Hvordan fungerer børstede motorer? Kommutator, børster og momentkurve forklaret

Det korte svar: Spolens strøm vender, mens den drejer

A børstet motor har to magnetiske dele og en drejekontakt. Feltet er stationært, produceret af permanente magneter i huset eller af en separat feltvikling. Arbejdsspolerne sidder i armaturet, viklet omkring en jernkerne, der er fastgjort til akslen og frit til at dreje.

Jævnstrøm når disse spoler gennem børsterne. Hver børste presser mod kommutatoren, en cylinder af isolerede kobbersegmenter. Strøm kommer ind af den positive børste, krydser ind i segmentet under den, bevæger sig gennem en ankerspole og går gennem det modsatte segment og børste. Fordi den spole nu fører strøm inde i et magnetfelt, føler hver side af den en kraft vinkelret på både feltet og strømmen, og de to kræfter virker på hver sin side af akslen. Armaturet drejer.

Fangsten er, at en spole med fast strøm ville svinge ind på linje med feltet og stoppe der. Kommutatoren forhindrer det. Når ankeret roterer, glider hver børste fra det ene segment til det næste, og vender strømmen i den spole, når den krydser det neutrale plan. Spolens polaritet vender, så kraften bliver ved med at skubbe rotoren samme vej rundt. For hver spole sker denne vending to gange pr. omdrejning, og timingen indstilles alene af geometrien: segmentbredde, børstebredde og børsteposition.

Hvad hver del gør, og hvilket symptom peger tilbage på det

Når en børstet motor underpræsterer, sidder fejlen normalt et af fem steder, og hver enkelt efterlader et forskelligt fingeraftryk.

Kontaktfladen betyder lige så meget som delene selv. En tynd, jævn, mørk film på kommutatoren bliver ved med at være lav; klart tørt kobber betyder normalt, at børstekvaliteten er for slibende, eller at motoren kører for let i lange perioder.

Hvorfor strømmen vender to gange pr. revolution

1. Forsyningsstrømmen kommer ind gennem den positive børste og ind i kommutatorsegmentet ved at røre ved den.
2. Det segment leder strøm gennem en ankerspole, som bliver til en elektromagnet med en nord- og en sydende.
3. Dens nordlige ende frastødes af stator-nordpolen og tiltrækkes af stator-sydpolen, så ankeret drejer.
4. I neutralplanet krydser børsten det isolerede mellemrum mellem segmenterne, og strømmen til den spole afbrydes kortvarigt.
5. Det næste segment tager over, og strømmens retning gennem spolen er nu vendt.
6. Spolens poler er byttet om, så kraften bliver ved med at skubbe i samme rotationsretning i stedet for at bremse akslen.

En børstet motor er en roterende kontakt med en magnet boltet rundt om den. Børstestøv, børstelevetid, radiofrekvensstøj og det praktiske hastighedsloft kommer alt sammen fra den kontakt, og det samme gør den lave pris.

Trin fire er, hvor ingeniørindsatsen går. Under den korte afbrydelse forsøger spolens induktans at holde strømmen løbende, og den energi skal et sted hen: en lille bue ved børstefladen, lidt varme eller en spændingsspids, som en undertrykkelseskondensator absorberer. Børstekvalitet, fjedertryk og segmentafstand er valgt for at holde lysbuen lille nok til at overleve tusindvis af timer.

Hastighed, drejningsmoment og tilbage-EMK: Læsning af tallene korrekt

En roterende spole inde i et magnetfelt er også en generator. Den spænding, den producerer, modarbejder forsyningen og kaldes tilbage EMF, og den vokser med hastighed. Regnestykket er let at se.

Tag en 12 V børstet motor med 1,2 ohm ankermodstand. I det øjeblik kontakten lukker, er rotoren stationær, tilbage-EMK er nul, og viklingen kan trække omkring 10 A. En brøkdel af et sekund senere, kører nær 3.000 rpm, kan tilbage-EMK være steget til ca. 10,5 V, hvilket kun efterlader 1,5 V hen over modstanden, eller omkring 1,25 A alene, og forsyningsmængder, der løber strøm, og forsyningsmængden er en anden strøm, og forsyningsmængden er forskellig. vil brune ud ved hver start.

• Friløbshastighed måles uden noget på akslen; hastigheden angivet på en katalogside er normalt værdien ved nominel belastning, som er lavere.
• Tolerancer er reelle. Et plus eller minus 10 procent vindue på tomgangshastighed er normalt, og det skifter luftstrøm, strømtræk og støj i det færdige apparat.
• Stalldrejningsmoment er et toptal i højst et par sekunder. Det er nyttigt til dimensionering af en sikring, ikke til at beskrive kontinuerlig drift.

Hvor børstede motorer stadig vinder i apparatdesign

Elektronikfri kommutering køber et bestemt sæt fordele, og de betyder stadig noget i omkostningsfølsomme produkter:

• Laveste enhedspris pr. watt akseleffekt, især mellem 5 W og 150 W.
• Pålideligt startmoment; motoren trækker hårdt fra nul hastighed uden en controller.
• Hastighedsstyring med et PWM-trin, en seriemodstand eller en variabel forsyning.
• Retningsændring ved at bytte to ledninger.
• Yndefuld adfærd, når en batterispænding falder.

Denne kombination holder børstede motorer i desktop-køleventilatorer, fordampningsluftkølere, små blæservarmere, værdifulde køkkenudsugninger, vandpumper og en lang række af biltilbehør.

Apparatproducenter, der sammenligner drev til luftbevægelse, vurderer normalt begge typer, før de låser et design. Tvungen konvektionskølere og skrivebordsventilatorer har for eksempel nu DC-alternativer, der kører med variabel hastighed.

Børsteslid, varme og elektrisk støj: De ærlige afvejninger

Børstens levetid er den første ting, der skal kvantificeres, fordi den sætter det vedligeholdelsesløfte, du kan give. Små kulbørster i motorer af apparatkvalitet holder normalt et sted mellem 500 og 2.000 driftstimer, og rækkevidden er bred med god grund: en motor, der starter og stopper hele dagen, slides hurtigere end en, der kører kontinuerligt, fordi meget af børstetabet sker i startbuen.

Varme er det andet problem. Der opstår tab i kobberet, i jernet og ved børstefladen, og rotoren har den dårligste vej til udeluften. Vindingsisoleringsklasse, ikke hustemperatur, sætter den reelle grænse for kontinuerlig drift. Elektrisk støj er den tredje: hver bue ved børstefladen er en lille bredbåndssender, hvilket er grunden til, at børstede motorer ofte leveres med undertrykkelseskondensatorer eller choker allerede monteret.

Specificering af en børstet motor: En praktisk købers tjekliste

To leverandører kan både oplyse "12 V, 3.000 rpm" og stadig levere motorer, der opfører sig forskelligt i samme apparat, fordi det ene tal er angivet uden belastning og det andet ved et bestemt drejningsmoment. Spørg skriftligt efter belastningspunktet.

• Nominel spænding plus det område, som applikationen faktisk vil se.
• Ubelastet hastighed og ubelastet strøm.
• Hastighed, moment og strøm på det tilsigtede driftspunkt.
• Stald moment, med en tidsbegrænsning for, hvor længe det må holdes.
• Børst levetidsmål i timer ved din rigtige arbejdscyklus.
• Kontinuerlig eller intermitterende vagt, og forventede starter pr. time.
• Isolationsklasse og maksimal viklingstemperatur.
• Afskærmningskomponenter monteret, og den emissionsstandard, de opfylder.
• Skaftdiameter, længde og tolerance, plus flange og skruemønster.
• Akustisk støj i dB(A) ved belastningspunktet, i en angivet afstand.
• Der kræves certificeringer på destinationsmarkedet.

Det hjælper også at arbejde med en lille elmotorleverandør der bygger efter en tegning eller prøve i stedet for kun at sende katalogartikler, fordi to millimeter skaftlængde eller en anden børstekvalitet ofte er forskellen mellem en motor, der passer, og en, der ikke gør. Hvordan kommutator og børstesamling opfører sig under reel belastning er værd at gennemgå, før en tegning underskrives.

Børstet eller børsteløs: Vælg uden fortrydelse

Beslutningen kommer normalt til arbejdscyklus og kontrolkrav snarere end rå ydeevne.

Køkkenventilation viser skiftet tydeligt: emhætter kører i lange og uregelmæssige perioder og bedømmes på støj ved lav hastighed, så jævnstrømsdrev med variabel hastighed har taget en voksende del af dette marked.