برس در موتور DC چیست؟ راهنمای موتور DC برس خورده

در یک موتور DC، یک برس یک تماس الکتریکی ثابت است - معمولاً از کربن، گرافیت یا کامپوزیت فلز-گرافیت ساخته شده است - که برای انتقال جریان الکتریکی بین مدار خارجی ثابت و سیم‌پیچ‌های آرمیچر در حال چرخش، به یک کموتاتور چرخان فشار می‌آورد. قلم مو چیزی است که باعث می شود a موتور الکتریکی DC برس خورده خود جابه‌جایی مکانیکی : همانطور که روتور می چرخد، برس ها تماس الکتریکی مداوم را با بخش های متوالی کموتاتور حفظ می کنند و به طور خودکار جهت جریان را در هر سیم پیچ آرمیچر در لحظه مناسب برای حفظ چرخش معکوس می کنند. بدون برس، هیچ مسیر جریانی به روتور وجود ندارد و موتور نمی تواند کار کند.

نقش برس در موتور الکتریکی DC برس خورده

برای درک آنچه که یک قلم مو انجام می دهد، دیدن آن در چارچوب سیستم کامل کموتاسیون کمک می کند. یک موتور الکتریکی DC برس دار دارای چهار جزء کلیدی در انتقال جریان و سوئیچینگ است:

آرمیچر (روتور) - مجموعه دوار با سیم پیچ های مسی که هنگام حمل جریان، گشتاور الکترومغناطیسی تولید می کنند، پیچیده شده است.
کموتاتور - یک حلقه مسی تقسیم شده که روی شفت روتور نصب شده است. هر بخش به یک سر سیم پیچ آرمیچر متصل می شود
برس ها - کنتاکت های ثابت فنری که روی سطح کموتاتور سوار می شوند. معمولاً دو برس با فاصله 180 درجه از یکدیگر برای یک موتور دو قطبی اصلی قرار دارند
نگه دارنده برس - مجموعه مکانیکی که هر برس را در زاویه صحیح در برابر کموتاتور قرار می دهد و فشار تماس ثابتی را اعمال می کند، معمولا 15 تا 35 کیلو پاسکال برای گریدهای کربن-گرافیت

همانطور که روتور می چرخد، هر برس از یک بخش کموتاتور به قسمت بعدی می لغزد. در هر انتقال، جهت جریان در سیم پیچ متصل به آن بخش معکوس می شود - این تغییر است. برس این عملکرد سوئیچینگ را صرفاً از طریق هندسه تماس فیزیکی خود و بدون نیاز به وسایل الکترونیکی انجام می دهد. همین سادگی است که باعث می شود برس موتور DC یکی از ساده ترین و پرکاربردترین معماری های موتور در تاریخ.

انواع برس های مورد استفاده در موتورهای DC

همه برس های موتور DC از یک ماده ساخته نمی شوند. ترکیب بر اساس ولتاژ، چگالی جریان، سرعت و محیط کار موتور انتخاب می شود. چهار دسته اصلی مواد برس وجود دارد:

انواع مواد رایج برس مورد استفاده در موتورهای الکتریکی DC برس خورده و ویژگی های کاربرد آنها
نوع قلم مو	ترکیب	بهترین برای	چگالی جریان معمولی
کربن-گرافیت	60-70٪ گرافیت، 20-30٪ کربن سیاه، چسب	موتورهای همه منظوره، لوازم خانگی، ابزار برقی	5-10 A/cm²
الکتروگرافی	کربن عملیات حرارتی بالای 2500 درجه سانتیگراد	موتورهای پرسرعت، موتورهای کششی	8-15 A/cm²
فلز گرافیت	30 تا 90 درصد گرافیت پودر مس یا نقره	ولتاژ پایین، جریان بالا (استارت خودرو، موتور DC میکرو براش س)	15-25 A/cm²
گرافیت طبیعی	پوسته پوسته گرافیت عمدتا طبیعی است	کاربردهای حلقه لغزش کم اصطکاک، ابزار دقیق	3-6 A/cm²

به طور خاص در موتورهای DC میکرو براش، برس های فلز گرافیت با محتوای مس بالا (60-80٪ مس) استاندارد هستند زیرا ولتاژ عملیاتی کم (معمولاً 3 ولت تا 24 ولت) و چگالی جریان نسبی بالا به ماده ای با مقاومت تماس کم نیاز دارد. برس های کربن-گرافیت، که مقاومت بیشتری دارند، باعث افت ولتاژ غیرقابل قبولی در سطح تماس در مدار میکرو موتور 3 ولت یا 5 ولت می شوند.

چگونه براش و کموتاتور با هم کار می کنند تا چرخش را هدایت کنند

فرآیند تعویض فیزیکی ارزش دنبال کردن گام به گام را دارد، زیرا هم عملکرد اساسی برس و هم محدودیت‌های ذاتی آن را روشن می‌کند:

جریان DC از طریق برس مثبت وارد موتور می شود، که بر روی یک بخش کموتاتور متصل به سیم پیچ آرمیچر A فشار می آورد. جریان از سیم پیچ A عبور می کند و یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که با میدان استاتور برای تولید گشتاور تعامل دارد.
گشتاور باعث چرخش روتور می شود. همانطور که انجام می شود، بخش کموتاتور متصل به سیم پیچ A از برس مثبت دور می شود و یک بخش جدید - متصل به سیم پیچ B - به سمت تماس می لغزد.
به طور همزمان، قطعه ای که قبلاً به سیم پیچ A متصل شده بود، به برس منفی می رسد و جهت جریان را از طریق سیم پیچ A معکوس می کند.
این چرخه با چرخش روتور به طور مداوم تکرار می شود، با رابط برس-کموتاتور به عنوان یک کلید مکانیکی عمل می کند که دقیقاً در زاویه روتور مناسب شلیک می کند - تقریباً هر 60 درجه در یک کموتاتور شش قطعه استاندارد.

لحظه کوتاهی که یک برس به طور همزمان از دو بخش کموتاتور مجاور عبور می کند، نامیده می شود. فاصله کموتاسیون . در طول این بازه، سیم پیچی که سوئیچ می‌شود به‌طور لحظه‌ای از طریق برس اتصال کوتاه می‌کند - انتخاب مناسب مواد برس و هندسه کموتاتور، نوک جریان و قوس الکتریکی ناشی از آن را به حداقل می‌رساند.

ساختار موتور DC براش: همه اجزای کلیدی

یک موتور DC براش – چه یک واحد صنعتی بزرگ و چه یک موتور DC میکرو براش کوچک – معماری اساسی یکسانی دارد. اجزای زیر تقریباً در هر موتور الکتریکی DC برس خورده وجود دارد:

استاتور (مجموعه میدانی)

استاتور میدان مغناطیسی ثابت را فراهم می کند. در موتورهای DC برس آهنربای دائم (متداول ترین نوع در کاربردهای کوچک و کوچک)، استاتور از آهنرباهای دائمی تشکیل شده است که به داخل محفظه موتور متصل شده اند. در موتورهای بزرگ‌تر، استاتور سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیس (سیم‌پیچ سری، شنت یا ترکیبی) را حمل می‌کند که از منبع DC یکسان یا منبع تحریک جداگانه تغذیه می‌شوند.

روتور (آرماتور)

روتور یک هسته آهنی چند لایه با سیم پیچ های متعدد سیم مسی است. لمینیت هسته با ورق های فولادی عایق نازک ( معمولاً 0.35 تا 0.65 میلی متر ضخامت دارد ) تلفات جریان گردابی را کاهش می دهد که در غیر این صورت انرژی را هدر می دهد و گرما تولید می کند. تعداد شکاف‌های آرمیچر و بخش‌های کموتاتور مطابقت دارد - شکاف‌های بیشتر به معنای خروجی گشتاور نرم‌تر و کاهش ریپل است.

کموتاتور

کموتاتور از قطعات مسی سخت کشیده شده توسط عایق میکا ماشینکاری شده است. در یک موتور DC میکرو براش، قطر کموتاتور ممکن است تنها چند میلی متر باشد، در حالی که موتورهای صنعتی می توانند کموتاتورهای بیش از 500 میلی متر داشته باشند. سطح مس باید در داخل آن حفظ شود تحمل ریزش ± 0.02 تا 0.05 میلی متر برای جلوگیری از جهش برس، قوس و سایش ناهموار.

برس و جا برس

برس‌ها در نگهدارنده‌های برس فنری قرار می‌گیرند که فشار تماس ثابتی را در برابر کموتاتور حفظ می‌کنند، زیرا برس در طول عمر مفید فرسوده می‌شود. بیشتر موتورهای DC برس دارای یک نشانگر سایش - یا یک خط مشخص شده روی بدنه برس یا یک مشخصات حداقل طول - هستند تا در صورت نیاز به تعویض سیگنال دهند. یک برس معمولی کربن-گرافیت برای یک موتور 1 کیلوواتی شروع به کار می کند طول 25-40 میلی متر و هنگام ساییدگی تا 8 تا 10 میلی متر باید تعویض شود.

بلبرینگ های انتهایی و شفت

زنگ‌های انتهایی (درپوش‌های انتهایی) محفظه موتور را می‌بندند و محور روتور را از طریق بلبرینگ یا یاتاقان‌های آستینی پشتیبانی می‌کنند. آنها همچنین نقاط نصب را برای نگهدارنده‌های برس فراهم می‌کنند و تراز برس به کموتاتور را تحت بار و لرزش ثابت نگه می‌دارند.

موتور DC میکرو براش: کوچک سازی و ملاحظات ویژه

موتور DC میکرو براش اصول کارکردی مشابه یک موتور الکتریکی DC برس دار سایز کامل را اعمال می کند، اما آنها را به قطرهایی کوچک می کند که معمولاً از آنها متغیر است. 4 میلی متر تا 36 میلی متر و توان خروجی از میلی وات تا چند وات. این کوچک سازی چالش های مهندسی را معرفی می کند که در مقیاس های بزرگتر وجود ندارند.

طراحی برس در موتورهای میکرو

در موتور DC میکرو براش، برس‌ها اغلب به جای بلوک‌های کربنی فشرده، از فلز گرافیت نازک یا ورق آلیاژ فلز گرانبها مهر و موم شده یا ساخته می‌شوند. برس های فلزات گرانبها (نقره-پالادیوم یا آلیاژهای طلا) در کوچکترین موتورها - مانند طرح های بدون هسته 6 میلی متری و 8 میلی متری - استفاده می شود زیرا آنها مقاومت تماس بسیار کم (زیر 10 mΩ) و اساساً ضایعات سایش صفر، که فضاهای کوچک داخلی را آلوده می کند. مبادله هزینه است: برس های فلزات گرانبها 5 تا 20 برابر گران تر از گریدهای کربن هستند.

طراحی روتور بدون هسته

بسیاری از موتورهای DC میکرو براش با کارایی بالا از یک روتور بدون هسته (بدون آهن) استفاده می کنند - یک سیم پیچ مسی توخالی خود نگهدار و بدون لایه های آهنی. بدون هسته آهنی، اینرسی چرخشی به طور چشمگیری کاهش می‌یابد و به موتور اجازه می‌دهد تا در آن شتاب بگیرد و کند شود. میلی ثانیه به جای ده ها میلی ثانیه . میکرو موتورهای بدون هسته در رباتیک جراحی، سیستم‌های فوکوس خودکار دوربین و دستگاه‌های بازخورد لمسی دقیق که در آن زمان پاسخ بسیار حیاتی است، استاندارد هستند.

عمر عملیاتی در موتورهای DC میکرو براش

سایش برس عامل اصلی محدود کننده عمر در هر موتور الکتریکی DC برس خورده است، اما به ویژه در موتورهای میکرو که تعویض اغلب غیرعملی است، بسیار مهم است. تولیدکنندگان به موتورهای DC میکرو براش با برس های کربنی امتیاز می دهند 500 تا 2000 ساعت عملکرد مداوم، در حالی که نسخه‌های برس فلزی گرانبها تا 3000 تا 5000 ساعت تحت بارهای سبک بار، سرعت و رطوبت محیطی همگی به طور قابل توجهی بر عمر مفید واقعی تأثیر می گذارند.

ویژگی های کلیدی عملکرد موتور DC براش

موتور الکتریکی DC برس دار دارای مجموعه مشخصی از ویژگی های عملکردی است که کنترل آن را قابل پیش بینی و ساده می کند:

پارامترهای عملکرد برای انواع موتورهای DC برس از مینیاتوری تا صنعتی با قدرت متوسط
پارامتر	محدوده معمولی (موتور DC برس کوچک و متوسط)	یادداشت ها
ولتاژ کاری	3 ولت - 240 ولت DC	میکرو موتورها معمولاً 3-24 ولت؛ صنعتی تا 700 ولت
سرعت بدون بار	1000 تا 30000 دور در دقیقه	میکرو موتورهای بدون هسته به سرعت 50000 تا 100000 RPM می رسند
کارایی	65-85٪	تلفات تماس برس 2 تا 5 درصد از توان ورودی را تشکیل می دهد
روش کنترل سرعت	PWM یا ولتاژ متغیر	رابطه سرعت-ولتاژ خطی کنترل را ساده می کند
گشتاور راه اندازی	بالا (2–5× گشتاور نامی)	مزیت نسبت به انواع موتورهای AC در سرعت کم
عمر مفید برس	500 تا 5000 ساعت	بستگی به درجه مواد، بار و محیط دارد

یکی از کاربردی ترین ویژگی های موتور الکتریکی DC برس خورده آن است رابطه خطی بین سرعت و ولتاژ اعمالی : دوبرابر شدن ولتاژ سرعت بی باری را تقریباً دو برابر می کند. این امر کنترل سرعت را بصری و ارزان می‌کند - یک درایور ساده PWM (مدولاسیون عرض پالس) با هزینه چند دلاری می‌تواند کنترل سرعت متغیر صاف را از سرعت نزدیک به صفر تا کامل ارائه دهد.

مزایای موتور DC براش نسبت به طرح های بدون برس

با وجود ظهور موتورهای DC بدون جاروبک در بسیاری از کاربردها، موتور الکتریکی DC برس دار مزایای قابل توجهی را در زمینه های خاص حفظ می کند:

هزینه سیستم کمتر - یک موتور DC برس نیازی به کنترل کننده کموتاسیون الکترونیکی ندارد. کنترل سرعت و جهت را می توان با یک ترانزیستور یا یک مدار پل H پایه به دست آورد که به طور چشمگیری هزینه کل سیستم را در کاربردهای مصرف کننده با حجم بالا کاهش می دهد.
کنترل سرعت ساده - مشخصه سرعت-ولتاژ خطی به این معنی است که ولتاژ متغیر یا چرخه وظیفه PWM مستقیماً سرعت موتور را بدون سنسورهای بازخورد در بسیاری از کاربردها تنظیم می کند.
گشتاور راه اندازی بالا - موتورهای DC برس حداکثر گشتاور را در حالت توقف (سرعت صفر) ایجاد می کنند که آنها را برای کاربردهایی که نیاز به نیروی راه اندازی بالا دارند مانند پنجره های خودرو، تنظیم کننده های صندلی و محرک های سوپاپ ایده آل می کند.
کنترل دو طرفه بی اهمیت است - معکوس کردن جهت موتور فقط مستلزم معکوس کردن دو سیم منبع تغذیه است، بدون نیاز به برنامه ریزی مجدد یا تغییر کنترل کننده
در دسترس بودن و قابلیت تعویض - موتورهای الکتریکی DC برس خورده از صدها سازنده در طیف وسیعی از اندازه‌ها، ولتاژها و پیکربندی‌های شفت در دسترس هستند. قطعات جایگزین از جمله برس استاندارد و ارزان هستند

محدودیت های ناشی از قلم مو: چرا در تصمیم گیری های طراحی مهم است

برس همچنین منبع اصلی محدودیت ها در موتور الکتریکی DC برس خورده است. درک این محدودیت ها هنگام تصمیم گیری بین موتور DC براش و جایگزین بدون جاروبک ضروری است:

سایش مکانیکی و عمر سرویس محدود

برس ها وقتی روی کموتاتور می لغزند فرسوده می شوند. میزان سایش به چگالی جریان، فشار فنر، سرعت و محیط بستگی دارد - اما هیچ موتور DC برس از جایگزینی نهایی برس جلوگیری نمی کند. در برنامه های کاربردی خواستار ده ها هزار ساعت خدمات (پنکه های تهویه مطبوع، پمپ ها، درایوهای صنعتی)، طراحی های بدون جاروبک این نیاز تعمیر و نگهداری را به طور کامل حذف می کنند.

قوس الکتریکی و تولید EMI

رویداد کموتاسیون - زمانی که یک قلم مو بین بخش‌ها جابه‌جا می‌شود - قوس الکتریکی ایجاد می‌کند. این قوس الکتریکی تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می‌کند که می‌تواند الکترونیک اطراف را مختل کند. موتورهای الکتریکی DC برس خورده که در محیط‌های حساس (دستگاه‌های پزشکی، ابزار دقیق، تجهیزات رادیویی) استفاده می‌شوند، به اجزای مهارکننده EMI (خازن‌ها، دانه‌های فریت، مدارهای اسنابر) نیاز دارند که هزینه و پیچیدگی را اضافه می‌کنند.

محدودیت سرعت و چگالی توان

در سرعت های بسیار بالا، پرش و قوس برس شدید می شود. موتورهای DC برس کربن استاندارد معمولاً به سرعت سطح کموتاتور در زیر محدود می شوند 25-35 متر بر ثانیه . بالاتر از این آستانه، جابجایی مکانیکی غیرعملی می‌شود و طرح‌های بدون برس یا حلقه‌های لغزنده ترجیح داده می‌شوند. به همین دلیل است که درایوهای سروو با کارایی بالا بیش از تقریباً 10 کیلو وات تا حد زیادی به فناوری براشلس منتقل شده اند.

نامناسب برای محیط های انفجاری یا مرطوب

قوس در رابط برس-کموتاتور باعث می شود که موتورهای الکتریکی DC برس خورده استاندارد برای استفاده در محیط های قابل اشتعال گاز، گرد و غبار یا بخار بدون محفظه های ضد انفجار نامناسب باشند. موتورهای براشلس که هیچ منبع قوس داخلی ندارند، ذاتاً در این تنظیمات ایمن تر هستند.

جایی که امروزه از موتورهای براش DC استفاده می شود

علیرغم رقابت از فناوری بدون برس، موتور الکتریکی DC برس دار - از جمله موتور میکرو براش DC - انتخاب غالب در طیف گسترده ای از کاربردها است که ترکیبی از هزینه کم، سادگی و عملکرد آن بی نظیر است:

مناطق کاربرد رایج برای موتورهای الکتریکی DC برس خورده و موتورهای DC میکرو براش بر اساس محدوده توان
دسته برنامه	نمونه های خاص	اندازه موتور
خودرو	بالابر پنجره، تنظیم کننده صندلی، موتور آینه، برف پاک کن، پمپ بنزین	20-150 وات
لوازم الکترونیکی مصرفی	مسواک برقی، ماشین اصلاح، اسباب بازی، پنکه کوچک، درایو CD/DVD	0.5-20 وات
دستگاه های پزشکی	پمپ های تزریق، هندپیس های جراحی، مفاصل مصنوعی، اجزای سمعک	0.05–10 وات (میکرو)
اتوماسیون صنعتی	محرک های نوار نقاله، موقعیت دهنده های شیر، اتصالات رباتیک کوچک	10 وات تا 5 کیلو وات
ابزارهای برقی	دریل طناب دار، چرخ زاویه ای، اره مویی، اره گرد	200W-2kW
Robotics and R&D	موتورهای DC میکرو براش در ربات های متحرک، گیمبال های دوربین، اتوماسیون آزمایشگاهی	0.1–50 وات (میکرو)

تعمیر و نگهداری و تعویض برس: دستورالعمل های عملی

در موتورهای الکتریکی DC برس دار که تعویض برس عملی است، پیروی از یک برنامه تعمیر و نگهداری عمر کموتاتور را افزایش می دهد و از خرابی موتور جلوگیری می کند.

هر 500 ساعت کار برس ها را بررسی کنید در کاربردهای چرخه کاری بالا؛ هر 1000 تا 2000 ساعت در محیط های استفاده متناوب
برس‌ها را قبل از رسیدن به حداقل طول مشخص‌شده روی برس یا مشخص‌شده در برگه اطلاعات موتور تعویض کنید. از دست دادن ناگهانی فشار تماس و قوس شدید که در عرض چند دقیقه به کموتاتور آسیب می رساند
پس از نصب برس های جدید، اجازه دهید a دوره نشستن (نشستن) 1 تا 3 ساعت در بار سبک قبل از عملیات بار کامل؛ برس های جدید دارای سطوح تماس مسطح هستند که باید برای سطح تماس کامل با سطح منحنی کموتاتور مطابقت داشته باشد.
هنگام تعویض برس، سطح کموتاتور را با یک پارچه بدون پرز و ایزوپروپیل الکل تمیز کنید. اکسیداسیون نور طبیعی و در واقع مفید است (لایه نازک اکسید اصطکاک را کاهش می دهد)، اما رسوبات کربن غلیظ مقاومت تماس را افزایش می دهد.
همیشه برس‌ها را در جفت‌های همسان جایگزین کنید - سایش نامتقارن برس باعث توزیع ناهموار جریان می‌شود و سایش کموتاتور را در سمتی که توسط برس کوتاه‌تر ارائه می‌شود تسریع می‌کند.

در موتورهای DC میکرو براش، به دلیل مقیاس فیزیکی کوچک، برس ها معمولاً برای کاربر قابل سرویس نیستند. هنگامی که یک میکرو موتور به پایان عمر برس می رسد، موتور کامل معمولاً جایگزین می شود - که در کل هزینه مالکیت در مرحله طراحی سیستم لحاظ می شود.