Kuinka harjatut DC-sähkömoottorit toimivat? Micro Brush DC -moottoreiden opas

Lyhyt vastaus: harjattu tasavirtamoottori toimii syöttämällä virtaa pyörivän kelan (roottorin) läpi kiinteiden hiili- tai metallikontaktien kautta, joita kutsutaan harjoiksi, jotka painavat pyörivää segmentoitua rengasta, jota kutsutaan kommutaattoriksi. Kun roottori pyörii, kommutaattori kääntää automaattisesti virran suunnan kelassa oikealla hetkellä pitäen magneettivoiman työntävänä samassa pyörimissuunnassa – tämä itsekytkentätoiminto antaa harjatun moottorin pyöriä jatkuvasti yksinkertaisesta, säätelemättömästä tasavirtalähteestä. Sen kääntämiseen ei tarvita ulkoisia piirejä , minkä vuoksi harjatut tasavirtamoottorit, mukaan lukien mikroharjalla toimivat tasavirtamoottorit halkaisijaltaan jopa 4 mm, ovat edelleen yksi yleisimmin käytetyistä ja kustannustehokkaimmista tavoista muuntaa sähköenergiaa pyöriväksi liikkeeksi. Tämän oppaan loppuosassa kerrotaan mekanismista yksityiskohtaisesti, mitä mikroharjamoottorin sisällä on ja mitä tulee punnita, kun valitset sellaisen projektiin.

Harjatun tasavirtamoottorin ydinkomponentit

Jokainen harjattu DC-sähkömoottori , lelukokoisesta yksiköstä teollisuusvaihteistomoottoriksi, on rakennettu samoista neljästä olennaisesta osasta.

Hiili tai grafiitti on tavallinen harjamateriaali kiinteän metallin sijaan, koska hiili on itsevoitelevaa ja kuluu ensisijaisesti – mikä tarkoittaa, että harja kuluu vähitellen ajan myötä, kun taas kalliimman kommutaattorin pinta pysyy suurelta osin ehjänä. Tämä kulumiskuvio on tarkoituksella huoltoystävällinen: kuluneen harjan vaihtaminen on paljon yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin vaurioituneen kommutaattorin vaihtaminen.

Kuinka moottori todella pyörii: askel askeleelta

Toimintaperiaate perustuu kahteen fysiikan käsitteeseen: Faradayn sähkömagneettisen induktion lakiin ja Lorentzin voimaan. Käytännössä sykli näyttää tältä:

1. Tasajännite syötetään kahden harjan navan yli, ja virta kulkee harjoista kommutaattorin segmentteihin, joita ne koskettavat.
2. Roottorin kelan läpi kulkeva virta muuttaa sen sähkömagneetiksi, joka tuottaa oman magneettikentän.
3. Tämä roottorikenttä on vuorovaikutuksessa staattorin kestomagneettien kiinteän kentän kanssa - kuten navat hylkivät, vastakkaiset navat vetävät puoleensa - tuottaen vääntömomentin, joka työntää roottoria kääntymään.
4. Kun roottori lähestyy kohdistusta staattorikentän kanssa (noin 180 kiertoasteen välein), harjat liukuvat seuraavalle kommutaattorisegmentille, mikä kääntää virran suunnan kelassa.
5. Virran kääntäminen kääntää roottorin magneettisen napaisuuden täsmälleen oikealla hetkellä, joten magneettinen työntö jatkuu samassa pyörimissuunnassa pysähtymisen sijaan.
6. Tämä kytkin-ja-paina-sykli toistuu jatkuvasti, mikä tuottaa tasaisen, jatkuvan pyörimisen niin kauan kuin virtaa käytetään.

Jokaisen jakson aikana on hetki, jolloin harjat yhdistävät kaksi kommutaattorisegmenttiä ja oikosulkevat hetkellisesti osan käämityksestä – tämä on toimivan harjatun moottorin sisällä näkyvien pienten kipinöiden lähde, ja se on myös suurin osa näiden moottoreiden aiheuttamasta sähköisestä melusta.

Mikä tekee Micro Brush DC -moottorista erilaisen

Mikroharjalla toimiva tasavirtamoottori käyttää täsmälleen samaa edellä kuvattua kommutointiperiaatetta, vain dramaattisesti pienennettynä. Alan lähteet luokittelevat yleensä kaikki moottorit, joiden halkaisija on noin 30 mm, mikromoottoriksi, ja pienimmät kaupallisesti saatavilla olevat harjatut yksiköt ovat niin pieniä kuin 4 mm halkaisijaltaan , jota käytetään sovelluksissa, kuten mikrodroneissa ja pienoislukitusmekanismeissa.

Coreless vs. Iron-Core Micro Motors

Useimmissa mikroharjamoottoreissa käytetään ytimetöntä (rautatonta) roottorirakennetta perinteisen rautasydämisen ankkurin sijaan, joka löytyy suuremmista moottoreista. Rautasydämen ympärille käärittyjen käämien sijaan kela on itsekantava, ontto rakenne. Tämä eliminoi rautahäviöt ja hankauksen (rautahampaalla varustettua moottoria manuaalisesti käännettäessä tuntuva uurreinen vastus), mikä antaa ytimettömiä mikromoottoreita erittäin pieni pyörimishitaus ja nopea kiihtyvyys - Merkittävä etu laitteissa, kuten pipeteissä, kameran tarkennusmekanismeissa tai pienissä pumpuissa, joissa nopeat ja tarkat käynnistykset ja pysäytys ovat tärkeitä.

Tyypilliset tekniset tiedot

Tekniset tiedot vaihtelevat suuresti valmistajan ja käyttötarkoituksen mukaan, mutta alla olevassa taulukossa on edustavia lukuja yleisten mikromoottoreiden halkaisijoista havainnollistamaan valikoimaa.

Pienessä päässä jotkin ytimettomat harjatut mikromoottorit saavuttavat hyötysuhteen jopa 90 % , vaikka tämä huippu saavutetaan vain suurella nopeudella ja putoaa alhaisella nopeudella tai raskaalla kuormalla. Monet mikromoottorit on myös yhdistetty vaihteistoon, jotta raaka kierrosluku voidaan vaihtaa korkeampaan käyttökelpoiseen vääntömomenttiin, mikä on yleistä sovelluksissa, kuten tarkkuusvaa'at, venttiilin toimilaitteet ja pienet robottiliitokset.

Nopeuden ja suunnan hallinta

Yksi harjattujen tasavirtamoottoreiden tärkeimmistä eduista on niiden hallinta verrattuna harjattomiin vaihtoehtoihin.

• Nopeus on karkeasti verrannollinen syötettyyn jännitteeseen – lisää jännitettä ja moottori pyörii nopeammin, vähennä sitä ja moottori hidastuu ilman, että peruson/off-sovellukseen ei tarvita lisäelektroniikkaa.
• Suunta vaihdetaan yksinkertaisesti vaihtamalla kahden syöttöjohdon napaisuus, koska tämä muuttaa virran suunnan, jonka välillä kommutaattori vaihtaa.
• Säädettävänopeuksisissa sovelluksissa pulssinleveysmodulaatio (PWM) on vakiosäätömenetelmä – jännitteen jatkuvan muuttamisen sijaan syöttö kytkeytyy päälle ja pois nopeasti, ja päälle- ja poiskytkentäajan suhde määrittää tehollisen keskijännitteen, jonka moottori näkee.
• PWM-taajuudella on merkitystä erityisesti mikromoottoreille: ajaminen alle 20 kHz:n taajuuksilla voi aiheuttaa kuultavaa ultraäänivärähtelyä roottorissa, joten valmistajat suosittelevat yleisesti taajuuksilla 40–120 kHz pitääksesi virran aaltoilun alhaisena ja suojaamaan harjan käyttöikää.

Tämä jännitteeseen suhteutettu käyttäytyminen on myös syy siihen, miksi harjatut moottorit sopivat luonnollisesti akkukäyttöisiin laitteisiin – yksinkertainen lineaarinen säädin tai perus PWM-ohjain riittää käyttökelpoiseen nopeudensäätöön, ilman erillistä kommutointielektroniikkaa harjaton moottori tarvitsee vain pyörimisen.

Elinikä ja mikä todella kuluu

Harja-kommutaattoriliitäntä on sekä ominaisuus, joka tekee harjatuista moottoreista helppokäyttöisiä, että komponentti, joka viime kädessä rajoittaa niiden käyttöikää. Kaksi kulumismekanismia toimii yhtä aikaa: mekaaninen kitka harjasta, joka liukuu kommutaattoria vasten, ja sähköeroosio pienistä kipinöistä, jotka syntyvät aina, kun harja muodostaa sillan segmenttien välillä.

Vertailun vuoksi, harjattomat DC-moottorit voivat saavuttaa kymmeniä tuhansia käyttötunteja koska harja-kommutaattori ei kuluta - niiden rajoittava tekijä siirtyy sen sijaan laakerien kulumiseen. Tämä käyttöiän ero on suurin yksittäinen kompromissi, joka on otettava huomioon valittaessa harjatun ja harjattoman välillä: harjatut moottorit maksavat vähemmän etukäteen ja niitä on helpompi ajaa, mutta ne tarvitsevat säännöllisen harjan vaihdon jatkuvassa käytössä, kun taas harjattomat moottorit maksavat aluksi enemmän, mutta suurelta osin välttävät tämän huoltojakson.

Missä harjattuja ja mikroharjamoottoreita todellisuudessa käytetään

Huolimatta harjattomien mallien kilpailusta, harjatut tasavirtamoottorit ovat edelleen yleisiä, koska niiden alhaiset kustannukset, yksinkertainen ohjaus ja korkea käynnistysmomentti ovat juuri sitä, mitä monet sovellukset tarvitsevat – varsinkin kun jatkuvat käyttöjaksot tai erittäin pitkä käyttöikä eivät ole etusijalla.

• Sähkötyökalut ja pienet kodinkoneet, joissa suuri käynnistysmomentti ja alhainen yksikköhinta ovat tärkeämpiä kuin maksimi käyttöikä.
• Lelut, RC-ajoneuvot ja harrastusdroonit, joissa 8–20 mm:n mikroytimettomat moottorit tuottavat korkeat kierrosluvut kevyessä paketissa.
• Autojen apujärjestelmät, kuten ikkunanostimet, istuimen säätimet ja pienet pumput.
• Lääketieteelliset ja laboratorioinstrumentit – pipetit, näytteenkäsittelyalustat ja tarkkuusvaa'at käyttävät usein pieniä ytimettömiä harjamoottoreita, jotka on yhdistetty vaihteistoon ja kooderiin hallittua, toistettavaa liikettä varten.
• Robotiikka ja tehdasautomaatio edullisempiin liitoksiin tai toimilaitteisiin, joissa säännöllinen harjan vaihto on hyväksyttävä huoltokohde.

Mikrosiveltimen tasavirtamoottorin valinta: tärkeimmät tekijät

Oikean mikroharjaisen tasavirtamoottorin valitseminen projektiin edellyttää muutamien teknisten tietojen sovittamista sovelluksesi todellisiin rajoituksiin sen sijaan, että valitsisit vain pienimmän tai halvimman vaihtoehdon.

1. Yhdistä syöttöjännite virtalähteeseen – yleiset mikromoottorien nimellisarvot ovat noin 1,5 V - 24 V, joten varmista, että moottorin nimellisjännite on linjassa akun tai virtalähteen kanssa.
2. Tarkista käytettävissä oleva tila moottorin halkaisijan ja pituuden perusteella, koska mikromoottoreita on yleisesti saatavilla noin 4 mm:stä 24 mm:iin ja sitä pidemmälle.
3. Päätä, onko raakanopeus vai vääntömomentti tärkeämpi – ytimetön moottori ilman vaihteistoa suosii suuria kierroslukuja ja nopeaa kiihtyvyyttä, kun taas vaihteiston lisääminen vaihtaa huippunopeuden huomattavasti korkeampaan käyttökelpoiseen vääntömomenttiin.
4. Arvioi käyttösuhde ja vaadittu käyttöikä – ajoittaisessa käytössä oleva kuluttajalaite voi käyttää mukavasti halvempaa harjamoottoria, kun taas jatkuva käyttö voi oikeuttaa sen sijaan harjattoman moottorin korkeammat alkukustannukset.
5. Harkitse sähkökohinaherkkyyttä – jos moottori jakaa piirin herkän elektroniikan kanssa, budjetti EMI-vaimennusta varten, koska harjakommutaatio synnyttää luonnostaan ​​sähköistä kohinaa, jota harjattomat mallit välttävät.