Hvordan fungerer børstede motorer? Kommutator, børster og momentkurve forklart

Det korte svaret: Spolens strøm reverserer når den snur

A børstet motor har to magnetiske deler og en roterende bryter. Feltet er stasjonært, produsert av permanente magneter i huset eller av en separat feltvikling. Arbeidsspolene sitter i ankeret, viklet rundt en jernkjerne som er festet til skaftet og fritt til å spinne.

Likestrøm når disse spolene gjennom børstene. Hver børste presser mot kommutatoren, en sylinder av isolerte kobbersegmenter. Strøm kommer inn av den positive børsten, krysser inn i segmentet under den, går gjennom en ankerspole og går gjennom det motsatte segmentet og børsten. Fordi den spolen nå bærer strøm inne i et magnetfelt, føler hver side av den en kraft i rette vinkler på både feltet og strømmen, og de to kreftene virker på motsatte sider av akselen. Armaturen snur seg.

Haken er at en spole med fast strøm vil svinge inn på linje med feltet og stoppe der. Kommutatoren forhindrer det. Når ankeret roterer, glir hver børste fra ett segment til det neste, og reverserer strømmen i den spolen når den krysser det nøytrale planet. Spolens polaritet snur, slik at kraften fortsetter å skyve rotoren samme vei rundt. For hver spole skjer den reverseringen to ganger per omdreining, og timingen er satt av geometri alene: segmentbredde, børstebredde og børsteposisjon.

Hva hver del gjør, og hvilket symptom peker tilbake til det

Når en børstet motor underpresterer, sitter feilen vanligvis på ett av fem steder, og hver av dem etterlater et annet fingeravtrykk.

Kontaktflaten betyr like mye som selve delene. En tynn, jevn, mørk film på kommutatoren fortsetter å bli lav; klart, tørt kobber betyr vanligvis at børstekvaliteten er for slipende, eller at motoren går for lett i lange perioder.

Hvorfor strømmen reverserer to ganger per revolusjon

1. Tilførselsstrømmen kommer inn gjennom den positive børsten og inn i kommutatorsegmentet ved å berøre den.
2. Det segmentet leder strøm gjennom en ankerspole, som blir en elektromagnet med en nord- og en sørende.
3. Den nordlige enden blir frastøtt av stator-nordpolen og tiltrukket av stator-sørpolen, slik at ankeret snur.
4. På nøytralplanet krysser børsten det isolerte gapet mellom segmentene, og strømmen til den spolen kuttes kort.
5. Neste segment tar over, og strømretningen gjennom spolen er nå reversert.
6. Spolens poler har byttet, så kraften fortsetter å presse i samme rotasjonsretning i stedet for å bremse akselen.

En børstet motor er en roterende bryter med en magnet boltet rundt seg. Børstestøv, børstelevetid, radiofrekvensstøy og det praktiske taket på hastighet kommer alle fra den bryteren, og det samme gjør den lave prisen.

Trinn fire er der ingeniørarbeidet går. Under det korte avbruddet prøver induktansen til spolen å holde strømmen flytende, og den energien må gå et sted: en liten bue ved børsteflaten, litt varme eller en spenningstopp som en undertrykkelseskondensator absorberer. Børstekvalitet, fjærtrykk og segmentavstand er valgt for å holde lysbuen liten nok til å overleve tusenvis av timer.

Hastighet, dreiemoment og EMF bak: Lese tallene riktig

En spinnende spole inne i et magnetfelt er også en generator. Spenningen den produserer motsetter seg forsyningen og kalles tilbake EMF, og den vokser med fart. Regnestykket er lett å se.

Ta en 12 V børstet motor med 1,2 ohm ankermotstand. I det øyeblikket bryteren lukkes, er rotoren stasjonær, tilbake-EMK er null og viklingen kan trekke ca. 10 A. En brøkdel av et sekund senere, kjører nær 3000 rpm, kan tilbake-EMK ha steget til omtrent 10,5 V, og etterlater bare 1,5 V over motstanden, eller ca. brunes ut ved hver start.

• Friløpshastighet måles med ingenting på akselen; hastigheten oppgitt på en katalogside er vanligvis verdien ved nominell belastning, som er lavere.
• Toleranser er reelle. Et pluss eller minus 10 prosent vindu på tomgangshastighet er normalt, og det skifter luftstrøm, strømtrekk og støy i det ferdige apparatet.
• Stall dreiemoment er en topp tall for noen få sekunder på det meste. Det er nyttig for dimensjonering av en sikring, ikke for å beskrive kontinuerlig drift.

Der børstede motorer fortsatt vinner i apparatdesign

Elektronikkfri kommutering kjøper et bestemt sett med fordeler, og de er fortsatt viktige i kostnadssensitive produkter:

• Laveste enhetskostnad per watt akseleffekt, spesielt mellom 5 W og 150 W.
• Pålitelig startmoment; motoren trekker hardt fra null hastighet uten kontroller.
• Hastighetskontroll med ett PWM-trinn, en seriemotstand eller en variabel forsyning.
• Retningsendring ved å bytte to avledninger.
• Grasiøs oppførsel når batterispenningen synker.

Denne kombinasjonen holder børstede motorer i stasjonære kjølevifter, fordampende luftkjølere, små viftevarmere, verdifulle kjøkkenavtrekk, vannpumper og en lang liste med biltilbehør.

Apparatprodusenter som sammenligner drivverk for luftbevegelse, vurderer vanligvis begge typer før de låser et design. Tvunget konveksjonskjølere og skrivebordsvifter, for eksempel, har nå DC-alternativer som kjører med variabel hastighet.

Børsteslitasje, varme og elektrisk støy: De ærlige avveiningene

Børstens levetid er det første du må kvantifisere, fordi det setter vedlikeholdsløftet du kan gi. Små kullbørster i motorer av apparatkvalitet varer vanligvis et sted mellom 500 og 2000 driftstimer, og rekkevidden er bred med god grunn: en motor som starter og stopper hele dagen slites raskere enn en som går kontinuerlig, fordi mye av børstetapet skjer i startbuen.

Varme er det andre problemet. Tap vises i kobberet, i jernet og ved børsteflaten, og rotoren har dårligst vei til uteluften. Viklingsisolasjonsklasse, ikke hustemperatur, setter den reelle grensen for kontinuerlig drift. Elektrisk støy er den tredje: hver bue ved børsteflaten er en liten bredbåndssender, og det er grunnen til at børstede motorer ofte leveres med dempningskondensatorer eller choker allerede montert.

Spesifisering av en børstet motor: En praktisk kjøpers sjekkliste

To leverandører kan både oppgi "12 V, 3000 rpm" og fortsatt levere motorer som oppfører seg annerledes i samme apparat, fordi det ene tallet er oppgitt uten belastning og det andre med et spesifikt dreiemoment. Be om lastepunktet skriftlig.

• Nominell spenning, pluss rekkevidden applikasjonen faktisk vil se.
• Tomgangshastighet og tomgangsstrøm.
• Hastighet, dreiemoment og strøm ved tiltenkt driftspunkt.
• Stall dreiemoment, med en tidsbegrensning for hvor lenge det kan holdes.
• Børst levetidsmål i timer ved din virkelige arbeidssyklus.
• Kontinuerlig eller intermitterende tjeneste, og forventet oppstart per time.
• Isolasjonsklasse og maksimal viklingstemperatur.
• Dempingskomponenter montert, og utslippsstandarden de tilfredsstiller.
• Skaftdiameter, lengde og toleranse, pluss flens og skruemønster.
• Akustisk støy i dB(A) ved belastningspunktet, ved oppgitt avstand.
• Sertifiseringer som kreves i destinasjonsmarkedet.

Det hjelper også å jobbe med en liten elmotorleverandør som bygger etter en tegning eller prøve i stedet for bare å sende katalogartikler, fordi to millimeter aksellengde eller en annen børstekvalitet ofte er forskjellen mellom en motor som passer og en som ikke gjør det. Hvordan kommutator og børsteenhet oppfører seg under reell belastning er verdt å gjennomgå før en tegning signeres av.

Børstet eller børsteløst: Velg uten å angre

Beslutningen kommer vanligvis ned til driftssyklus og kontrollkrav snarere enn rå ytelse.

Kjøkkenventilasjon viser skiftet tydelig: ventilatorer kjører i lange og uregelmessige perioder og vurderes på støy ved lav hastighet, så DC-stasjoner med variabel hastighet har tatt en økende andel av dette markedet.