Jak działają silniki szczotkowe? Wyjaśnienie komutatora, szczotek i krzywej momentu obrotowego

Krótka odpowiedź: prąd cewki odwraca się w miarę jej obracania

A szczotkowany silnik posiada dwie części magnetyczne i jeden przełącznik obrotowy. Pole jest nieruchome i wytwarzane przez magnesy trwałe w obudowie lub przez oddzielne uzwojenie pola. Cewki robocze znajdują się w tworniku, nawinięte wokół żelaznego rdzenia, który jest przymocowany do wału i może się swobodnie obracać.

Prąd stały dociera do tych cewek poprzez szczotki. Każda szczotka naciska na komutator, cylinder z izolowanych miedzianych segmentów. Prąd wpływa przez szczotkę dodatnią, przechodzi do segmentu znajdującego się pod nią, przepływa przez jedną cewkę twornika i wychodzi przez przeciwny segment i szczotkę. Ponieważ cewka ta przenosi teraz prąd w polu magnetycznym, na każdą jej stronę działa siła pod kątem prostym zarówno do pola, jak i do prądu, a te dwie siły działają po przeciwnych stronach wału. Armatura obraca się.

Problem polega na tym, że cewka o stałym prądzie ustawi się w jednej linii z polem i tam się zatrzyma. Komutator temu zapobiega. Gdy zwora się obraca, każda szczotka przesuwa się z jednego segmentu do drugiego, odwracając prąd w tej cewce, gdy przekracza ona płaszczyznę neutralną. Biegunowość cewki zmienia się, więc siła popycha wirnik w tę samą stronę. Dla każdej cewki odwrócenie to następuje dwa razy na obrót, a czas jest ustalany wyłącznie na podstawie geometrii: szerokość segmentu, szerokość szczotki i położenie szczotki.

Co robi każda część i który objaw na to wskazuje

Kiedy silnik szczotkowany ma słabą wydajność, usterka zwykle znajduje się w jednym z pięciu miejsc, a każde z nich pozostawia inny odcisk palca.

Powierzchnia styku ma takie samo znaczenie jak same części. Cienka, równa i ciemna warstwa na komutatorze wytwarza łuk elektryczny; jasna, sucha miedź zwykle oznacza, że ​​gatunek szczotki jest zbyt ścierny lub że silnik pracuje zbyt lekko przez długi czas.

Dlaczego prąd odwraca się dwa razy na obrót

1. Prąd zasilający wpływa przez szczotkę dodatnią do stykającego się z nią segmentu komutatora.
2. Segment ten kieruje prąd przez jedną cewkę twornika, która staje się elektromagnesem z północnym i południowym końcem.
3. Jego północny koniec jest odpychany przez północny biegun stojana i przyciągany przez południowy biegun stojana, w wyniku czego twornik się obraca.
4. W płaszczyźnie neutralnej szczotka przecina izolowaną szczelinę pomiędzy segmentami, a prąd płynący do tej cewki zostaje na krótko odcięty.
5. Następny segment przejmuje kontrolę i kierunek prądu płynącego przez cewkę jest teraz odwrócony.
6. Bieguny cewki zamieniły się miejscami, więc siła pcha w tym samym kierunku obrotu, zamiast hamować wał.

Silnik szczotkowany to obrotowy przełącznik z przykręconym wokół niego magnesem. Pył ze szczotek, żywotność szczotek, szumy o częstotliwości radiowej i praktyczny pułap prędkości wynikają z tego przełącznika, podobnie jak niska cena.

Krok czwarty to etap wysiłku inżynieryjnego. Podczas krótkiej przerwy indukcyjność cewki stara się utrzymać przepływ prądu, a energia ta musi gdzieś uciec: mały łuk na powierzchni szczotki, niewielka ilość ciepła lub skok napięcia, który pochłania kondensator przeciwzakłóceniowy. Gatunek szczotki, nacisk sprężyny i odstępy między segmentami dobierane są tak, aby łuk był wystarczająco mały, aby przetrwać tysiące godzin.

Prędkość, moment obrotowy i tylna siła elektromagnetyczna: prawidłowe odczytanie liczb

Wirująca cewka wewnątrz pola magnetycznego jest również generatorem. Wytwarzane przez niego napięcie przeciwstawia się zasilaniu i nazywane jest powrotem EMF i rośnie wraz z prędkością. Arytmetykę łatwo zobaczyć.

Weź silnik szczotkowy 12 V z rezystancją twornika 1,2 oma. W chwili zamknięcia przełącznika wirnik jest nieruchomy, tylna siła elektromotoryczna wynosi zero, a uzwojenie może pobierać prąd o natężeniu około 10 A. Ułamek sekundy później, przy prędkości obrotowej około 3000 obr./min, tylna siła elektromotoryczna może wzrosnąć do około 10,5 V, pozostawiając jedynie 1,5 V na rezystancji, czyli około 1,25 A. Prąd rozruchowy i prąd roboczy to różne wielkości, a zasilanie dobrane na podstawie wartości roboczej będzie się zmniejszać przy każdym uruchomieniu.

• Prędkość swobodnego ruchu mierzona jest bez elementów na wale; prędkość podana na stronie katalogu jest zazwyczaj wartością przy obciążeniu znamionowym, która jest niższa.
• Tolerancje są realne. Okno plus/minus 10 procent prędkości bez obciążenia jest normalne i zmienia przepływ powietrza, pobór prądu i hałas w gotowym urządzeniu.
• Moment obrotowy utyku jest wartością szczytową najwyżej przez kilka sekund. Jest to przydatne do doboru bezpiecznika, a nie do opisu pracy ciągłej.

Gdzie silniki szczotkowe nadal wygrywają w projektowaniu urządzeń

Dojazd bez elektroniki zapewnia określony zestaw korzyści, które nadal mają znaczenie w produktach wrażliwych na koszty:

• Najniższy koszt jednostkowy na wat mocy wału, szczególnie od 5 W do 150 W.
• Niezawodny moment rozruchowy; silnik mocno ciągnie od prędkości zerowej bez sterownika.
• Regulacja prędkości za pomocą jednego stopnia PWM, rezystora szeregowego lub zmiennego zasilania.
• Zmiana kierunku poprzez zamianę dwóch przewodów.
• Pełen wdzięku zachowanie podczas spadku napięcia akumulatora.

Dzięki tej kombinacji silniki szczotkowe znajdują się w wentylatorach biurkowych, wyparnych chłodnicach powietrza, małych termowentylatorach, niedrogich ekstraktorach kuchennych, pompach wodnych i na długiej liście akcesoriów samochodowych.

Producenci urządzeń porównujący napędy ruchu powietrza zwykle oceniają oba typy przed zablokowaniem projektu. Na przykład chłodnice z wymuszoną konwekcją i wentylatory do komputerów stacjonarnych mają teraz alternatywy na prąd stały, które działają ze zmienną prędkością.

Zużycie szczotek, ciepło i hałas elektryczny: uczciwe kompromisy

Pierwszą rzeczą, którą należy określić ilościowo, jest żywotność szczotek, ponieważ określa ona zakres konserwacji, jaki możesz spełnić. Małe szczotki węglowe w silnikach do urządzeń AGD zwykle wytrzymują od 500 do 2000 godzin pracy, a zakres jest szeroki nie bez powodu: silnik, który uruchamia się i zatrzymuje przez cały dzień, zużywa się szybciej niż ten, który pracuje nieprzerwanie, ponieważ większość utraty szczotek ma miejsce w łuku rozruchowym.

Ciepło to druga kwestia. Straty pojawiają się w miedzi, żelazie i na czole szczotki, a wirnik ma najgorszą drogę do powietrza zewnętrznego. Klasa izolacji uzwojenia, a nie temperatura obudowy, wyznacza rzeczywisty limit pracy ciągłej. Trzecią kwestią jest szum elektryczny: każdy łuk na powierzchni szczotki to mały nadajnik szerokopasmowy, dlatego silniki szczotkowe często są dostarczane z już zamontowanymi kondensatorami przeciwzakłóceniowymi lub dławikami.

Określanie silnika szczotkowego: praktyczna lista kontrolna dla kupującego

Dwóch dostawców może podać „12 V, 3000 obr./min”, a mimo to dostarczać silniki, które zachowują się inaczej w tym samym urządzeniu, ponieważ jedna wartość jest podana bez obciążenia, a druga przy określonym momencie obrotowym. Poproś o punkt obciążenia na piśmie.

• Napięcie znamionowe plus zasięg, jaki faktycznie zobaczy aplikacja.
• Prędkość bez obciążenia i prąd bez obciążenia.
• Prędkość, moment obrotowy i prąd w zamierzonym punkcie pracy.
• Moment zatrzymania, z ograniczeniem czasowym, przez jaki może być utrzymywany.
• Docelowa żywotność pędzla w godzinach przy rzeczywistym cyklu pracy.
• Praca ciągła lub przerywana i przewidywane uruchomienia na godzinę.
• Klasa izolacji i maksymalna temperatura uzwojenia.
• Zamontowane elementy tłumiące i spełniające normy emisji.
• Średnica wału, długość i tolerancja, a także kołnierz i układ śrub.
• Hałas akustyczny w dB(A) w punkcie obciążenia, w określonej odległości.
• Certyfikaty wymagane na rynku docelowym.

Pomaga także praca z mały dostawca silników elektrycznych który jest budowany na podstawie rysunku lub próbki, a nie tylko wysyłanych pozycji katalogowych, ponieważ dwa milimetry długości wału lub inny gatunek szczotek często decydują o różnicy między silnikiem, który pasuje, a takim, który nie. Jak zespół komutatora i szczotki zachowuje się pod rzeczywistym obciążeniem, warto sprawdzić przed podpisaniem rysunku.

Szczotkowane czy bezszczotkowe: wybór bez żalu

Decyzja zwykle sprowadza się do wymagań dotyczących cyklu pracy i sterowania, a nie samej wydajności.

Wentylacja kuchni wyraźnie pokazuje tę zmianę: okapy nadkuchenne działają przez długie i nieregularne okresy czasu i są oceniane na podstawie hałasu przy niskiej prędkości, dlatego napędy prądu stałego o zmiennej prędkości zajmują coraz większą część tego rynku.