موتور DC براش چگونه کار می کند؟ راهنمای کامل

A موتور الکتریکی DC برس خورده r با استفاده از الکتریسیته جریان مستقیم، میدان مغناطیسی و یک سیستم سوئیچینگ مکانیکی (برس ها و کموتاتور) برای تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت دورانی پیوسته کار می کند. هنگامی که جریان از سیم پیچ های سیم پیچ در اطراف یک آرمیچر چرخان عبور می کند، نیروی مغناطیسی ایجاد شده باعث چرخش آرمیچر می شود. برس های کربنی روی یک کموتاتور مسی قطعه بندی شده فشار می آورند تا به طور مداوم جهت جریان را در سیم پیچ ها معکوس کنند - آرمیچر را در یک جهت می چرخاند. این مکانیزم زیبا و مستقل، بیش از 150 سال است که همه چیز را از ماشین‌های اسباب‌بازی گرفته تا ماشین‌های صنعتی نیرو می‌دهد.

اصل کار اصلی یک موتور الکتریکی DC برس خورده

عملکرد یک موتور DC براش بر اساس دو قانون اساسی فیزیک است: قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و قانون نیروی لورنتز . هنگامی که یک هادی حامل جریان در داخل یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیروی مکانیکی را تجربه می کند. جهت و مقدار آن نیرو از معادله پیروی می کند:

F = BIL - که در آن F نیرو (نیوتن)، B چگالی شار مغناطیسی (تسلا)، I جریان (آمپر)، و L طول هادی در میدان (متر) است.

در یک موتور DC برس خورده، حلقه‌های هادی متعدد (سیم‌پیچ‌های آرمیچر) در اطراف یک محور چرخان مرکزی مرتب شده‌اند. میدان مغناطیسی یا توسط آهنرباهای دائمی (متداول در موتورهای DC میکرو براش ) یا الکترومغناطیس به نام سیم پیچ میدان (در موتورهای صنعتی بزرگتر رایج تر است). همانطور که جریان از طریق سیم پیچ های آرمیچر جریان می یابد، نیروهای مغناطیسی مخالف در طرف های مخالف سیم پیچ ایجاد یک گشتاور - یک نیروی چرخشی - باعث چرخش شفت می شود.

چالش مهم این است: بدون مداخله، یک سیم پیچ 90 درجه می چرخد ​​تا با میدان هماهنگ شود و متوقف شود. کموتاتور این مشکل را با معکوس کردن جریان دقیقاً در لحظه مناسب حل می کند و نیرو را همیشه در همان جهت چرخشی نگه می دارد.

آناتومی یک موتور الکتریکی DC برس خورده

درک هر جزء روشن می کند که چگونه کل سیستم چرخش مداوم ایجاد می کند:

استاتور (میدان ثابت)

استاتور قاب بیرونی ثابت موتور است. در موتورهای DC کوچک و میکرو براش، استاتور معمولاً حاوی آهنرباهای دائمی (فریت یا نئودیمیم) که میدان مغناطیسی ثابتی تولید می کنند. در موتورهای الکتریکی DC مسواک‌دار بزرگ‌تر، استاتور سیم‌پیچ‌های میدان زخمی را نگه می‌دارد که هنگام برق‌گیری، آهنربای الکتریکی تولید می‌کنند. استاتور محیط مغناطیسی ثابتی را ایجاد می کند که روتور در آن کار می کند.

روتور / آرماتور

روتور (همچنین آرمیچر نامیده می شود) هسته دوار است. از یک هسته آهنی چند لایه تشکیل شده است اسلات های متعدد که سیم‌پیچ‌های مسی در آن پیچیده می‌شوند. لایه لایه شدن هسته باعث کاهش جریان های گردابی اتلاف کننده انرژی می شود. هرچه سیم پیچ های سیم پیچ بیشتر باشد، گشتاور خروجی نرم تر می شود. یک موتور DC کوچک برس خورده معمولی ممکن است داشته باشد 3 تا 12 قطب آرمیچر ، در حالی که میکرو موتورهای دقیق می توانند برای عملکرد فوق العاده روان بیشتر داشته باشند.

کموتاتور

کموتاتور مجموعه ای استوانه ای از بخش های مسی بر روی محور روتور نصب شده و با شکاف های میکای عایق از هم جدا شده است. هر بخش به سیم پیچ آرمیچر خاصی متصل می شود. همانطور که شفت می چرخد، بخش های مختلف با برس ها تماس پیدا می کنند و به طور موثر جریان را به هر سیم پیچی که در موقعیت بهینه برای تولید گشتاور رو به جلو باشد هدایت می کنند. این است یکسو کننده مکانیکی که به جریان DC اجازه می دهد تا چرخش مداوم ایجاد کند.

برس ها

برس ها are stationary conductive contacts — usually made from کامپوزیت کربن-گرافیت - که بر روی کموتاتور چرخان تحت کشش فنر فشار می دهد. آنها به عنوان پل الکتریکی بین مدار خارجی ثابت و آرمیچر چرخان عمل می کنند. کربن به این دلیل انتخاب می شود که رسانای الکتریکی، خود روان کننده و نرم است که ترجیحاً به جای آسیب رساندن به کموتاتور مسی، پوشیده شود. مقاومت تماس برس معمولاً اضافه می کند افت ولتاژ 0.5-2 ولت به مدار.

بلبرینگ و مسکن

بلبرینگ های توپی یا آستینی از محور روتور پشتیبانی می کنند و امکان چرخش با اصطکاک کم را فراهم می کنند. محفظه موتور (یوغ) به طور مکانیکی شامل تمام اجزاء است و در موتورهایی با سیم پیچ میدان زخمی، به عنوان مسیر برگشت شار مغناطیسی نیز عمل می کند.

گام به گام: چگونه موتور DC برس در حرکت کار می کند

در اینجا چرخه عملیاتی کامل به مراحل متوالی تقسیم شده است:

1. ولتاژ DC اعمال می شود در دو پایانه برس، جریان را به مدار هدایت می کند.
2. جریان از طریق برس ها می گذرد به بخش کموتاتور که در حال حاضر در تماس است، سپس به سیم پیچ آرمیچر متصل.
3. سیم پیچ پرانرژی یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند اطراف خود، که با میدان دائمی یا الکترومغناطیس استاتور در تعامل است.
4. نیروی لورنتس روی هادی های سیم پیچ وارد می شود - یک طرف به جلو رانده می شود، طرف مقابل به عقب رانده می شود - ایجاد گشتاور چرخشی روی شفت.
5. روتور شروع به چرخش می کند ، چرخاندن کموتاتور با آن.
6. همانطور که سیم پیچ به تراز مغناطیسی نزدیک می شود ("منطقه مرده")، بخش های کموتاتور تماس را به بخش های سیم پیچ بعدی تغییر می دهند.
7. جریان در سیم پیچ اصلی معکوس می شود و با حفظ گشتاور پیوسته به سیم پیچ بعدی که در موقعیت بهینه قرار گرفته است وارد می شود.
8. این چرخه تکرار می شود ده ها تا هزاران بار در ثانیه، چرخش شفت صاف و پیوسته ایجاد می کند.

سرعت چرخش مستقیماً با ولتاژ اعمال شده (در بار ثابت) و گشتاور خروجی متناسب با جریان است. این رابطه خطی ساده باعث ایجاد موتورهای DC برس خورده می شود فوق العاده آسان برای کنترل - با افزایش ولتاژ سرعت خود را افزایش دهید، با کاهش آن سرعت را کاهش دهید، با تعویض قطبیت معکوس کنید.

انواع موتور برق DC برس دار

موتورهای DC برس دار بر اساس نحوه اتصال سیم پیچ میدان (در صورت وجود) نسبت به آرمیچر طبقه بندی می شوند:

را موتور DC با برس مغناطیسی دائمی تا حد زیادی رایج ترین در کاربردهای مصرفی و خرد است. رابط دو سیم ساده آن (مثبت = جلو، مبادله = معکوس) ادغام آن را در مدارها آسان می کند.

موتورهای DC میکرو براش: کوچک سازی و مشخصات کلیدی

موتورهای DC میکرو براش به سادگی نسخه های کوچک شده موتورهای الکتریکی DC برس دار استاندارد هستند که تحت همان اصول الکترومغناطیسی کار می کنند اما برای کاربردهای دقیق کوچک شده اند. آنها به طور معمول از قطر 4 تا 36 میلی متر و بر روی ولتاژهای بین کار می کنند 1.5 ولت و 24 ولت DC .

مشخصات متداول موتورهای DC میکرو براش

• محدوده ولتاژ: 1.5-24 ولت (متداول ترین: 3 ولت، 5 ولت، 6 ولت، 12 ولت)
• سرعت بدون بار: 1000 تا 30000 دور در دقیقه بسته به ولتاژ و سیم پیچ
• گشتاور استال: 0.1-500 mN·m (میلی نیوتن متر)
• کارایی: به طور معمول 50-75٪ در نقطه عملیاتی بهینه
• وزن: برای کوچکترین مدل ها به اندازه 2 تا 3 گرم
• عمر برس: به طور معمول 500-2000 ساعت کار مداوم

جایی که از موتورهای DC میکرو براش استفاده می شود

علی‌رغم ظهور جایگزین‌های بدون جاروبک، موتورهای DC میکرو براش به دلیل هزینه کم و سادگی در محصولات روزمره غالب باقی می‌مانند:

• وسایل پزشکی: پمپ های تزریق، ابزارهای جراحی دستی، مته های دندانپزشکی، سمعک
• لوازم الکترونیکی مصرفی: مکانیسم های فوکوس خودکار دوربین، درایوهای دیسک نوری، مسواک های برقی
• خودرو: آینه های برقی، تنظیم کننده های صندلی، تنظیم کننده های پنجره، درب های ترکیبی HVAC
• رباتیک و علاقه مند: وسایل نقلیه RC، گیمبال های پهپاد، محرک های ربات کوچک
• اتوماسیون صنعتی: مراحل تعیین موقعیت دقیق، محرک های سوپاپ، توزیع کننده های برچسب

یک موتور DC برس دار استاندارد 130 (که در ماشین های اسباب بازی RC بی شماری استفاده می شود) فقط اندازه گیری می کند 20 میلی متر × 15 میلی متر وزن آن کمتر از 15 گرم است و 12000 تا 15000 دور در دقیقه بر روی منبع تغذیه 3 ولت ارائه می کند - که آن را به یکی از مقرون به صرفه ترین راه حل های حرکتی موجود با حجم کمتر از 0.50 دلار در هر واحد تبدیل می کند.

سرعت و گشتاور: نحوه کنترل موتور DC برس

را brushed DC motor's linear characteristics make it one of the most controllable motor types available. Three primary methods are used:

کنترل ولتاژ

سرعت موتور تقریباً متناسب با ولتاژ اعمال شده است. دوبرابر کردن ولتاژ تقریباً سرعت بی باری را دو برابر می کند. برای موتورهای دارای ولتاژ 12 ولت / 5000 دور در دقیقه، استفاده از 6 ولت تقریباً 2500 دور در دقیقه تولید می کند. این رابطه تا زمانی که اشباع مغناطیسی یا بار قابل توجهی وجود داشته باشد برقرار است.

PWM (مدولاسیون عرض پالس)

را most efficient speed control method. PWM rapidly switches the supply voltage on and off at frequencies typically between 1 کیلوهرتز و 50 کیلوهرتز . یک چرخه کاری 50 درصد، نیمی از ولتاژ متوسط ​​را ارائه می‌کند و با تولید گرمای بسیار کمتر نسبت به کاهش ولتاژ مقاومتی، به نیم سرعت می‌رسد. کنترل کننده های PWM با استفاده از ماسفت ها می توانند دست پیدا کنند بازده 95 درصد در خود مدار کنترل، آنها را به استاندارد در درایورهای موتور مدرن تبدیل می کند (IC های پل H مانند L298N، DRV8833، TB6612FNG).

معکوس جهت

معکوس کردن قطبیت در پایانه های برس فورا جهت چرخش را معکوس می کند. یک مدار H-bridge امکان کنترل جهت الکترونیکی را بدون تعویض فیزیکی سیم‌ها فراهم می‌کند که برای روباتیک و سیستم‌های سروو ضروری است.

موتور DC Brushed در مقابل موتور DC بدون جاروبک: تفاوت های کلیدی

را brushless DC (BLDC) motor replaces mechanical commutation with electronic commutation, eliminating brushes and the commutator entirely. Understanding the trade-offs helps engineers and hobbyists choose the right motor for the job:

را verdict: موتورهای DC برس خورده در سادگی و هزینه برنده می شوند ; موتورهای براشلس بر کارایی و طول عمر پیروز می شوند. برای یک اسباب بازی یکبار مصرف یا یک محرک با چرخه کار پایین، یک موتور برس خورده انتخاب منطقی است. برای یک پهپاد، وسیله نقلیه الکتریکی یا فن صنعتی 24 ساعته، براشلس ارزش حق بیمه را دارد.

مزایا و محدودیت های موتورهای براش DC

مزایا

• رانندگی بسیار ساده: اعمال ولتاژ، موتور کار می کند. بدون نیاز به بازخورد میکروکنترلر یا حسگر برای عملیات اصلی.
• هزینه کم: هزینه تولید انبوه 0.20 تا 2.00 دلار برای اندازه های میکرو استاندارد است.
• گشتاور راه اندازی بالا: موتورهای برس دار سری پیچ گشتاور بسیار بالایی را از RPM صفر ارائه می دهند - ایده آل برای راه اندازی بارهای سنگین.
• سازگاری گسترده: با باتری ها، منابع تغذیه، کنترلرهای PWM و میکروکنترلرهایی مانند آردوینو یا رزبری پای با آی سی های اصلی درایور کار می کند.
• کنترل سرعت آسان: رابطه خطی ولتاژ به سرعت تنظیم سرعت حلقه باز را ساده می کند.

محدودیت ها

• سایش برس: برس های کربنی با گذشت زمان فرسوده می شوند و نیاز به تعویض دوره ای دارند. انتظار می رود 500-2000 ساعت عمر برس بسته به بار و سرعت.
• نویز الکتریکی (EMI): تماس برس-کموتاتور باعث ایجاد جرقه، ایجاد تداخل الکترومغناطیسی می شود که می تواند الکترونیک حساس اطراف را مختل کند. خازن های سرکوب کننده EMI (معمولاً 0.1μF در ترمینال ها) اغلب مورد نیاز است.
• راندمان کمتر: اصطکاک برس و مقاومت در برابر تماس 25 تا 50 درصد انرژی ورودی را به عنوان گرما در نقاط عملیاتی پایین تر هدر می دهد.
• محدودیت سرعت: عملکرد با سرعت بالا سایش برس را تسریع می کند و جرقه کموتاسیون را افزایش می دهد. اکثر موتورهای DC میکرو براش در زیر رتبه بندی شده اند 30000 دور در دقیقه برای عملیات قابل اعتماد
• برای محیط های انفجاری مناسب نیست: جرقه برس باعث ایجاد خطر آتش سوزی در جوهای قابل اشتعال می شود.

نکات کاربردی برای استفاده و تعیین موتورهای DC براش

چه در حال طراحی محصولی پیرامون یک موتور DC میکرو براش هستید یا یک موتور الکتریکی DC برس خورده را برای یک سیستم موجود انتخاب می‌کنید، این دستورالعمل‌های عملی را در نظر داشته باشید:

1. برای حداکثر راندمان با 50 تا 75 درصد ولتاژ نامی کار کنید - راه اندازی یک موتور 12 ولت در 9 ولت اغلب به نقطه اوج بازده در منحنی گشتاور-سرعت می رسد.
2. هرگز بیش از چند ثانیه از جریان استال تجاوز نکنید - جریان توقف (موتور متوقف شده تحت بار کامل) می تواند 5-10× جریان نامی جاری باشد و به سرعت سیم پیچ ها را بیش از حد گرم می کند.
3. یک دیود چرخان آزاد (دیود فلایبک) اضافه کنید در سرتاسر پایانه های موتور هنگام رانندگی با ترانزیستور یا ماسفت - این کار باعث می شود تا هنگام خاموش شدن موتور، افزایش ولتاژ را کاهش دهد و از مدار محرک محافظت کند.
4. از فرکانس های PWM بالای 20 کیلوهرتز استفاده کنید برای عملکرد بی صدا - فرکانس های پایین تر صدای ناله های شنیدنی را از ارتعاش آرمیچر در فرکانس سوئیچینگ تولید می کنند.
5. لحیم کاری خازن های سرکوب EMI (سرامیک 100nF) بین هر ترمینال و محفظه موتور برای کاهش تداخل انجام شده روی PCBهای حساس.
6. کاهش دنده را با نیازهای گشتاور و سرعت خود مطابقت دهید - اکثر موتورهای DC میکرو براش با سرعت 5000 تا 20000 دور در دقیقه می چرخند اما گشتاور کمی تولید می کنند. یک گیربکس سرعت را به طور موثر به گشتاور تبدیل می کند.
7. رتبه بندی عمر قلم مو را در دیتاشیت بررسی کنید - برای کاربردهایی که به 5000 ساعت نیاز دارند، یک جایگزین بدون برس یا موتوری با برس های فلزی گرانبها (که می تواند 3000 تا 5000 ساعت باشد) را در نظر بگیرید.

نکات کلیدی: چرا موتورهای DC برس مرتبط باقی می مانند؟

با وجود اینکه یک اختراع در قرن نوزدهم است، موتور الکتریکی DC برس خورده بخش عظیمی از موتورهای تولید شده امروزی را تامین می کند. برآوردها حاکی از آن است که موتورهای DC برس خورده بیش از 60 درصد از کل واحدهای موتور الکتریکی ارسال شده در سراسر جهان را تشکیل می دهند. ، عمدتاً توسط کالاهای مصرفی با حجم بالا، لوازم جانبی خودرو و کاربردهای صنعتی ارزان قیمت هدایت می شود که در آن سادگی و قیمت آنها بی نظیر است.

را micro brush DC motor in particular occupies a special niche: where miniaturization, cost, and ease of control matter most and duty cycles are moderate. From the vibration motor in your phone's notification haptics to the focusing mechanism in a camera lens, these compact motors do invisible but essential work in modern life.

درک نحوه عملکرد یک موتور DC برس - از نیروی لورنتس که روی سیم‌پیچ‌های آرمیچر تأثیر می‌گذارد تا ترفند معکوس جریان کموتاتور - به مهندسان، سازندگان و دانشجویان پایه‌ای قدرتمند برای انتخاب موتور، طراحی مدار و عیب‌یابی در طیف کاملی از کاربردهای الکترومکانیکی می‌دهد..