موتور DC برس دار چیست؟ انواع، کاربردها و نحوه عملکرد آن

A موتور DC برس خورده یک موتور الکتریکی با کموتاسیون داخلی است که با جریان مستقیم تغذیه می شود. از برس های کربن یا گرافیت در تماس فیزیکی با یک کموتاتور دوار برای تغییر جهت جریان در سیم پیچ های روتور استفاده می کند و نیروی چرخشی پیوسته ایجاد می کند. موتورهای الکتریکی DC برس خورده از قدیمی ترین و پرکاربردترین انواع موتور در جهان هستند ، به دلیل سادگی، هزینه کم و سهولت کنترل سرعت - حتی بدون تجهیزات الکترونیکی پیشرفته - ارزش گذاری شده است.

اگر به موتوری نیاز دارید که ارزان باشد، با یک سیگنال ولتاژ ساده یا PWM راندن آن آسان باشد و به طور قابل اعتماد در کاربردهای غیرمستمر کار کند، یک موتور DC برس خورده یک انتخاب عالی در سال 2024 باقی می ماند. این راه حل مورد استفاده در محرک های خودرو، ابزارهای برقی، اسباب بازی ها، سیستم های تعیین موقعیت مصرف کننده در جهان و صنعت است.

چگونه یک موتور DC برس خورده کار می کند

اصل عملکرد یک موتور DC برس خورده بر آن تکیه دارد نیروی الکترومغناطیسی (نیروی لورنتس) . هنگامی که جریان از یک هادی در داخل یک میدان مغناطیسی عبور می کند، نیرویی بر آن هادی وارد می شود. موتور از این برای ایجاد چرخش مداوم از طریق چهار جزء اصلی استفاده می کند:

• استاتور (مگنت میدان): قسمت بیرونی ثابت، معمولا آهنرباهای دائمی یا سیم پیچ های میدان زخمی، که میدان مغناطیسی ثابت را ایجاد می کند.
• روتور (آرماتور): هسته داخلی چرخان با سیم پیچ های مسی پیچیده می شود. جریانی که از میان این سیم پیچ ها می گذرد با میدان استاتور برای تولید گشتاور تعامل دارد.
• کموتاتور: یک حلقه مسی قطعه‌بندی شده که روی محور روتور نصب شده است. با چرخش روتور، بخش های مختلف کموتاتور به برس ها متصل می شوند و جهت جریان را در هر سیم پیچ در لحظه مناسب معکوس می کنند تا چرخش ثابت بماند.
• برس ها: کنتاکت‌های کربن یا گرافیت ثابت که بر روی کموتاتور چرخان فشار می‌آورند و جریان را از مدار خارجی به آرمیچر چرخان می‌رسانند.

این کموتاسیون مکانیکی همان چیزی است که موتور DC برس خورده را مشخص می کند - و همچنین چیزی است که طول عمر آن را در مقایسه با طرح های بدون جاروبک محدود می کند. اصطکاک برس باعث سایش، گرما و نویز الکتریکی می شود، اما مکانیسم مستقل است و نیازی به الکترونیک کموتاسیون خارجی ندارد.

انواع اصلی موتورهای DC برس دار

موتورهای DC برس دار بر اساس نحوه اتصال سیم پیچ میدان آنها نسبت به آرمیچر طبقه بندی می شوند. هر پیکربندی مشخصه های گشتاور-سرعت متمایز متناسب با کاربردهای مختلف را تولید می کند.

موتور سری-زخم

سیم پیچ میدان به صورت سری با آرمیچر متصل می شود. این تولید می کند گشتاور راه اندازی بسیار بالا - گاهی اوقات گشتاور 5-8× - که آن را برای کاربردهای کششی مانند قطارهای الکتریکی، جرثقیل ها و موتورهای استارت در موتورهای احتراقی ایده آل می کند. با این حال، سرعت با کاهش بار به شدت افزایش می یابد و یک موتور سری بدون بار می تواند به سرعت های خطرناک "فرار کند".

موتور شنت-زخم

سیم پیچ میدان به صورت موازی (شنت) با آرمیچر متصل می شود. سرعت در طیف وسیعی از بار تقریباً ثابت باقی می‌ماند - معمولاً کمتر از 10٪ از حالت بدون بار تا بار کامل متغیر است. این امر باعث می شود که موتورهای شنت برای ابزارهای ماشینی، فن ها و نوار نقاله هایی که سرعت ثابت در آنها حیاتی است، مناسب باشند.

موتور مرکب

یک موتور مرکب هر دو سیم پیچ سری و شنت را ترکیب می کند و گشتاور راه اندازی بالا را با تنظیم سرعت خوب متعادل می کند. موتورهای ترکیبی تجمعی در آسانسورها، پرس ها و کمپرسورها رایج هستند.

موتور DC برس خورده با آهنربا دائم (PM).

به جای سیم پیچ های میدان زخم، استاتور از آهنرباهای دائمی استفاده می کند. این موتورها هستند جمع و جور، سبک وزن و بسیار کارآمد در اندازه های کوچکتر آنها نوع غالب در اسباب بازی ها، لوازم جانبی خودرو، لوازم کوچک و لوازم الکترونیکی سرگرمی هستند. سرعت به طور مستقیم با ولتاژ اعمال شده متناسب است و کنترل سرعت PWM را ساده می کند.

پارامترهای فنی کلیدی و داده های عملکرد

درک مشخصات یک موتور DC برس خورده برای انتخاب واحد مناسب برای یک برنامه ضروری است. در اینجا مهمترین پارامترها وجود دارد:

رتبه بندی ولتاژ و جریان

اکثر موتورهای DC کوچک برس خورده در محدوده کار می کنند 3 ولت تا 48 ولت DC . موتورهای صنعتی بزرگتر می توانند با ولتاژ 90 ولت، 180 ولت یا 240 ولت DC کار کنند. جریان نامی ظرفیت گشتاور پیوسته موتور را تعیین می کند. بیش از حد آن باعث گرم شدن بیش از حد و سایش برس می شود.

ثابت سرعت (Kv) و Back-EMF

سرعت موتور DC برس دار PM توسط: n = (V - I·R) / Kv در جایی که V ولتاژ تغذیه است، I جریان، R مقاومت آرمیچر و Kv ثابت EMF برگشتی موتور است. یک موتور معمولی PM کوچک با ولتاژ 12 ولت ممکن است با سرعت 3000 تا 6000 دور در دقیقه بدون بار بچرخد و در بار نامی به 2500 تا 5000 دور در دقیقه کاهش یابد.

کارایی

موتورهای DC برس خورده کوچک معمولاً به دست می آورند راندمان 50 تا 75 درصد در نقطه عملیاتی خود موتورهای صنعتی بزرگتر و با طراحی خوب می توانند به راندمان 85 تا 90 درصد برسند. تلفات اصلی عبارتند از مقاومت در برابر تماس برس، تلفات مس آرمیچر (I²R) و تلفات جریان گردابی هسته.

زندگی برس

عمر برس یک عامل مهم در انتخاب موتور برس است. در شرایط معمولی، برس های کربنی در یک موتور کوچک دوام می آورند 500 تا 2000 ساعت کار . موتورهای صنعتی با برس های درجه دقیق می توانند با تعمیر و نگهداری دوره ای به 5000 ساعت برسند. عمر برس با جریان بالا، سرعت بالا، محیط های آلوده یا معکوس های مکرر به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

روش های کنترل سرعت برای موتورهای DC برس خورده

یکی از بزرگترین مزایای عملی موتورهای DC برس خورده این است که چگونه می توان سرعت آن را به راحتی کنترل کرد - این دلیلی کلیدی است که علیرغم اینکه یک فناوری قرن قدمت دارد همچنان محبوب است.

مدولاسیون عرض پالس (PWM)

PWM رایج ترین روش مدرن است. یک ترانزیستور سوئیچینگ یا مدار پل H به سرعت ولتاژ را روشن و خاموش می کند. با تغییر چرخه کار (درصد به موقع)، میانگین ولتاژ و سرعت موتور دقیقاً کنترل می شود. فرکانس های PWM معمولاً از 1 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز متغیر است. در چرخه کاری 50% با منبع تغذیه 12 ولت، موتور 6 ولت موثر دریافت می کند که تقریباً سرعت آن را نصف می کند. کنترل PWM کارآمد است زیرا ترانزیستور یا به طور کامل روشن یا خاموش است و تلفات حرارتی درایور را به حداقل می رساند.

کنترل ولتاژ آرمیچر

تغییر ولتاژ تغذیه DC مستقیماً سرعت کمتر از سرعت نامی موتور را کنترل می کند. این روش صاف است و گشتاور کامل را در هر نقطه سرعت فراهم می کند و در درایوهای DC صنعتی استاندارد است. منبع تغذیه متغیر DC یا مبدل SCR (تریستور) ولتاژ خروجی را از 0 ولت به ولتاژ نامی تنظیم می کند.

تضعیف میدان (برای موتورهای زخمی)

در موتورهای DC برس خورده با میدان زخمی، کاهش جریان میدان میدان مغناطیسی را ضعیف می‌کند و به موتور اجازه می‌دهد سریع‌تر از سرعت پایه خود بچرخد - در برخی از طرح‌ها تا ۲ تا ۳×. این باعث افزایش دامنه سرعت بالاتر از ولتاژ نامی به قیمت کاهش گشتاور می شود که در ماشین ابزارهایی که نیاز به برش های تکمیلی با سرعت بالا دارند مفید است.

کنترل مقاومت (رئوستات)

قرار دادن مقاومت متغیر به صورت سری با آرمیچر باعث کاهش ولتاژ در دو طرف موتور و کاهش سرعت می شود. این قدیمی ترین روش است - ساده و ارزان - اما انرژی را به عنوان گرما هدر می دهد و تنظیم ضعیفی را تحت بارهای مختلف ارائه می دهد. به ندرت در طرح های جدید استفاده می شود اما هنوز در تجهیزات صنعتی قدیمی یافت می شود.

مزایا و معایب موتورهای DC برس دار

درک مبادلات به مهندسان و خریداران کمک می کند تا تصمیم بگیرند که آیا موتور DC برس خورده برای موقعیت خاص آنها انتخاب مناسبی است یا خیر.

مزایا

• هزینه اولیه کم: موتورهای DC برس دار 30 تا 60 درصد کمتر از موتورهای براشلس معادل در بسیاری از دسته بندی های محصولات به دلیل ساخت ساده تر و عدم نیاز به الکترونیک کموتاسیون خارجی، قیمت دارند.
• کنترل سرعت ساده: ولتاژ یا PWM مستقیماً سرعت را با مدارهای ساده و ارزان قیمت کنترل می کند - بدون نیاز به سنسور موقعیت روتور یا سیستم عامل پیچیده.
• گشتاور راه اندازی بالا: به خصوص در پیکربندی های سری پیچ، موتورهای برس خورده گشتاور بالایی را از سرعت صفر ارائه می دهند که برای بارهای با اینرسی بالا ایده آل است.
• چرخش برگشت پذیر: صرفاً معکوس کردن قطبیت جهت چرخش را معکوس می کند - در روباتیک و سیستم های موقعیت یابی ضروری است.
• فناوری بالغ و کاملاً درک شده: چندین دهه داده های مهندسی، قطعات جایگزین و تخصص تعمیرات به طور گسترده در دسترس هستند.

معایب

• سایش و نگهداری برس: برس ها فرسوده می شوند و نیاز به بازرسی و تعویض دوره ای دارند - معمولاً هر 500 تا 2000 ساعت در کاربردهای سخت.
• نویز الکتریکی (EMI): جرقه برس کموتاتور تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می کند که می تواند الکترونیک اطراف را مختل کند و به خازن ها یا فیلترهای سرکوب کننده نیاز دارد.
• راندمان پایین در سرعت های بالا: اصطکاک و افت ولتاژ برس راندمان را کاهش می دهد، به ویژه در بالای 10000 RPM.
• برای محیط های انفجاری مناسب نیست: جرقه برس یک خطر آتش سوزی در اتمسفرهای قابل اشتعال است مگر اینکه موتور به طور خاص محصور شده باشد.
• طول عمر کوتاهتر در مقابل بدون برس: موتورهای DC بدون جاروبک در کاربردهای مشابه، به دلیل عدم سایش مکانیکی برس‌ها، اغلب 3 تا 5× بیشتر عمر می‌کنند.

کاربردهای رایج موتورهای الکتریکی DC برس خورده

علیرغم رقابت از فناوری بدون جاروبک، موتورهای DC برس خورده به دلیل تعادل هزینه و عملکرد، در بسیاری از بخش‌ها غالب هستند.

سیستم های خودروسازی

یک خودروی مدرن می تواند شامل موتورهای 40 تا 80 براش DC برای بالابر پنجره، تنظیم کننده صندلی، موقعیت آینه، دمنده HVAC، برف پاک کن، پمپ سوخت و فرمان برقی. هزینه کم، عملکرد قابل اعتماد آنها در چرخه های کاری متناوب، و سهولت کنترل PWM آنها را به انتخابی استاندارد تبدیل می کند، حتی وقتی که وسایل نقلیه به طور فزاینده ای برقی می شوند.

ابزار قدرت

مته های سیم دار، اره مویی، اره های دایره ای، و آسیاب ها از گذشته توسط موتورهای یونیورسال کار می کردند - نوعی موتور برس دار سری که می تواند با AC یا DC کار کند. این موتورها چگالی توان بیش از حد را ارائه می دهند 200 وات بر کیلوگرم ، امکان طراحی ابزارهای فشرده و سبک را فراهم می کند. در حالی که ابزارهای بدون برس در کاربردهای بی سیم در حال رشد هستند، موتورهای برس دار به دلیل هزینه و سادگی در محصولات سیمی رایج هستند.

اسباب بازی و سرگرمی الکترونیک

ماشین‌های RC، هواپیماهای بدون سرنشین سرگرمی (سطح ورودی) و ربات‌های اسباب‌بازی تقریباً به طور کلی از موتورهای DC برس‌دار با آهنربا دائمی کوچک استفاده می‌کنند. آنها با حجم کمتر از 0.30 دلار در دسترس هستند، با باتری های AA استاندارد (1.5 تا 6 ولت) کار می کنند و سوء استفاده معمول از اسباب بازی ها را تحمل می کنند. بازار جهانی موتورهای اسباب بازی به تنهایی بیش از چند صد میلیون دستگاه در سال است.

اتوماسیون صنعتی و رباتیک

موتورهای DC برس خورده در مراحل تعیین موقعیت دقیق، ابزارآلات آزمایشگاهی و اتصالات روباتیک سبک استفاده می شوند که در آن چرخه کاری متوسط به سرعت عمر برس را تمام نمی کند. منحنی خطی سرعت گشتاور و کنترل مستقیم آنها باعث می شود که به راحتی با کنترلرهای PID ساده در حلقه های کنترل بازخورد ادغام شوند.

تجهیزات پزشکی

ابزارهای جراحی، پمپ های تزریق و هندپیس های دندانپزشکی اغلب از موتورهای DC کوچک و با دقت بالا استفاده می کنند. موتورهای DC برس دار بدون هسته - یک نوع تخصصی بدون آهن در روتور - اینرسی بسیار کم، زمان پاسخ سریع زیر 1 میلی ثانیه، و چرخش صاف در سرعت های پایین را ارائه می دهد، که باعث می شود در کاربردهای پزشکی با بازخورد فشرده ترجیح داده شوند.

موتور DC Brushed در مقابل موتور DC بدون برس: زمان انتخاب هر کدام

ظهور موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) انتخابی واقعی در بسیاری از کاربردها ایجاد کرده است. در اینجا یک راهنمای عملی برای تصمیم گیری بین آنها وجود دارد:

یک موتور DC برس خورده را زمانی انتخاب کنید که: هزینه اولیه بر تصمیم غالب است، برنامه به طور متناوب اجرا می شود، مدار کنترل ساده ترجیح داده می شود، یا طول عمر مورد نیاز کمتر از 3000 تا 5000 ساعت است.

یک موتور DC بدون جاروبک را زمانی انتخاب کنید که: برنامه به طور مداوم در چرخه های کاری بالا اجرا می شود، دسترسی به تعمیر و نگهداری دشوار است، حداکثر بازده بسیار مهم است (به عنوان مثال، سیستم های باتری دار)، یا عمر طولانی 10000 ساعت مورد نیاز است.

نحوه انتخاب موتور DC برس خورده مناسب

این چارچوب انتخاب عملی را دنبال کنید تا یک موتور DC برس خورده را با نیازهای برنامه خود مطابقت دهید:

1. گشتاور بار و سرعت را تعریف کنید: گشتاور مورد نیاز برنامه شما (به N·m یا oz·in) و سرعت خروجی مورد نیاز (در RPM) را محاسبه کنید. موتوری را انتخاب کنید که گشتاور و سرعت نامی آن در نقطه عملیاتی از این مقادیر با حداقل 20 تا 30 درصد حاشیه ایمنی بیشتر باشد.
2. تعیین ولتاژ تغذیه: ولتاژ نامی موتور را با منبع تغذیه موجود خود مطابقت دهید (به عنوان مثال، 12 ولت خودرو، 24 ولت صنعتی، یا باتری 3-6 ولت).
3. تخمین چرخه وظیفه: اگر موتور بیش از 30 تا 60 دقیقه به طور مداوم کار می کند، تأیید کنید که کلاس حرارتی (جریان پیوسته نامی) می تواند آن را تحمل کند. برای کاربردهای با وظیفه بالای 70 درصد، جایگزین های بدون برس را در نظر بگیرید.
4. نوع موتور را انتخاب کنید: آهنربای دائمی برای اکثر کاربردهای کوچک تا متوسط؛ پیچ سری برای گشتاور راه اندازی بسیار بالا. پیچ شنت برای سرعت ثابت تحت بارهای متغیر.
5. الزامات زیست محیطی را تأیید کنید: برای محیط های گرد و غباری یا مرطوب، موتوری با IP54 یا بالاتر از درجه محفظه مشخص کنید. از موتورهای قاب باز در محیط هایی با بخارات قابل اشتعال خودداری کنید.
6. محدودیت های فیزیکی را بررسی کنید: قطر موتور، اندازه شفت، الگوی نصب و وزن در کاربردهای محدود فضا حیاتی هستند. موتورهای بدون هسته بهترین انتخاب زمانی هستند که حداقل اندازه و پاسخ سریع در اولویت هستند.

نکات نگهداری برای افزایش عمر موتور DC برس خورده

تعمیر و نگهداری مناسب می تواند به طور قابل توجهی عمر برس و قابلیت اطمینان موتور را افزایش دهد:

• برس ها را هر 500 تا 1000 ساعت کار بررسی کنید. زمانی که به کمتر از یک سوم طول اصلی خود فرسوده شدند، آنها را تعویض کنید تا از آسیب کموتاتور جلوگیری کنید.
• سطوح کموتاتور را تمیز کنید با یک پارچه خشک یا ایزوپروپیل الکل برای حذف گرد و غبار کربن که می تواند باعث اتصال کوتاه بین بخش های کموتاتور شود.
• فشار فنر برس را بررسی کنید. فشار بسیار کم باعث ایجاد قوس می شود. بیش از حد باعث سایش بیش از حد می شود. از مشخصات نیروی فنر توصیه شده سازنده موتور پیروی کنید.
• به صداهای غیرعادی گوش دهید. صدا زدن، ساییدن یا صدای جیغ بلند از رابط برس-کموتاتور اغلب نشان دهنده فرسودگی سطح کموتاتور یا برس های نامرتب است.
• از عملکرد بیش از حد ولتاژ خودداری کنید. راه اندازی یک موتور DC برس خورده در 10 تا 20 درصد بالاتر از ولتاژ نامی به طور قابل توجهی سایش برس و فرسایش کموتاتور را تسریع می کند.
• یاتاقان ها را همانطور که مشخص شده روغن کاری کنید - معمولاً هر 1000 تا 2000 ساعت با گریس توصیه شده توسط سازنده. روغن کاری بیش از حد برس ها را آلوده کرده و عملکرد را کاهش می دهد.