la soluzione ideale. Nei segmenti dell'hobbistica e dell'RC ad alte prestazioni, i brushless continueranno a crescere, ma i giocattoli a basso costo probabilmente rimarranno brushed fino a quando non cambierà radicalmente il costo.

7. Se siete un OEM: come gestire i commutatori senza rimanere bloccati

Se state acquistando o specificando i motori, la domanda utile non è “Dobbiamo sbarazzarci dei motori a commutazione?”, ma “Dove ci aiutano ancora a vincere e dove invece si stanno trasformando silenziosamente in un problema?”.”

Molti problemi derivano dal fatto di trattare tutte le applicazioni dei commutatori allo stesso modo, invece di classificarle in base al rischio e alle opportunità che comportano.

• Un modo pratico per affrontare la vostra gamma di prodotti:
  • Fase 1: mappare i prodotti in base al ciclo di lavoro e al rischio normativo
    • Prodotti per impieghi elevati, ad alta potenza o regolamentati: si presume che la transizione verso i motori BLDC (o altri motori efficienti) sia già in corso o lo sarà presto.
    • Prodotti a basso consumo, non regolamentati o estremamente sensibili al prezzo: i commutatori possono ancora essere la scelta migliore per i prossimi 10+ anni.
  • Fase 2: ottenere più valore dai progetti di spazzolatura esistenti
    Collaborare con i fornitori per migliorare i materiali delle spazzole, perfezionare la geometria e aggiungere piccoli componenti elettronici (avvio graduale, protezione di base) che prolunghino la durata e riducano la rumorosità senza far saltare il budget.
  • Fase 3: Pianificare le piattaforme “accoppiate
    Quando progettate una nuova piattaforma meccanica, considerate la possibilità di lasciare spazio sia a un motore a commutazione che a una versione BLDC. In questo modo è possibile rivolgersi a mercati diversi e cambiare il mix di prodotti senza dover rifare l'intero sistema.
  • Fase 4: Osservare i regolamenti in anticipo, non in ritardo
    È molto più conveniente pianificare un'azione di efficienza con qualche anno di anticipo piuttosto che fare i salti mortali quando la direttiva entra in vigore.

8. Se siete un produttore di motori: come vincere in una nicchia più piccola e più nitida

Per le aziende che costruiscono motori a commutazione, l'obiettivo nei prossimi anni non è quello di combattere ovunque i motori brushless. È una battaglia estenuante. L'obiettivo è quello di possedere gli spazi in cui i commutatori sono ancora la risposta giusta, e di servirli meglio di chiunque altro.

Ciò significa spesso approfondire i dettagli “noiosi”: le curve di usura delle spazzole, le firme acustiche, gli stack di tolleranza e il comportamento dei motori con alimentazioni marginali.

• Mosse di grande impatto per i produttori di motori incentrati sui commutatori:
  • Specializzati in ambienti difficili
    Diventa la scelta più ovvia per i progetti che devono resistere alla polvere, alle vibrazioni, agli sbalzi di temperatura o all'alimentazione sporca: luoghi in cui l'elettronica extra si sente fragile.
  • Misurare e pubblicare i miglioramenti della durata
    Una maggiore durata delle spazzole e una minore usura sono punti di forza. Non limitatevi a migliorarli in silenzio: mostrate i dati.
  • Offrire percorsi di aggiornamento agevoli
    Per le principali famiglie di motori, sviluppare opzioni BLDC meccanicamente compatibili. Agli OEM piace avere la possibilità di passare alla tecnologia superiore senza dover riprogettare il proprio stack meccanico.
  • Utilizzare strumenti di ingegneria moderni anche per la “vecchia” tecnologia
    L'analisi agli elementi finiti, i gemelli digitali e la simulazione non sono solo per i motori brushless. Possono rivelare riduzioni di rumore e di perdita nei progetti dei commutatori che prima erano nascoste.

9. L'angolo della sostenibilità: più sfumato di “brushless buono, brushed cattivo”.”

Le discussioni sulla sostenibilità spesso dipingono i motori a commutazione come l'ovvio cattivo: sono meno efficienti e producono polvere di spazzole. C'è del vero, ma il quadro completo è un po' più complicato.

I motori brushless di solito fare vincere sul consumo energetico nel corso della vita, soprattutto per i prodotti che funzionano per migliaia di ore. Questo può essere più importante di altri impatti.

D'altra parte, i sistemi BLDC hanno un proprio ingombro: magneti, elettronica e hardware di controllo più complesso. Nei dispositivi piccoli e a basso consumo, la differenza non è sempre così netta come sembra in una presentazione.

• Un modo più equilibrato di vederla:
  • Per le applicazioni ad alta intensità di lavoro e ad alta energia, il brushless è di solito la scelta più ecologica nel corso della vita del prodotto, anche se è più complesso e costoso all'inizio.
  • Per i prodotti intermittenti e a basso consumo energetico, l'equilibrio tra l'impronta di produzione, i rifiuti elettronici e il consumo di energia è più difficile da raggiungere.
  • C'è un reale valore di sostenibilità nel far durare più a lungo i motori a commutazione, farli funzionare in modo un po' più efficiente e farli guastare meno spesso, laddove sono ancora l'opzione dominante.

10. Cosa si può fare realmente dopo

Tutto questo è interessante in teoria, ma conta solo se cambia quello che fate il lunedì mattina.

Se oggi siete responsabili di prodotti che utilizzano motori a commutazione, non dovete scegliere un unico “campo”. Potete considerare i motori a commutazione come uno strumento tra i tanti: sempre utile, ma non automaticamente predefinito.

• Azioni concrete che vale la pena considerare:
  • Inventario dell'utilizzo del commutatore:
    Elencare i prodotti che li utilizzano, il numero di ore di funzionamento tipico e la visibilità del loro utilizzo energetico per i clienti o le autorità di regolamentazione.
  • Separare le domande “che devono migrare” da quelle “che possono rimanere”:
    • Obbligo di migrazione: elevato consumo energetico, servizio prolungato o forte pressione normativa.
    • Può rimanere: servizio breve, limiti di costo rigidi, ambienti difficili con una supervisione minima.
  • Parlate con i fornitori in modo dettagliato, non solo del prezzo:
    Chiedete informazioni sulla tecnologia delle spazzole, sui nuovi materiali, sui miglioramenti della rumorosità e sulle semplici opzioni del driver che possono darvi un po' più di vita e di prestazioni.
  • Pilotare almeno un progetto “ibrido”:
    Prendete un progetto attuale di spazzole e verificate cosa succede se aggiungete un modesto driver intelligente: un migliore comportamento all'avvio, una protezione da sovraccarico o una regolazione della velocità. Utilizzate i dati reali per decidere se vale la pena di continuare a svilupparlo.

Considerazioni finali

In un mercato dominato dalle spazzole, i motori a commutazione non saranno le star dello spettacolo. Saranno gli attori non protagonisti, quelli che si notano solo quando mancano.

Avranno ancora importanza quando:

• bisogna raggiungere un punto di prezzo brutale,
• l'ambiente è troppo ostile o rumoroso per l'elettronica delicata,
• o avete bisogno di qualcosa di collaudato, semplice e facile da reperire.

Se trattate i motori a commutazione come una “vecchia tecnologia che sparirà da sola”, probabilmente finirete per reagire in ritardo alle normative e alle variazioni dei costi.

Se li trattate come un tecnologia di nicchia focalizzata e in evoluzione e pianificate in base a questo, avrete più flessibilità, meno rischi e una tabella di marcia più chiara, anche in un mondo in cui i motori brushless sono al centro dell'attenzione.