موتور برس خورده چگونه کار می کند؟ اجزای اصلی، اصل کار و موارد استفاده

ماشه را روی یک پیچ گوشتی شارژی بکشید و صدایی که می شنوید از یک موتور DC برس خورده می آید که به زیبایی ساده ای انجام می دهد: تبدیل جریان باتری به چرخش با استفاده از بلوک های کربنی فنری و یک حلقه مسی تقسیم شده. پاسخ کوتاه به نحوه کار این است. جریان از یک منبع برق ثابت، از طریق برس‌هایی که روی یک کموتاتور چرخان می‌لغزند، به سیم‌پیچ‌های سیمی نصب شده روی آرمیچر می‌رود. سیم‌پیچ‌های پرانرژی به آهن‌رباهای الکتریکی تبدیل می‌شوند که به آهن‌رباهای دائمی ثابت فشار می‌آورند، و کموتاتور جهت جریان را در هر نیم‌پیچ برعکس می‌کند، بنابراین نیروی هل دادن شفت را در یک جهت می‌چرخاند.

این عمل سوئیچینگ مکانیکی ویژگی تعیین کننده طراحی است. این توضیح می دهد که چرا موتورهای برس دار ارزان، کنترل آسان و قابل پیش بینی باقی می مانند، و همچنین یک محدودیت صادقانه آنها را توضیح می دهد: رابط تماس فرسوده است. برای هر کسی که اجزایی را برای محصولات با حجم بالا مشخص می کند، درک این مکانیسم تقریباً تمام ویژگی های عملی نوع موتور، از هزینه واحد پایین تا بودجه عمر مفید آن را به حساب می آورد.

چهار قسمتی که چرخش را ممکن می کند

هر موتور DC برس خورده، از یک واحد اسباب‌بازی کوچک گرفته تا مدل صنعتی سری RS، حول چهار بخش اساسی ساخته شده است.

استاتور منبع میدان ثابت است. در موتورهای DC کوچک و متوسط، تقریباً همیشه یک جفت آهنربای دائمی، معمولاً فریت یا نئودیمیم، در داخل محفظه فولادی نصب می‌شوند. استاتور هرگز حرکت نمی کند. یک میدان مغناطیسی ثابت در سراسر روتور فراهم می کند.

روتور که آرمیچر نیز نامیده می شود، قسمت چرخان است. این از ورق های فولادی چند لایه با شکاف هایی ساخته شده است که سیم پیچ های مس عایق بندی شده را نگه می دارند. هنگامی که جریان از آن سیم پیچ ها عبور می کند، آرمیچر به یک آهنربای الکتریکی با قطب شمال و جنوب خود تبدیل می شود.

کموتاتور حلقه ای از قطعات مسی است که روی شفت نصب شده و از یکدیگر عایق شده اند، معمولاً با میکا. با آرمیچر می چرخد ​​و به عنوان کلید مکانیکی موتور عمل می کند.

برس ها بلوک های فنری از کربن یا گرافیت یا در موتورهای بسیار کوچک فلز گرانبها هستند که روی کموتاتور فشار می آورند. آنها تنها پل فیزیکی بین پایانه های برق ثابت و آرمیچر چرخان را تشکیل می دهند. بلبرینگ ها، زنگ های انتهایی و شفت مونتاژ را کامل می کنند، اما این چهار عنصر کار واقعی تبدیل الکتریسیته به حرکت را انجام می دهند.

گام به گام: از جریان به چرخش مداوم

دنباله ای که چرخش ایجاد می کند در حین کارکرد موتور به طور مداوم تکرار می شود:

1. جریان از طریق ترمینال‌های موتور وارد می‌شود و به برس‌ها می‌رسد، که آن را به هر بخش کموتاتوری که در آن لحظه آنها را لمس می‌کند، منتقل می‌کند.
2. از کموتاتور، جریان به سیم پیچ های آرمیچر جریان می یابد. یک هادی حامل جریان، میدان مغناطیسی ایجاد می کند، بنابراین هر سیم پیچ پرانرژی مانند یک آهنربای الکتریکی عمل می کند.
3. قطب های آهنربای الکتریکی با میدان ثابت استاتور تعامل دارند. قطب های مخالف جذب می شوند و مانند قطب ها دفع می شوند و این فشار و کشش گشتاور تولید می کند که آرمیچر را می چرخاند.
4. با چرخش آرمیچر، بخش های کموتاتور زیر برس ها می لغزند. هنگامی که یک سیم پیچ از نقطه تراز عبور می کند، شکاف قطعه از برس عبور می کند و جریان عبوری از آن سیم پیچ معکوس می شود.
5. معکوس کردن، قطب های مغناطیسی سیم پیچ را دقیقاً در لحظه هندسی مناسب عوض می کند، بنابراین به جای قفل شدن در جای خود، آرمیچر همچنان کشیده می شود و در همان جهت به اطراف هل داده می شود.

موتور کوچکی که با سرعت 10000 دور در دقیقه کار می‌کند، تقریباً 330 بار در هر ثانیه این معکوس کردن جریان را انجام می‌دهد و هیچ وسیله الکترونیکی درگیر نیست. هندسه کموتاتور و فشار فنر برس ها به طور خودکار تمام زمان بندی را کنترل می کند. این تفاوت اساسی با طرح‌های بدون جاروبک است، که در آن یک کنترل‌کننده خارجی همان سوئیچینگ را به صورت الکترونیکی با استفاده از بازخورد موقعیت روتور انجام می‌دهد.

چرا سرعت و گشتاور اینقدر قابل پیش بینی رفتار می کنند؟

از آنجایی که میدان استاتور ثابت است و سیم کشی ساده است، رفتار موتور برس خورده از قوانینی پیروی می کند که طراحی آن آسان است:

• سرعت از ولتاژ پیروی می کند. در موتورهای برس دار با آهنربای دائم، سرعت بدون بار تقریباً به صورت خطی با ولتاژ اعمال شده افزایش می یابد، به همین دلیل است که یک تغییر ولتاژ اولیه یا سیگنال PWM برای کنترل آن کافی است.
• گشتاور از جریان پیروی می کند. گشتاور خروجی تقریباً متناسب با جریان آرمیچر است، بنابراین بار سخت تر باعث می شود که موتور به خودی خود جریان بیشتری بکشد.
• Back-EMF خود تنظیم می شود. همانطور که سیم پیچ ها در داخل میدان استاتور می چرخند، ولتاژی تولید می کنند که مخالف منبع تغذیه است. در حالت سکون هیچ کدام وجود ندارد، بنابراین جریان راه اندازی زیاد است. با افزایش سرعت، EMF برگشتی افزایش می‌یابد و جریان کاهش می‌یابد تا زمانی که موتور بدون هیچ سنسوری در حالت تعادل قرار گیرد.
• معکوس فقط به تعویض قطبیت نیاز دارد. معکوس کردن پایانه های تغذیه چرخش را معکوس می کند، که طراحی محرک را برای قفل درب خودرو، تنظیم کننده پنجره ها و پرده های موتوری ساده می کند.

همین سادگی باعث ایجاد مبادله معروف می شود: در راه اندازی، زمانی که EMF برگشتی صفر است، جریان می تواند بسیار بالاتر از سطوح در حال اجرا باشد، بنابراین محصولاتی که با باتری کار می کنند باید این هجوم را تحمل یا محدود کنند.

برس ها و کموتاتورها قطعات سایش هستند

کنتاکت لغزنده ای که کموتاسیون مکانیکی را ممکن می کند نیز نقطه ضعف اصلی آن است. برس‌ها تحت نیروی فنر روی کموتاتور فشار می‌آورند و هر دو سطح با هر چرخش فرسوده می‌شوند. کربن به تدریج در اثر اصطکاک و از قوس های کوچکی که با عبور قطعات از زیر لبه برس برخورد می کند، فرسایش می یابد و در نهایت مواد برس مصرف می شود. عمر مفید موتورهای برس خورده کوچک معمولاً بین یک تا پنج هزار ساعت کارکرد است، اگرچه گسترش گسترده است، زیرا بارهای سنگین پایدار، سرعت های بالا و شرایط مرطوب همگی آن را کوتاه می کنند.

کموتاتور هم پیر می شود. سطح مسی آن می‌تواند حفره، شیار یا یک لایه کربنی مقاوم ایجاد کند، و قوس‌های ناشی از هر رویداد سوئیچینگ تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند که الکترونیک مجاور معمولاً با خازن‌های کوچک در سرتاسر پایانه‌های موتور سرکوب می‌کند.

هیچ کدام از اینها پوسیدگی مدیریت نشده نیست. درجات مواد برس، فشار فنر و روکش کموتاتور با کاربرد تنظیم شده است، و ساختار مهر و موم شده آلاینده ها را در حالی که حاوی ذرات برس ریخته شده است، حفظ می کند. برای یک خریدار، سوال عملی این نیست که آیا برس ها فرسوده می شوند یا خیر، بلکه این است که آیا چرخه کاری محصول به راحتی در بودجه سایش موتور قرار می گیرد یا خیر.

Brushed در مقابل Brushless: آنچه که مکانیسم تصمیم می گیرد

موتورهای براشلس برای حذف کامل رابط پوشیدنی توسعه داده شدند. آنها سیم‌پیچ‌ها را به محفظه ثابت منتقل می‌کنند، آهن‌رباها را روی روتور قرار می‌دهند و برس‌ها و کموتاتور را با یک کنترل‌کننده الکترونیکی جایگزین می‌کنند که جریان را بر اساس موقعیت روتور تغییر می‌دهد. تقریباً هر تفاوت بین این دو نوع از همان تغییر منفرد ناشی می شود.

روند در برخی از دسته ها به وضوح به نفع براشلس، به ویژه هواپیماهای بدون سرنشین و ابزارهای برقی درجه یک است. با این حال، طرح های برس خورده هنوز سهم بزرگی از کاربردهای با حجم بالا را در اختیار دارند که در آن هزینه واحد، سادگی دو سیم، و گشتاور ثابت شده در سرعت پایین بیشتر از حداکثر طول عمر است. نمای کلی ما از چرا موتورهای DC برس خورده سنگ بنای تجهیزات صنعتی هستند این تعادل را با جزئیات بیشتری بررسی می کند.

جایی که موتورهای برس خورده هنوز بهترین جا را دارند

نقاط قوت این مکانیسم مستقیماً بر روی دسته‌های محصول قرار می‌گیرد. موتورهای برس خورده بر دستگاه هایی تسلط دارند که به هزینه کم در هر واحد در حجم تولید، کنترل ساده، گشتاور راه اندازی قوی و اندازه فشرده نیاز دارند: لوازم آشپزخانه، محصولات مراقبت شخصی، تجهیزات تمیزکننده، محرک های خودرو، ابزارهای برقی و اسباب بازی ها.

مثال‌های عینی نشان می‌دهند که چگونه ساخت‌وساز با وظیفه مطابقت دارد. یک موتور پیچ‌گوشتی عمر خود را در شرایط گرد و غباری بین سرعت و سرعت کامل سپری می‌کند، بنابراین محافظت از قطعات داخلی بیش از صرفه‌جویی در گرم اهمیت دارد. RS735 که با فرآیند آب بندی برای پیچ گوشتی های برقی توسعه یافته است، دقیقاً بر اساس همین نیاز طراحی شده است.

موتور DC برس دار 42 میلی متری RS-735 برای لوازم خانگی یک موتور DC آهنربای دائم برس خورده 42 میلی متری که تا 25000 دور در دقیقه می رسد، با ساختار جمع و جور و خروجی سیم روی لبه. این برای چرخه های کاری مهر و موم شده و در معرض گرد و غبار که برای پیچ گوشتی های برقی و سایر درایوهای ابزار خانگی و برقی مورد بحث قرار می گیرد، مناسب است. مشاهده محصول →

موتورهای لوازم خانگی بر اساس نرمی و صدا قضاوت می شوند. یک دستگاه قهوه در حال حاضر هنگام آسیاب کردن و دم کردن صدا ایجاد می کند، بنابراین موتور محرک نباید به خودی خود لرزش ایجاد کند، به همین دلیل است که انواع نرم و روان برای آن کاربرد مشخص شده است.

موتور DC برس کم صدا RS-550SL برای کاغذ خردکن این موتور 65 میلی‌متری DC برس‌شده، گشتاور پایدار، کارکرد نرم با سرعت کم و پایداری حرارتی بهبود یافته را نسبت به نسخه‌های استاندارد RS550 ارائه می‌کند. این نیاز برای عملکرد بی صدا و بدون لرزش در دستگاه های قهوه ساز و دستگاه های مشابه با کار مداوم مطابقت دارد. مشاهده محصول →

محصولات مکش در نقطه مقابل قرار دارند: یک موتور جاروبرقی به طور مداوم با سرعت بالا کار می کند، با یک استاتور مغناطیسی دائمی که چگالی توان بالایی را در یک قاب فشرده ارائه می دهد.

سشوارها، کوبنده‌های تخم‌مرغ، پرده‌های موتوری، پمپ‌های هوای خودرو، و سمپاش‌های باغی همگی از فیزیک یکسانی استفاده می‌کنند که در جهت‌های مختلف تنظیم شده‌اند. بررسی کامل محدوده موتور DC بر اساس کاربرد معمولا سریعتر از شروع از مشخصات عمومی است.

نکات انتخاب عملی قبل از اینکه مشخص کنید

هنگام ارزیابی یک موتور برس خورده برای یک محصول جدید، چهار سؤال بیشتر کار انتخاب را انجام می دهند:

• چرخه کاری: در حال اجرا مداوم، عمر قلم مو را بسیار سریعتر از چرخه های متناوب کوتاه مصرف می کند، بنابراین یک دستگاه قهوه ساز و یک قفل درب خودرو، حتی در سطوح قدرت مشابه، بودجه سایش بسیار متفاوتی دارند.
• مشخصات بار: توقف های مکرر یا نیاز به گشتاور راه اندازی بالا، جریان را فشار می دهد، و جریان چیزی است که برس ها و کموتاتورها را فرسایش می دهد.
• محیط: گرد و غبار، رطوبت و ارتعاش تعیین می کنند که آیا ساخت لوله باز، آب بندی شده یا فولادی مناسب است.
• هدف‌های نویز و EMI: محصولاتی با تجهیزات الکترونیکی حساس یا الزامات صوتی سخت به اجزای مهارکننده و درجه‌های برس کم‌صداتر نیاز دارند که در مراحل اولیه قرار داده شوند، نه به‌روز.

در پایان، یک موتور برس خورده یک ماشین عمداً ساده است: یک میدان مغناطیسی ثابت، یک آهنربای الکتریکی در حال چرخش، و یک کلید مکانیکی که بیش از یک قرن به طور قابل اعتماد عمل کرده است. تطبیق جزئیات ساخت و ساز با برنامه کاری است که موتوری را که صرفاً می چرخد ​​از موتوری که در کل عمر محصول دوام می آورد جدا می کند.