موتورهای الکتریکی DC برس خورده چگونه کار می کنند؟ راهنمای میکرو براش موتورهای DC

پاسخ کوتاه: یک موتور DC برس خورده با تغذیه جریان از طریق یک سیم پیچ در حال چرخش (روتور) از طریق کربن ثابت یا کنتاکت های فلزی به نام برس ها کار می کند که به یک حلقه تقسیم شده دوار به نام کموتاتور فشار می آورد. همانطور که روتور می چرخد، کموتاتور به طور خودکار جهت جریان در سیم پیچ را در لحظه مناسب معکوس می کند و نیروی مغناطیسی را در همان جهت چرخشی نگه می دارد - این عمل خود سوئیچینگ چیزی است که به موتور برس خورده اجازه می دهد به طور مداوم از یک منبع تغذیه ساده و تنظیم نشده DC بچرخد. برای چرخاندن آن به مدار خارجی نیاز نیست ، دقیقاً به همین دلیل است که موتورهای DC برس خورده از جمله موتورهای DC میکرو براش به قطر 4 میلی متر، یکی از پرکاربردترین و مقرون به صرفه ترین راه ها برای تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت چرخشی است. بقیه این راهنما مکانیزم را به تفصیل توضیح می‌دهد، چه چیزی در داخل یک موتور میکرو براش وجود دارد و چه چیزی هنگام انتخاب یکی برای یک پروژه باید وزن شود.

اجزای اصلی یک موتور DC برس خورده

هر موتور الکتریکی DC برس خورده ، از یک واحد به اندازه اسباب بازی گرفته تا یک موتور دنده صنعتی، از همان چهار قسمت اساسی ساخته شده است.

کربن یا گرافیت به جای فلز جامد، ماده استاندارد برس است، زیرا کربن خود روان کننده است و ترجیحاً فرسوده می شود - به این معنی که برس به تدریج در طول زمان فرسایش می یابد در حالی که سطح کموتاتور گران تر تا حد زیادی دست نخورده می ماند. این الگوی سایش عمداً سازگار با تعمیر و نگهداری است: تعویض یک برس فرسوده بسیار ساده‌تر و ارزان‌تر از تعویض یک کموتاتور آسیب‌دیده است.

نحوه چرخش موتور در واقع: گام به گام

اصل کار بر دو مفهوم فیزیک استوار است: قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و نیروی لورنتس. در عمل، چرخه به صورت زیر است:

1. ولتاژ DC در دو ترمینال برس اعمال می شود و جریان از برس ها به بخش های کموتاتوری که آنها لمس می کنند جریان می یابد.
2. جریان عبوری از سیم پیچ روتور آن را به یک آهنربای الکتریکی تبدیل می کند و میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند.
3. این میدان روتور با میدان ثابت مغناطیس‌های دائمی استاتور تعامل می‌کند - مانند قطب‌هایی که دفع می‌کنند، قطب‌های مخالف جذب می‌شوند - و گشتاوری تولید می‌کند که روتور را به چرخش سوق می‌دهد.
4. با نزدیک شدن روتور به تراز با میدان استاتور (تقریباً هر 180 درجه چرخش)، برس ها روی بخش کموتاتور بعدی می لغزند که جهت جریان در سیم پیچ را معکوس می کند.
5. معکوس کردن جریان، قطبیت مغناطیسی روتور را دقیقاً در لحظه درست تغییر می دهد، بنابراین فشار مغناطیسی به جای متوقف شدن، در همان جهت چرخشی ادامه می یابد.
6. این چرخه سوئیچ و فشار به طور مداوم تکرار می شود و تا زمانی که برق اعمال می شود، چرخش صاف و مداوم ایجاد می کند.

در طول هر چرخه یک لحظه کوتاه وجود دارد که برس‌ها دو بخش کموتاتور را پل می‌کنند و به طور لحظه‌ای بخشی از سیم‌پیچ را اتصال کوتاه می‌کنند - این منبع جرقه‌های کوچک قابل مشاهده در داخل یک موتور برس‌خورده در حال کار است، و همچنین منشأ بیشتر نویز الکتریکی این موتورها است.

چه چیزی یک موتور DC میکرو براش را متفاوت می کند

یک موتور DC میکرو براش دقیقاً از همان اصل کموتاسیونی که در بالا توضیح داده شد استفاده می کند که به طور چشمگیری کاهش یافته است. منابع صنعتی عموماً هر موتوری با قطر کمتر از 30 میلی‌متر را به‌عنوان میکرو موتور طبقه‌بندی می‌کنند و کوچک‌ترین واحدهای برس‌شده تجاری موجود به اندازه قطر 4 میلی متر ، در برنامه هایی مانند میکرو پهپادها و مکانیسم های قفل مینیاتوری استفاده می شود.

بدون هسته در مقابل میکرو موتورهای آهنی

اکثر موتورهای میکرو براش از طراحی روتور بدون هسته (بدون آهن) به جای آرمیچر سنتی هسته آهنی موجود در موتورهای بزرگتر استفاده می کنند. به جای سیم پیچی که به دور یک هسته آهنی پیچیده شده است، سیم پیچ یک ساختار توخالی خود نگهدارنده است. این امر تلفات آهن و چسبندگی را از بین می برد (مقاومت بریدگی که هنگام چرخاندن دستی موتور با دندانه های آهنی احساس می شود) که باعث ایجاد میکرو موتورهای بدون هسته می شود. اینرسی چرخشی بسیار کم و شتاب سریع - یک مزیت معنی دار در دستگاه هایی مانند پیپت ها، مکانیسم های فوکوس دوربین، یا پمپ های کوچک که شروع و توقف سریع و دقیق اهمیت دارد.

مشخصات معمولی

مشخصات بسته به سازنده و کاربرد مورد نظر بسیار متفاوت است، اما جدول زیر ارقام معرف قطر میکرو موتورهای رایج را برای نشان دادن محدوده نشان می دهد.

در انتهای کوچک، برخی از میکروموتورهای برس دار بدون هسته به راندمان می رسند تا 90% ، اگرچه این اوج فقط در سرعت بالا به دست می آید و در سرعت کم یا بار سنگین کاهش می یابد. بسیاری از میکروموتورها نیز با یک گیربکس جفت می شوند تا RPM خام را برای گشتاور قابل استفاده بالاتر معامله کنند، که در کاربردهایی مانند تعادل دقیق، محرک سوپاپ و اتصالات رباتیک کوچک رایج است.

کنترل سرعت و جهت

یکی از مزایای تعیین کننده موتورهای DC برس دار این است که کنترل آنها در مقایسه با جایگزین های بدون جاروبک چقدر ساده است.

• سرعت تقریباً با ولتاژ اعمال شده متناسب است - ولتاژ را افزایش دهید و موتور سریعتر بچرخد، آن را کاهش دهید و موتور کند می شود، بدون نیاز به الکترونیک اضافی برای یک برنامه روشن / خاموش اولیه.
• جهت صرفاً با تعویض قطبیت دو سیم منبع تغذیه معکوس می شود، زیرا این امر جهت جریانی را که کموتاتور بین آن سوئیچ می کند معکوس می کند.
• برای کاربردهای با سرعت متغیر، مدولاسیون عرض پالس (PWM) روش کنترل استاندارد است - به جای تغییر مداوم ولتاژ، منبع تغذیه به سرعت روشن و خاموش می شود و نسبت زمان روشن به زمان خاموش، متوسط ​​ولتاژ موثری را که موتور می بیند تعیین می کند.
• فرکانس PWM به طور خاص برای میکرو موتورها مهم است: رانندگی در فرکانس‌های کمتر از 20 کیلوهرتز می‌تواند لرزش فراصوت شنیداری را در روتور ایجاد کند، بنابراین سازندگان معمولاً توصیه می‌کنند فرکانس در محدوده 40-120 کیلوهرتز برای پایین نگه داشتن ریپل جریان و محافظت از عمر برس.

این رفتار متناسب با ولتاژ همچنین به همین دلیل است که موتورهای برس‌دار برای دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند مناسب هستند - یک تنظیم‌کننده خطی ساده یا درایور اصلی PWM برای کنترل سرعت قابل استفاده کافی است، بدون تجهیزات الکترونیکی کموتاسیون اختصاصی که یک موتور بدون جاروبک فقط برای چرخش به آن نیاز دارد.

طول عمر و آنچه در واقع فرسوده می شود

رابط جاروبک-کموتاتور هم ویژگی است که موتورهای برس خورده را ساده می کند و هم جزیی است که در نهایت عمر کاری آنها را محدود می کند. دو مکانیسم سایش به طور همزمان عمل می کنند: اصطکاک مکانیکی ناشی از لغزش برس در برابر کموتاتور، و فرسایش الکتریکی ناشی از جرقه های کوچک ایجاد شده در هر بار که برس بین قطعات پل می شود.

در مقایسه، موتورهای DC بدون جاروبک می توانند به ده ها هزار ساعت کار کنند زیرا هیچ تماسی برای فرسوده شدن برس-کموتاتور وجود ندارد - در عوض عامل محدود کننده آنها به سایش یاتاقان تغییر می کند. این فاصله طول عمر تنها بزرگترین مبادله ای است که هنگام انتخاب بین برس و بدون جاروبکی می توان وزن کرد: موتورهای برس خورده از قبل هزینه کمتری دارند و رانندگی آنها ساده تر است، اما آنها نیاز به تعویض دوره ای برس در کاربردهای مداوم دارند، در حالی که موتورهای براشلس در ابتدا هزینه بیشتری دارند اما تا حد زیادی از چرخه تعمیر و نگهداری جلوگیری می کنند.

جایی که موتورهای براش و میکرو براش واقعاً استفاده می شود

با وجود رقابت در طراحی‌های بدون جاروبک، موتورهای DC مسواک‌شده رایج باقی می‌مانند زیرا هزینه پایین، کنترل ساده و گشتاور راه‌اندازی بالا دقیقاً همان چیزی است که بسیاری از برنامه‌ها به آن نیاز دارند - به ویژه در مواردی که چرخه کار مداوم یا طول عمر فوق‌العاده در اولویت نیست.

• ابزارهای برقی و لوازم خانگی کوچک، جایی که گشتاور راه اندازی بالا و هزینه واحد پایین بیشتر از حداکثر طول عمر اهمیت دارد.
• اسباب‌بازی‌ها، وسایل نقلیه RC، و هواپیماهای بدون سرنشین سرگرمی، که در آن موتورهای میکرو هسته‌ای در محدوده 8 تا 20 میلی‌متر، RPM بالا را در بسته‌بندی سبک‌وزن ارائه می‌کنند.
• سیستم های کمکی خودرو مانند بالابر پنجره، تنظیم کننده صندلی و پمپ های کوچک.
• ابزار پزشکی و آزمایشگاهی - پیپت ها، سکوهای جابجایی نمونه و ترازوی دقیق اغلب از موتورهای برس کوچک بدون هسته جفت شده با گیربکس و رمزگذار برای حرکت کنترل شده و قابل تکرار استفاده می کنند.
• رباتیک و اتوماسیون کارخانه برای اتصالات یا محرک های کم هزینه که در آن تعویض دوره ای برس یک مورد قابل قبول برای نگهداری است.

انتخاب یک موتور DC میکرو براش: عوامل کلیدی

انتخاب موتور DC میکرو براش مناسب برای یک پروژه به تطبیق تعدادی از مشخصات با محدودیت های واقعی برنامه شما بستگی دارد، نه اینکه صرفاً کوچکترین یا ارزان ترین گزینه موجود را انتخاب کنید.

1. ولتاژ منبع تغذیه را با منبع تغذیه خود مطابقت دهید - رتبه بندی های میکرو موتور معمولی از حدود 1.5 ولت تا 24 ولت است، بنابراین تأیید کنید که ولتاژ نامی موتور با باتری یا منبع تغذیه شما هماهنگ است.
2. فضای موجود را با توجه به قطر و طول موتور بررسی کنید، زیرا موتورهای میکرو معمولاً از 4 میلی متر تا 24 میلی متر و بالاتر در دسترس هستند.
3. تصمیم بگیرید که آیا سرعت خام یا گشتاور اهمیت بیشتری دارد - یک موتور بدون هسته بدون گیربکس از RPM بالا و شتاب سریع استفاده می کند، در حالی که با اضافه کردن یک گیربکس، حداکثر سرعت را با گشتاور قابل استفاده به طور قابل توجهی بالاتر عوض می کند.
4. تخمین چرخه کار و طول عمر مورد نیاز - یک دستگاه مصرف کننده متناوب می تواند به راحتی از یک موتور برس کم هزینه استفاده کند، در حالی که یک کاربرد مداوم ممکن است هزینه اولیه بالاتر موتور بدون جاروبک را توجیه کند.
5. حساسیت نویز الکتریکی را در نظر بگیرید - اگر موتور مداری را با الکترونیک حساس به اشتراک می‌گذارد، بودجه برای سرکوب اولیه EMI را در نظر بگیرید، زیرا کموتاسیون برس ذاتاً نویز الکتریکی ایجاد می‌کند که طراحی‌های بدون جاروبک از آن اجتناب می‌کنند.