Perché molti utensili elettrici utilizzano ancora motori a commutatore invece di motori brushless

La maggior parte degli utensili elettrici funziona ancora commutatore motori per un motivo molto semplice: chiudono meglio il foglio di calcolo. Sono economici da produrre su larga scala, si collegano direttamente alla presa a muro o a un semplice pacco batterie CC, forniscono una coppia di avviamento elevata da un pacchetto compatto e hanno un modello di assistenza che ogni officina di riparazione del pianeta già conosce. I motori brushless offrono maggiore efficienza, controllo e durata, ma richiedono magneti, silicio, firmware e nuove modalità di guasto, e molti utenti non sono disposti a pagare quella complessità in più solo per praticare qualche foro nel fine settimana o utilizzare una smerigliatrice a filo che funziona a brevi intervalli.

Cosa presuppone questo articolo

Sai già come funziona un motore CC universale o a spazzole, che aspetto ha un rotore BLDC e perché tutti continuano a parlare del neodimio. Hai visto le slide di marketing che dicono “brushless = maggiore autonomia e potenza” e probabilmente hai letto almeno un white paper che confronta schemi di commutazione e curve di efficienza.

Quindi, invece di ripeterlo, il punto è perché, dopo tutto questo, le pagine dei cataloghi di trapani, smerigliatrici, seghe e levigatrici sono ancora piene di motori a commutatore. Non perché gli ingegneri non conoscono i motori brushless. Ma perché la realtà dei prodotti è complessa.

La complessa economia dei motori a commutatore

Da un punto di vista puramente compositivo, i motori brushless possono essere anche più semplici da assemblare: nessun commutatore, nessun ingranaggio a spazzole, spesso meno parti soggette a usura meccanica. Diversi fornitori di motori sottolineano che il rotore e lo statore di un BLDC possono essere molto facili da produrre.

Ma gli strumenti non sono solo motori. Sono distinte dei materiali, banchi di prova, manuali di riparazione e prezzi di commercializzazione. E una volta che si passa al sistema di azionamento completo, l'equazione si ribalta. Il brushless richiede un controller con semiconduttori di potenza, gate driver, algoritmi di rilevamento o sofisticati algoritmi senza sensori, logica di protezione e solitamente qualche microcontrollore. Quel blocco elettronico spesso costa più dell'acciaio e del rame del motore in uno strumento di fascia bassa. I confronti di settore mostrano ancora che nei segmenti di consumo mainstream, un trapano o un avvitatore brushless finisce per costare circa un quarto o un terzo in più al dettaglio rispetto a un modello equivalente con spazzole.

I motori a commutatore, al contrario, vantano oltre ottant'anni di perfezionamento nella produzione. L'avvolgimento, l'impilaggio, l'assemblaggio del commutatore e l'impregnazione sono ottimizzati in modo estremo. La tecnologia è così matura che diverse fonti descrivono i motori a spazzole come un'opzione “a bassissimo costo”, non perché siano ingegnosi, ma perché ogni possibile trucco per ridurre i costi è già stato sfruttato al massimo.

Questa maturità si riflette in tutta l'azienda. Gli impianti fissi, le procedure di collaudo, i contratti con i fornitori, la gestione dei prodotti scartati, il materiale didattico per i centri di riparazione: tutto presuppone l'uso di macchine con commutatore. Cambiare questa situazione non significa semplicemente sostituire un motore con un altro, ma rinunciare a un decennio di know-how accumulato.

Utensili con cavo CA: il motore universale si adatta ancora alla presa a muro

Trapani a filo, smerigliatrici, seghe circolari, levigatrici a filo: la maggior parte di questi utensili utilizza motori universali con commutatori. La domanda “perché non brushless?” assume un significato diverso una volta ammessa la presenza della presa a muro nella stanza.

Un motore universale è essenzialmente una macchina a commutatore con avvolgimento in serie che funziona direttamente con corrente alternata o continua. Si collega quasi direttamente alla rete elettrica tramite un trigger, che può essere un triac o un semplice controllo dell'angolo di fase per la velocità. Può girare a decine di migliaia di giri al minuto, ha una coppia di avviamento elevata rispetto alle sue dimensioni e si adatta bene ad alloggiamenti compatti.

Per far funzionare un motore brushless dalla presa a muro, è necessario almeno un raddrizzatore. Nelle classi di potenza più elevate è probabile che si debba aggiungere la correzione del fattore di potenza, alcuni condensatori DC-link, un isolamento adeguato, un gate drive, un sensore di corrente, un firmware e correzioni EMC per tutte quelle commutazioni veloci. Ora la “scelta del motore” si è tranquillamente trasformata in un progetto completo di elettronica di potenza.

Per un utensile con cavo che viene utilizzato per brevi periodi e che comunque si trova accanto a un aspirapolvere o a un compressore rumorosi, la perdita di efficienza di un motore universale, che può essere piuttosto significativa nella fascia di potenza più bassa, non incide abbastanza sul business da giustificare il costo di quel sistema elettronico.

Esiste anche un'inerzia nella certificazione. Una classe di utensili con motore universale presenta caratteristiche di sicurezza e compatibilità elettromagnetica ben note alle autorità di regolamentazione e ai laboratori di prova. Un inverter ad alta frequenza che aziona un motore BLDC aggiunge un diverso modello di rumore condotto e irradiato, diverse modalità di guasto e diversi test. È assolutamente possibile progettare tenendo conto di questi aspetti; molti utensili con cavo di alta qualità lo fanno già. Ma per i livelli medio-bassi, è un motivo in più per restare fedeli a ciò che già si conosce.

Utensili a batteria: perché quelli con motore a spazzole sopravvivono nella fascia bassa della gamma

Gli utensili a batteria sono il settore in cui la tecnologia brushless ha fatto il suo ingresso più clamoroso. La maggiore efficienza e controllabilità aumentano direttamente l'autonomia e consentono di vendere più “lavoro per carica”. Le fonti sottolineano regolarmente che gli utensili elettrici brushless offrono una durata della batteria notevolmente più lunga, una migliore densità di coppia e un funzionamento più freddo.

Allora perché il reparto degli utensili a batteria è ancora pieno di trapani e avvitatori a spazzole?

Perché non tutti gli acquirenti utilizzano questi strumenti tutto il giorno. A un proprietario di casa che avvitare qualche vite una volta al mese non interessa se la carica dura trenta minuti o quaranta. A lui interessa se il kit costa venti dollari in meno sullo scaffale. Per quell'acquirente, il costo combinato di un motore BLDC, dei magneti e della scheda di controllo è un puro costo aggiuntivo che non vedrà mai.

Inoltre, i motori CC a spazzole presenti negli utensili senza fili sono spesso unità a serie o a magneti permanenti già molto compatte e potenti. La loro coppia a bassa velocità e la tolleranza al sovraccarico sono piuttosto buone se vengono utilizzati solo per lavori brevi.

Esiste anche una strategia di segmentazione. I marchi riservano deliberatamente le caratteristiche brushless e di controllo “intelligente” alle fasce di prezzo più elevate: linee orientate al commercio, kit premium e prodotti di punta. Gli utensili brushless entry-level fungono da alimentatori dell'ecosistema: stesso attacco batteria, stessi caricabatterie, costo di acquisto molto più basso. Passare alla tecnologia brushless nelle fasce di prezzo più basse offuscherebbe tale struttura, e i team di marketing raramente apprezzano perdere la loro scala gerarchica.

Affidabilità: non così unilaterale come suggeriscono le brochure

I motori brushless eliminano l'usura delle spazzole dall'equazione: nessuna polvere di carbonio, nessuna erosione del commutatore. Gli articoli tecnici e le schede tecniche affermano costantemente che i motori brushless possono raggiungere una durata maggiore, specialmente in servizio continuo, rispetto ai modelli con spazzole limitati dall'usura da contatto meccanico.

Ma questa è solo metà della storia con cui deve convivere un progettista di strumenti.

Un motore a commutatore presenta elementi soggetti a un'usura fisica evidente. Quando le spazzole raggiungono il loro limite, le prestazioni diminuiscono in modo molto visibile e un centro di assistenza può sostituirle in pochi minuti. I ricambi sono economici e la diagnostica è semplice. Per molti utenti professionali, questa prevedibilità è rassicurante: sanno come si presenta un guasto e quanto costa.

Gli utensili brushless spostano i punti deboli. Il motore stesso può funzionare quasi all'infinito, ma ora sono i componenti elettronici a subire il peso maggiore di sovratensioni, infiltrazioni di polvere, condensa, generatori cablati in modo errato, eventi statici e utenti occasionali che fanno entrare la polvere di muratura direttamente in ogni presa d'aria dell'utensile. Un MOSFET bruciato non si manifesta gradualmente. Si guasta, spesso portando con sé il circuito integrato del driver e una o due tracce.

Nelle regioni prive di reti di assistenza capillari, questa differenza è importante. La sostituzione delle spazzole è un'operazione che anche una piccola officina di riparazione può eseguire con strumenti di base. La diagnosi e la riparazione di circuiti stampati multistrato all'interno di alloggiamenti sigillati è tutta un'altra cosa. Quindi una smerigliatrice a spazzole potrebbe ufficialmente “usurarsi più rapidamente”, ma rimanere in servizio più a lungo semplicemente perché i tecnici locali possono continuare a ripararla.

Materiali, magneti e rischio della catena di approvvigionamento

I motori brushless si basano normalmente su potenti magneti permanenti, molto spesso realizzati con materiali rari come il neodimio. I commenti del settore sui prodotti industriali e di controllo del movimento sottolineano spesso che ciò lega il costo e la disponibilità dei motori BLDC a un mercato dei materiali piuttosto volatile.

Diverse linee di motori a spazzole utilizzate in applicazioni impegnative, invece, sono esplicitamente commercializzate come prive di terre rare: utilizzano solo rame, acciaio e materiali magnetici comuni, pur soddisfacendo i requisiti di coppia. Ciò è conveniente se si producono milioni di unità e non si desidera che la propria base di costo sia esposta a shock geopolitici o minerari.

In un utensile a batteria, una volta scelta l'architettura BLDC, i magneti rappresentano un costo di produzione che si accetta. In una smerigliatrice angolare a filo che deve rimanere economica nel corso delle stagioni e delle valute, il fatto di non necessitare affatto di neodimio è piuttosto allettante.

C'è anche l'ecosistema dei fornitori. I motori a commutatore sono un prodotto di largo consumo. Centinaia di fabbriche possono fornirne preventivi; le modifiche di progettazione possono spesso essere realizzate con un modesto sforzo. I motori BLDC e le schede di controllo abbinate per gli utensili sono ancora meno intercambiabili. Questa dipendenza da fornitori specifici può diventare un altro argomento nascosto per rimanere fedeli ai motori a spazzole in alcune linee di prodotti.

Comportamento a livello di sistema: coppia, velocità e abuso

Dal punto di vista fisico, i motori universali e in serie con spazzole presentano tre caratteristiche che ben si adattano agli utensili elettrici: coppia di avviamento elevata, capacità di funzionare a velocità molto elevate e tolleranza a sovraccarichi di breve durata.

Lo si percepisce in una sega circolare a filo che si abbatte sul carico senza esitazione, o in una smerigliatrice che scava felicemente in un taglio fino a quando l'operatore non si allontana, non il circuito di controllo. Gli utensili brushless possono assolutamente eguagliare o superare queste prestazioni, ma solo se il firmware lo consente e l'elettronica è in grado di sopportare i picchi. Qualcuno deve scegliere tra un profilo morbido e protettivo che preserva il silicio e uno più aggressivo che sembra “più rabbioso” nella mano.

Con gli strumenti a spazzola, il funzionamento è più semplice. Nessun microcontrollore decide nulla. Il motore assorbe tutto ciò che la rete elettrica, l'armatura e il cablaggio consentono, e l'anello debole è solitamente il rame o il limite termico dell'isolamento. Per alcune categorie, questo comportamento brutale soddisfa meglio le aspettative degli utenti rispetto a una risposta intelligente con limitazione di corrente.

Anche il rumore e le interferenze elettromagnetiche sono aspetti interessanti. Articoli classici sottolineano che le macchine con commutatore generano rumore meccanico ed elettrico a causa del contatto delle spazzole e delle scintille. Gli azionamenti senza spazzole sono più silenziosi sia dal punto di vista acustico che elettrico in molti casi, specialmente a velocità costante. Tuttavia, negli ambienti di costruzione o lavorazione dei metalli, la differenza è spesso irrilevante rispetto al materiale da tagliare o molare. I costruttori non scelgono un martello demolitore per la sua modalità silenziosa.

Quindi, in pratica, i vantaggi del comportamento brushless sono più evidenti quando gli utenti utilizzano gli utensili per lunghi periodi a carico parziale o quando è importante un controllo preciso, ad esempio nel caso di avvitatori a impatto di fascia alta e cacciaviti di precisione. Negli utensili “resistenti agli abusi” a breve durata, il comportamento approssimativo ma prevedibile di un motore universale funziona ancora abbastanza bene.

Un confronto compatto

Per mantenere le cose concrete, è utile riassumere i compromessi del sistema così come potrebbero vederli i membri del team di progettazione.

Come la storia del prodotto influisce su ogni nuovo progetto

Anche se un produttore volesse passare domani all'uso di utensili brushless per un'intera famiglia di prodotti, questi portano con sé una storia.

Esistono manuali di assistenza dedicati agli indotti e ai commutatori. Ci sono magazzini pieni di bobine di campo e set di spazzole di ricambio. Esistono partner regionali il cui modello di business si basa sulla riparazione rapida di queste macchine. Nelle fabbriche sono presenti attrezzature dimensionate per specifici stack di statori e lunghezze di rotori.

Ogni nuova variante brushless diventa, inizialmente, un caso anomalo: script di test diversi, guasti sul campo diversi, processo di ricambi diverso. Con il passare del tempo l'equilibrio cambia: molti marchi sono già arrivati al punto in cui i loro sistemi cordless di punta sono quasi interamente brushless. Ma la lunga coda dei modelli esistenti fa sì che i motori a commutatore continuino a comparire sugli scaffali anche se il “futuro” è fortemente pubblicizzato come brushless.

La realtà non è un passaggio di consegne pulito. È una fitta sovrapposizione.

Dove il brushless cambia davvero le regole del gioco

Sarebbe ingiusto fingere che i motori a commutatore siano uguali ovunque. I settori in cui i motori brushless sono davvero difficili da contestare sono sempre più evidenti: utensili che funzionano tutto il giorno a batteria, applicazioni che richiedono un controllo preciso della coppia, ambienti in cui il rumore è un vero e proprio vincolo o in cui l'accesso per la manutenzione è difficile e si desidera ottenere ogni ora di vita utile in più possibile. I confronti tecnici indicano costantemente una maggiore efficienza, una durata più lunga e un funzionamento più silenzioso come forti vantaggi dei motori brushless.

Man mano che i circuiti integrati di controllo e i moduli driver integrati diventano sempre più economici e potenti, il costo dell'elettronica si riduce. Anche la questione dei magneti potrebbe diventare meno rilevante se maturassero topologie alternative dei motori o migliori opzioni di fornitura dei magneti. Ad un certo punto, la domanda “perché non brushless?” prevarrà in sempre più categorie per semplice aritmetica.

Ma oggi, se ti trovi davanti a uno scaffale pieno di smerigliatrici con cavo o trapani a batteria economici e ti chiedi perché utilizzano ancora motori a commutatore, la risposta è piuttosto semplice.

Sono vecchi, ma non sono ancora obsoleti. L'economia è ancora valida, la densità di potenza è già buona, gli utenti sanno come funzionano e ogni parte dell'ecosistema che li circonda, dagli avvolgitori di rame alle piccole officine di riparazione, è ottimizzata per mantenerli in funzione. Il brushless è il futuro per molti strumenti. I motori a commutatore sono il presente per molti altri, e quel presente non è ancora finito.