Jak fungují kartáčové motory? Vysvětlení komutátoru, kartáčů a křivky točivého momentu

Krátká odpověď: Proud cívky se při otáčení obrací

A kartáčovaný motor má dvě magnetické části a jeden otočný spínač. Pole je stacionární, vytvářené permanentními magnety v pouzdře nebo samostatným budicím vinutím. Pracovní cívky jsou umístěny v kotvě, navinuté kolem železného jádra, které je připevněno k hřídeli a volně se otáčí.

Stejnosměrný proud se do těchto cívek dostává přes kartáče. Každý kartáč tlačí na komutátor, válec z izolovaných měděných segmentů. Proud vstupuje kladným kartáčem, prochází do segmentu pod ním, prochází jednou cívkou kotvy a odchází přes opačný segment a kartáč. Protože tato cívka nyní nese proud uvnitř magnetického pole, každá její strana cítí sílu v pravém úhlu k poli i proudu a tyto dvě síly působí na opačné strany hřídele. Armatura se otáčí.

Háček je v tom, že cívka s pevným proudem by se vychýlila do roviny s polem a zastavila by se tam. Komutátor tomu brání. Jak se kotva otáčí, každý kartáč klouže z jednoho segmentu do druhého a obrací proud v této cívce, když prochází neutrální rovinou. Polarita cívky se překlopí, takže síla tlačí rotor stále stejným směrem. U každé cívky se toto obrácení děje dvakrát za otáčku a časování je nastaveno samotnou geometrií: šířkou segmentu, šířkou kartáče a polohou kartáče.

Co každá část dělá a který příznak na ni poukazuje

Když kartáčovaný motor nefunguje správně, chyba se obvykle nachází na jednom z pěti míst a každé zanechává jiný otisk prstu.

Na kontaktní ploše záleží stejně jako na samotných dílech. Tenký, rovnoměrný, tmavý film na komutátoru udržuje nízký oblouk; světlá suchá měď obvykle znamená, že druh kartáče je příliš abrazivní nebo že motor běží příliš lehce po dlouhou dobu.

Proč se proud obrátí dvakrát za revoluci

1. Napájecí proud vstupuje přes kladný kartáč a dotýká se ho do segmentu komutátoru.
2. Tento segment vede proud přes jednu cívku kotvy, která se stává elektromagnetem se severním a jižním koncem.
3. Jeho severní konec je odpuzován severním pólem statoru a přitahován k jižnímu pólu statoru, takže se kotva otáčí.
4. V neutrální rovině kartáč prochází izolovanou mezerou mezi segmenty a proud do této cívky je krátce přerušen.
5. Další segment převezme řízení a směr proudu procházejícího cívkou je nyní obrácený.
6. Póly cívky se prohodily, takže síla stále tlačí ve stejném směru otáčení namísto brzdění hřídele.

Kartáčovaný motor je otočný spínač s magnetem přišroubovaným kolem něj. Prach z kartáčů, životnost kartáčů, vysokofrekvenční hluk a praktický strop rychlosti – to vše pochází z tohoto spínače, stejně jako nízká cena.

Ve čtvrtém kroku jde inženýrské úsilí. Během krátkého přerušení se indukčnost cívky snaží udržet proud v toku a tato energie musí někam jít: malý oblouk na čele kartáče, trochu tepla nebo napěťová špička, kterou absorbuje odrušovací kondenzátor. Stupeň kartáče, tlak pružiny a rozteč segmentů jsou zvoleny tak, aby byl oblouk dostatečně malý, aby přežil tisíce hodin.

Rychlost, točivý moment a zpětná EMF: Čtení čísel správně

Rotující cívka uvnitř magnetického pole je také generátor. Napětí, které produkuje, odporuje napájení a je nazýváno zpětným EMF a roste s rychlostí. Aritmetika je snadno vidět.

Vezměte 12 V kartáčovaný motor s odporem kotvy 1,2 ohmu. V okamžiku, kdy se spínač zavře, rotor je nehybný, zpětné EMF je nulové a vinutí může odebírat asi 10 A. O zlomek sekundy později, běžící kolem 3 000 ot./min, může zpětné EMF stoupnout zhruba na 10,5 V, takže na odporu zbývá pouze 1,5 V, nebo asi 1,25 A. Startovací proud a docházející proud na každém spouštěcím proudu jsou odlišné veličiny, hnědá.

• Volnoběžné otáčky se měří s ničím na hřídeli; rychlost uvedená na stránce katalogu je obvykle hodnota při jmenovitém zatížení, které je nižší.
• Tolerance jsou skutečné. Okno plus minus 10 procent na otáčkách bez zatížení je normální a posouvá tok vzduchu, odběr proudu a hluk v hotovém spotřebiči.
• Točivý moment při zastavení je maximální hodnota po dobu několika sekund. Je to užitečné pro dimenzování pojistky, ne pro popis trvalého provozu.

Kde kartáčované motory stále vítězí v designu spotřebičů

Komutace bez elektroniky přináší specifickou sadu výhod, které jsou stále důležité u cenově citlivých produktů:

• Nejnižší jednotkové náklady na watt výkonu hřídele, zejména mezi 5 W a 150 W.
• Spolehlivý startovací moment; motor silně táhne od nulových otáček bez ovladače.
• Regulace otáček s jedním PWM stupněm, sériovým odporem nebo proměnným napájením.
• Změna směru prohozením dvou vodičů.
• Půvabné chování při poklesu napětí baterie.

Tato kombinace udržuje kartáčované motory ve stolních chladicích ventilátorech, odpařovacích chladičích vzduchu, malých ohřívačích ventilátorů, kuchyňských digestořích, vodních čerpadlech a dlouhém seznamu automobilového příslušenství.

Výrobci spotřebičů, kteří porovnávají pohony pro pohyb vzduchu, obvykle před uzamčením návrhu vyhodnotí oba typy. Například chladiče s nucenou konvekcí a stolní ventilátory nyní mají alternativy stejnosměrného proudu, které běží s proměnnou rychlostí.

Opotřebení kartáčů, teplo a elektrický hluk: čestné kompromisy

Životnost kartáčů je první věcí, kterou je třeba kvantifikovat, protože určuje příslib údržby, který můžete dát. Malé uhlíkové kartáčky v motorech pro spotřebiče běžně vydrží někde mezi 500 a 2 000 hodinami chodu a rozsah je široký z dobrého důvodu: motor, který se celý den spouští a zastavuje, se opotřebovává rychleji než motor, který běží nepřetržitě, protože velká část ztrát kartáčů se odehrává při startovacím oblouku.

Teplo je druhý problém. Ztráty se objevují v mědi, v žehličce a na čele kartáče a rotor má nejhorší cestu do venkovního vzduchu. Skutečný limit nepřetržitého provozu určuje třída izolace vinutí, nikoli teplota pouzdra. Elektrický šum je třetí: každý oblouk na čele kartáče je malý širokopásmový vysílač, a proto se kartáčované motory často dodávají s již namontovanými odrušovacími kondenzátory nebo tlumivkami.

Specifikace kartáčovaného motoru: Praktický kontrolní seznam kupujícího

Dva dodavatelé mohou oba uvádět „12 V, 3 000 ot./min“ a přesto dodat motory, které se ve stejném spotřebiči chovají odlišně, protože jeden údaj je uveden naprázdno a druhý při specifickém točivém momentu. Požádejte o bod zatížení písemně.

• Jmenovité napětí plus rozsah, který aplikace skutečně uvidí.
• Otáčky naprázdno a proud naprázdno.
• Otáčky, točivý moment a proud v zamýšleném pracovním bodě.
• Stall moment s časovým limitem, jak dlouho může být držen.
• Cílová životnost kartáče v hodinách při vašem skutečném pracovním cyklu.
• Nepřetržitý nebo přerušovaný provoz a očekávané spuštění za hodinu.
• Třída izolace a maximální teplota vinutí.
• Namontované komponenty tlumení a emisní norma, kterou splňují.
• Průměr hřídele, délka a tolerance, plus vzor příruby a šroubu.
• Akustický hluk v dB(A) v místě zatížení, v uvedené vzdálenosti.
• Certifikace požadované na cílovém trhu.

Pomáhá také pracovat s a dodavatel malých elektromotorů který se staví podle výkresu nebo vzorku namísto zasílání pouze katalogových položek, protože dva milimetry délky hřídele nebo jiný typ kartáče jsou často rozdílem mezi motorem, který se hodí, a tím, který ne. Jak sestava komutátoru a kartáče se chová při skutečné zátěži, stojí za to zkontrolovat před odhlášením výkresu.

Kartáčovaný nebo bezkartáčový: Výběr bez lítosti

Rozhodnutí obvykle závisí na pracovním cyklu a požadavcích na řízení spíše než na hrubém výkonu.

Větrání kuchyně jasně ukazuje posun: digestoře běží dlouhou a nepravidelnou dobu a jsou posuzovány podle hluku při nízkých otáčkách, takže stejnosměrné pohony s proměnnými otáčkami zaujímají rostoucí podíl na tomto trhu.