Mikä on harja tasavirtamoottorissa? Harjattu DC-moottorin ohjain

Tasavirtamoottorissa harja on kiinteä sähkökosketin - joka on tyypillisesti valmistettu hiilestä, grafiitista tai metalli-grafiittikomposiitista - joka painaa pyörivää kommutaattoria siirtääkseen sähkövirran kiinteän ulkoisen piirin ja pyörivien ankkurin käämien välillä. Harja on se, mikä tekee a harjattu DC-sähkömoottori mekaanisesti itsekommutoiva : Kun roottori pyörii, harjat pitävät jatkuvan sähköisen kosketuksen peräkkäisten kommutaattorisegmenttien kanssa ja vaihtavat automaattisesti virran suunnan jokaisessa ankkurikelassa oikealla hetkellä pyörimisen ylläpitämiseksi. Ilman harjoja roottoriin ei pääse virtaa, eikä moottori voi käydä.

Harjan rooli harjatussa tasavirtasähkömoottorissa

Ymmärtääksesi, mitä sivellin tekee, se auttaa näkemään sen koko kommutointijärjestelmän kontekstissa. Harjatussa DC-sähkömoottorissa on neljä avainkomponenttia, jotka liittyvät virran syöttöön ja kytkemiseen:

Ankkuri (roottori) — pyörivä kokoonpano, joka on kierretty kuparikäämeillä, jotka tuottavat sähkömagneettista vääntömomenttia kuljetettaessa virtaa
Kommutaattori — roottorin akseliin asennettu segmentoitu kuparirengas; jokainen segmentti liittyy ankkurikelan toiseen päähän
Harjat — paikallaan pysyvät jousikuormitetut koskettimet, jotka kulkevat kommutaattorin pinnalla; tyypillisesti kaksi harjaa, jotka on sijoitettu 180° erilleen toisistaan kaksinapaisessa perusmoottorissa
Harjan pidikkeet — mekaaninen kokoonpano, joka asettaa jokaisen harjan kommutaattoria vasten oikeaan kulmaan ja käyttää tasaista kosketuspainetta, yleensä 15-35 kPa hiili-grafiittilajeille

Kun roottori pyörii, jokainen harja liukuu kommutaattorisegmentistä toiseen. Jokaisessa siirtymässä kyseiseen segmenttiin kytketyn kelan virran suunta kääntyy - tämä on kommutaatiota. Harja suorittaa tämän kytkentätoiminnon puhtaasti fyysisen kontaktigeometriansa kautta ilman elektroniikkaa. Tämä yksinkertaisuus tekee siitä harjalla DC-moottori yksi historian yksinkertaisimmista ja laajimmin käytetyistä moottoriarkkitehtuureista.

Tasavirtamoottoreissa käytetyt harjatyypit

Kaikki DC-moottorin harjat eivät ole valmistettu samasta materiaalista. Koostumus valitaan moottorin jännitteen, virrantiheyden, nopeuden ja käyttöympäristön perusteella. On olemassa neljä pääasiallista harjamateriaaliluokkaa:

Harjatuissa tasavirtamoottoreissa käytetyt harjamateriaalityypit ja niiden käyttöominaisuudet
Harjan tyyppi	Koostumus	Paras	Tyypillinen virrantiheys
Hiili-grafiitti	60–70 % grafiittia, 20–30 % hiilimustaa, sideaine	Yleiskäyttöiset moottorit, kodinkoneet, sähkötyökalut	5-10 A/cm²
Sähkögrafiikkaa	Hiililämpökäsitelty yli 2500°C	Nopeat moottorit, vetomoottorit	8-15 A/cm²
Metalli-grafiitti	30–90 % kupari- tai hopeajauhegrafiittia	Pienjännite, suurvirta (autojen käynnistimet, mikroharjalla tasavirtamoottori s)	15-25 A/cm²
Luonnollinen grafiitti	Pääasiassa luonnollinen grafiittihiutale	Matalakitkaiset liukurengassovellukset, instrumentointi	3-6 A/cm²

Erityisesti mikroharjaisissa tasavirtamoottoreissa metalli-grafiittiharjat, joissa on korkea kuparipitoisuus (60–80 % Cu) ovat vakiona koska alhainen käyttöjännite (tyypillisesti 3 - 24 V) ja korkea suhteellinen virrantiheys vaativat materiaalia, jolla on pieni kosketusresistanssi. Hiiligrafiittiharjat, joilla on suurempi resistiivisyys, aiheuttaisivat ei-hyväksyttävän jännitehäviön koskettimen yli 3V tai 5V mikromoottoripiirissä.

Kuinka harja ja kommutaattori toimivat yhdessä pyörityksen ohjaamiseksi

Fyysistä kommutointiprosessia kannattaa seurata askel askeleelta, koska se selventää sekä harjan oleellista toimintaa että sen luontaisia rajoituksia:

Tasavirta tulee moottoriin positiivisen harjan kautta, joka puristaa ankkurikäämiin A kytkettyä kommutaattorisegmenttiä. Virta kulkee kelan A läpi luoden magneettikentän, joka vuorovaikutuksessa staattorikentän kanssa tuottaa vääntömomentin.
Vääntömomentti saa roottorin kääntymään. Samalla käämiin A liitetty kommutaattorisegmentti liukuu poispäin positiivisesta harjasta ja uusi segmentti, joka on kytketty käämiin B, liukuu kosketukseen.
Samanaikaisesti käämiin A aiemmin liitetty segmentti saavuttaa negatiivisen harjan ja kääntää virran suunnan käämin A kautta. Tämä kääntäminen pitää sähkömagneettisen voiman toimivana samassa pyörimissuunnassa sen sijaan, että se hidastaisi moottoria.
Tämä sykli toistuu jatkuvasti roottorin pyöriessä, ja harja-kommutaattorirajapinta toimii mekaanisena kytkimenä, joka laukeaa täsmälleen oikeassa roottorikulmassa – noin 60°:n välein tavallisessa kuusisegmenttisessä kommutaattorissa.

Lyhyt hetki, jolloin harja kattaa kaksi vierekkäistä kommutaattorisegmenttiä samanaikaisesti, kutsutaan nimellä kommutointiväli . Tänä aikana kytkettävä käämi oikosuljetaan hetkellisesti harjan läpi – oikea harjamateriaalin valinta ja kommutaattorin geometria minimoi syntyvän virtapiikin ja sen aiheuttaman sähkökaaren.

Harjan tasavirtamoottorin rakenne: kaikki keskeiset osat

Harjalla toimivalla tasavirtamoottorilla – olipa kyseessä sitten suuri teollisuusyksikkö tai miniharjainen tasavirtamoottori – on sama perusarkkitehtuuri. Seuraavat komponentit ovat läsnä käytännössä jokaisessa harjatussa tasavirtasähkömoottorissa:

Staattori (kenttäkokoonpano)

Staattori tarjoaa kiinteän magneettikentän. Kestomagneettiharjaisissa tasavirtamoottoreissa (yleisin pienissä ja mikrosovelluksissa) staattori koostuu kestomagneeteista, jotka on liitetty moottorin kotelon sisäpuolelle. Suuremmissa kierrekentän moottoreissa staattorissa on sähkömagneettikäämiä (sarja-, shuntti- tai yhdistelmäkäämiä), jotka saavat virtaa samasta tasavirtalähteestä tai erillisestä virityslähteestä.

Roottori (ankkuri)

Roottori on laminoitu rautasydän, jossa on useita kuparilankakeloja. Ytimen laminointi ohuilla eristetyillä teräslevyillä ( tyypillisesti 0,35-0,65 mm paksu ) vähentää pyörrevirtahäviöitä, jotka muuten tuhlasivat energiaa ja tuottaisivat lämpöä. Ankkurin urien ja kommutaattorisegmenttien määrä on yhteensopiva – enemmän rakoja tarkoittaa tasaisempaa vääntömomenttia ja pienempiä aaltoilua.

Kommutaattori

Kommutaattori on koneistettu kovavedetyistä kuparisegmenteistä, jotka on erotettu kiilleeristyksellä. Mikroharjaisessa tasavirtamoottorissa kommutaattori voi olla halkaisijaltaan vain muutaman millimetrin, kun taas teollisuusmoottoreissa voi olla yli 500 mm kommutaattorit. Kuparipinta on säilytettävä sisällä ±0,02 - 0,05 mm:n ulostulotoleranssi estämään harjan pomppimista, kipinöintiä ja epätasaista kulumista.

Harjat ja harjatelineet

Harjat pidetään jousikuormitetuissa harjanpidikkeissä, jotka ylläpitävät tasaista kosketuspainetta kommutaattoria vasten harjan kuluessa sen käyttöiän aikana. Useimmissa harjan tasavirtamoottoreissa on kulumisilmaisin - joko merkitty viiva harjan rungossa tai vähimmäispituus - ilmoittamaan, kun vaihto on tarpeen. Tyypillinen hiiligrafiittiharja 1 kW:n moottorille alkaa klo Pituus 25-40 mm ja se on vaihdettava, kun se on kulunut 8–10 mm:iin.

Päätykellot ja akselin laakerit

Päätykellot (päätykappaleet) sulkevat moottorin kotelon ja tukevat roottorin akselia kuulalaakereiden tai holkkilaakereiden kautta. Ne tarjoavat myös kiinnityspisteet harjanpitimille, pitäen harjan ja kommutaattorin kohdistuksen vakaana kuormituksen ja tärinän alaisena.

Micro Brush DC -moottori: pienentäminen ja erityisiä huomioita

Mikroharjainen DC-moottori käyttää samoja toimintaperiaatteita kuin täysikokoinen harjattu DC-sähkömoottori, mutta kutistaa ne halkaisijaan, joka vaihtelee tyypillisesti 4 mm - 36 mm ja tehot milliwatista muutamaan wattiin. Tämä miniatyrisointi tuo mukanaan teknisiä haasteita, joita ei ole suuremmassa mittakaavassa.

Harjasuunnittelu Micro Motorsissa

Mikroharjassa DC-moottorissa harjat on usein meistetty tai muodostettu ohuesta metalli-grafiitti- tai jalometalliseoslevystä ennemmin kuin puristetuista hiililohkoista. Jalometalliharjoja (hopea-palladium- tai kultaseoksia) käytetään pienimmissä moottoreissa – kuten 6 mm ja 8 mm ytimettöissä malleissa – koska ne tarjoavat erittäin alhainen kosketusvastus (alle 10 mΩ) ja käytännössä nolla kulumisjäämiä, jotka saastuttaisivat pienet sisäiset välykset. Kompromissi on hinta: jalometalliharjat ovat 5-20 kertaa kalliimpia kuin hiililaadut.

Coreless Roottor Design

Monissa korkean suorituskyvyn mikroharjaisissa tasavirtamoottoreissa käytetään ytimetöntä (raudatonta) roottoria – itsekantavaa onttoa kuparikelaa ilman rautalaminointia. Ilman rautaydintä pyörimishitaus laskee dramaattisesti, jolloin moottori voi kiihtyä ja hidastua millisekunteja kymmenien millisekuntien sijaan . Ytimettömät mikromoottorit ovat vakiona kirurgisessa robotiikassa, kameran automaattitarkennusjärjestelmissä ja tarkoissa haptisissa palautelaitteissa, joissa vasteaika on kriittinen.

Käyttöikä Micro Brush DC -moottoreissa

Harjan kuluminen on tärkein elinikää rajoittava tekijä kaikissa harjatuissa tasavirtasähkömoottoreissa, mutta se on erityisen kriittinen mikromoottoreissa, joissa vaihtaminen on usein epäkäytännöllistä. Valmistajat arvioivat hiiliharjoilla varustetuille mikroharjaisille tasavirtamoottoreille 500-2000 tuntia jatkuvassa käytössä, kun taas jalometalliharjaversiot ulottuvat 3000-5000 tuntia kevyiden kuormien alla. Kuorma, nopeus ja ympäristön kosteus vaikuttavat kaikki merkittävästi todelliseen käyttöikään.

Harjan tasavirtamoottorin tärkeimmät suorituskykyominaisuudet

Harjatulla DC-sähkömoottorilla on hyvin määritellyt suorituskykyominaisuudet, jotka tekevät siitä ennustettavan ja yksinkertaisen ohjattavan:

Suorituskykyparametrit harjaisille tasavirtamoottoreille miniatyyreistä keskitehoisiin teollisiin
Parametri	Tyypillinen kantama (pieni-keskiharjainen tasavirtamoottori)	Huomautuksia
Käyttöjännite	3V – 240V DC	Mikromoottorit tyypillisesti 3–24 V; teollinen 700V asti
Nopeus ilman kuormaa	1 000 – 30 000 RPM	Ytimettömät mikromoottorit saavuttavat 50 000–100 000 rpm
Tehokkuus	65–85 %	Harjakontaktien häviöt muodostavat 2–5 % syöttötehosta
Nopeudensäätömenetelmä	PWM tai muuttuva jännite	Lineaarinen nopeus-jännite -suhde yksinkertaistaa ohjausta
Käynnistysmomentti	Korkea (2–5-kertainen nimellisvääntömomentti)	Etu moniin AC-moottorityyppeihin alhaisella nopeudella
Harjan käyttöikä	500-5000 tuntia	Riippuu materiaalilaadusta, kuormituksesta ja ympäristöstä

Yksi harjatun tasavirtasähkömoottorin käytännöllisimmistä ominaisuuksista on sen nopeuden ja jännitteen välinen lineaarinen suhde : jännitteen kaksinkertaistaminen noin kaksinkertaistaa tyhjäkäynnin nopeuden. Tämä tekee nopeuden hallinnasta intuitiivista ja edullista – yksinkertainen PWM (pulssinleveysmodulaatio) -ohjain, joka maksaa muutaman dollarin, voi tarjota sujuvan säädettävän nopeuden ohjauksen lähes nollasta täyteen nopeuteen.

Harjaisen tasavirtamoottorin edut harjattomiin malleihin verrattuna

Huolimatta harjattomien tasavirtamoottoreiden yleistymisestä monissa sovelluksissa, harjatulla tasavirtasähkömoottorilla on merkittäviä etuja tietyissä yhteyksissä:

Pienemmät järjestelmäkustannukset — harjalla toimiva tasavirtamoottori ei vaadi elektronista kommutointiohjainta; nopeuden ja suunnan säätö voidaan saavuttaa yhdellä transistorilla tai perus H-siltapiirillä, mikä vähentää dramaattisesti järjestelmän kokonaiskustannuksia suuritehoisissa kuluttajasovelluksissa
Yksinkertainen nopeudensäätö — lineaarinen nopeus-jännite-ominaisuus tarkoittaa muuttuvaa jännitettä tai PWM-käyttöjaksoa, joka asettaa moottorin nopeuden suoraan ilman takaisinkytkentäantureita monissa sovelluksissa
Korkea käynnistysmomentti — harjalla toimivat tasavirtamoottorit kehittävät suurimman vääntömomentin pysähtyessä (nollanopeus), mikä tekee niistä ihanteellisia sovelluksiin, jotka vaativat suurta käynnistysvoimaa, kuten autojen ikkunoita, istuinten säätimiä ja venttiilin toimilaitteita
Kaksisuuntainen ohjaus on triviaali — moottorin suunnan kääntäminen vaatii vain kahden syöttöjohdon vaihtamisen ilman uudelleenohjelmointia tai säätimen muutoksia
Saatavuus ja vaihdettavuus — harjattuja DC-sähkömoottoreita on saatavana sadoilta valmistajilta valtavassa valikoimassa kokoja, jännitteitä ja akselikokoonpanoja; varaosat, mukaan lukien harjat, ovat standardoituja ja edullisia

Siveltimen aiheuttamat rajoitukset: miksi sillä on merkitystä suunnittelupäätöksissä

Harja on myös ensisijainen rajoitusten lähde harjatussa tasavirtasähkömoottorissa. Näiden rajoitusten ymmärtäminen on välttämätöntä, kun päätetään harjaisen tasavirtamoottorin ja harjattoman vaihtoehdon välillä:

Mekaaninen kuluminen ja rajallinen käyttöikä

Harjat kuluvat liukuessaan kommutaattoria vasten. Kulumisnopeus riippuu virrantiheydestä, jousen paineesta, nopeudesta ja ympäristöstä – mutta mikään harjan tasavirtamoottori ei estä mahdollista harjan vaihtoa. Vaativissa sovelluksissa kymmeniä tuhansia tunteja huolto (LVI-puhaltimet, pumput, teollisuuskäytöt), harjattomat mallit poistavat tämän huoltotarpeen kokonaan.

Sähkökaari ja EMI-tuotanto

Kommutointitapahtuma – kun harja siirtyy segmenttien välillä – synnyttää sähkökaaren. Tämä valokaari tuottaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), jotka voivat häiritä lähellä olevaa elektroniikkaa. Harjatut DC-sähkömoottorit, joita käytetään herkissä ympäristöissä (lääketieteelliset laitteet, tarkkuusinstrumentit, radiolaitteet), vaativat EMI-vaimennuskomponentteja (kondensaattorit, ferriittihelmet, vaimennuspiirit), jotka lisäävät kustannuksia ja monimutkaisuutta.

Nopeus- ja tehotiheysrajoitukset

Erittäin suurilla nopeuksilla harjan pomppiminen ja valokaari muuttuvat vakavaksi. Vakiohiiliharjaiset tasavirtamoottorit on yleensä rajoitettu alle kommutaattorin pintanopeuksille 25-35 m/s . Tämän kynnysarvon yläpuolella mekaaninen kommutointi tulee epäkäytännölliseksi ja harjattomat tai liukurengasmallit ovat suositeltavia. Tästä syystä korkean suorituskyvyn yli 10 kW:n servokäytöt ovat suurelta osin siirtyneet harjattomaan tekniikkaan.

Ei sovellu räjähdysalttiisiin tai kosteisiin ympäristöihin

Valokaari harja-kommutaattorirajapinnassa tekee tavallisista harjatuista tasavirtasähkömoottoreista sopimattomia käytettäväksi syttyvissä kaasu-, pöly- tai höyryympäristöissä ilman räjähdyssuojattuja koteloita. Harjattomat moottorit, joissa ei ole sisäistä valokaaren lähdettä, ovat luonnostaan turvallisempia näissä asetuksissa.

Missä harjalla varustettuja tasavirtamoottoreita nykyään käytetään

Huolimatta harjattoman tekniikan kilpailusta, harjattu DC-sähkömoottori – mukaan lukien mikroharjainen DC-moottori – on edelleen hallitseva valinta monissa sovelluksissa, joissa sen edullisten kustannusten, yksinkertaisuuden ja suorituskyvyn yhdistelmä on vertaansa vailla:

Harjattujen DC-sähkömoottoreiden ja mikroharjaisten tasavirtamoottoreiden yleiset käyttöalueet tehoalueen mukaan
Sovellusluokka	Erityisiä esimerkkejä	Moottorin koko
Autoteollisuus	Ikkunannostimet, istuinsäätimet, peilimoottorit, tuulilasinpyyhkimet, bensapumput	20-150W
Kulutuselektroniikka	Sähköhammasharjat, parranajokoneet, lelut, pienet tuulettimet, CD/DVD-asemat	0,5-20W
Lääketieteelliset laitteet	Infuusiopumput, kirurgiset käsikappaleet, nivelproteesit, kuulolaitteiden komponentit	0,05–10 W (mikro)
Teollisuusautomaatio	Kuljettimen toimilaitteet, venttiilin asennoittimet, pienet robottiliitokset	10W-5kW
Sähkötyökalut	Johdolliset porat, kulmahiomakoneet, pistosahat, pyörösahat	200W-2kW
Robotics and R&D	Mikroharjaiset tasavirtamoottorit mobiiliroboteissa, kameran kardaanit, laboratorioautomaatio	0,1–50 W (mikro)

Harjan huolto ja vaihto: Käytännön ohjeita

Harjatuissa DC-sähkömoottoreissa, joissa harjan vaihto on käytännöllistä, huoltoaikataulun noudattaminen pidentää kommutaattorin käyttöikää ja estää moottorin vikoja:

Tarkasta harjat 500 käyttötunnin välein korkean käyttöjakson sovelluksissa; 1 000–2 000 tunnin välein jaksottaisessa käytössä
Vaihda harjat ennen kuin ne saavuttavat harjaan merkityn tai moottorin teknisissä tiedoissa määritellyn vähimmäispituuden – kuluneet harjat saavat jousikuormitetun pidikkeen alaspäin, mikä johtaa äkillinen kosketuspaineen menetys ja voimakas valokaari joka vahingoittaa kommutaattoria muutamassa minuutissa
Kun olet asentanut uudet harjat, anna a sisäänajo (istuin) 1-3 tuntia kevyellä kuormituksella ennen täyden kuorman käyttöä; uusissa harjoissa on litteät kosketuspinnat, joiden on mukauduttava kommutaattorin kaarevaan pintaan täyden kosketusalueen saavuttamiseksi
Puhdista kommutaattorin pinta nukkaamattomalla liinalla ja isopropyylialkoholilla harjan vaihdon aikana; kevyt hapettuminen on normaalia ja todella hyödyllistä (ohut oksidikerros vähentää kitkaa), mutta paksut hiilikertymät lisäävät kosketusvastusta
Vaihda harjat aina pareittain - epäsymmetrinen harjojen kuluminen aiheuttaa epätasaista virran jakautumista ja nopeuttaa kommutaattorin kulumista lyhyemmän harjan palvelemalla puolella

Mikroharjaisessa tasavirtamoottorissa harjat eivät yleensä ole käyttäjän huollettavissa pienen fyysisen mittakaavan vuoksi. Kun mikromoottori saavuttaa harjan käyttöiän lopun, koko moottori vaihdetaan tavallisesti – mikä huomioidaan järjestelmän suunnitteluvaiheessa omistamisen kokonaiskustannuksissa.