Hur fungerar borstade motorer? Kommutator, borstar och vridmomentkurva förklaras

Det korta svaret: Spolens ström vänder när den vänder

A borstad motor har två magnetiska delar och en roterande strömbrytare. Fältet är stationärt, producerat av permanentmagneter i huset eller av en separat fältlindning. Arbetsspolarna sitter i ankaret, lindade runt en järnkärna som är fäst vid axeln och fritt att snurra.

Likström når dessa spolar genom borstarna. Varje borste trycker mot kommutatorn, en cylinder av isolerade kopparsegment. Ström kommer in via den positiva borsten, passerar in i segmentet under den, går genom en ankarspole och går ut genom det motsatta segmentet och borsten. Eftersom den spolen nu bär ström inuti ett magnetfält, känner varje sida av den en kraft i rät vinkel mot både fältet och strömmen, och de två krafterna verkar på motsatta sidor av axeln. Armaturen vrider sig.

Haken är att en spole med fast ström skulle svänga in i linje med fältet och stanna där. Kommutatorn förhindrar det. När ankaret roterar glider varje borste från ett segment till nästa och vänder strömmen i den spolen när den korsar det neutrala planet. Spolens polaritet vänder, så kraften fortsätter att trycka rotorn samma väg runt. För varje spole sker den omkastningen två gånger per varv, och timingen ställs in enbart av geometrin: segmentets bredd, borstens bredd och borstens position.

Vad varje del gör och vilket symtom som pekar tillbaka till det

När en borstad motor underpresterar, sitter felet vanligtvis på ett av fem ställen, och var och en lämnar olika fingeravtryck.

Kontaktytan har lika stor betydelse som delarna i sig. En tunn, jämn, mörk film på kommutatorn fortsätter att bli låg; ljus torr koppar betyder vanligtvis att borstkvaliteten är för nötande, eller att motorn går för lätt under långa perioder.

Varför strömmen vänder två gånger per revolution

1. Matningsström kommer in genom den positiva borsten och in i kommutatorsegmentet vidrör den.
2. Det segmentet leder ström genom en ankarspole, som blir en elektromagnet med en norr- och en sydände.
3. Dess norra ände stöts bort av statorns nordpol och dras till statorns sydpol, så ankaret vänder sig.
4. I neutralplanet korsar borsten det isolerade gapet mellan segmenten och strömmen till den spolen bryts kort.
5. Nästa segment tar över och strömriktningen genom spolen är nu omvänd.
6. Spolens poler har bytts, så kraften fortsätter att trycka i samma rotationsriktning istället för att bromsa axeln.

En borstad motor är en roterande strömbrytare med en magnet bultad runt den. Borstdamm, borstlivslängd, radiofrekvensljud och det praktiska taket på hastigheten kommer alla från den omkopplaren, och det gör det låga priset också.

Steg fyra är där ingenjörsinsatsen går. Under det korta avbrottet försöker spolens induktans hålla ström flytande, och den energin måste gå någonstans: en liten båge vid borstytan, lite värme eller en spänningsspets som en dämpningskondensator absorberar. Borstkvalitet, fjädertryck och segmentavstånd är valda för att hålla bågen tillräckligt liten för att överleva tusentals timmar.

Hastighet, vridmoment och EMF: Läsa siffrorna korrekt

En snurrande spole inuti ett magnetfält är också en generator. Spänningen den producerar motverkar tillförseln och kallas tillbaka EMF, och den växer med hastighet. Aritmetiken är lätt att se.

Ta en 12 V borstad motor med 1,2 ohm ankarmotstånd. I det ögonblick som omkopplaren stänger, är rotorn stillastående, bakre EMF är noll och lindningen kan dra cirka 10 A. En bråkdel av en sekund senare, när den går nära 3 000 rpm, kan bakåt-EMK ha stigit till ungefär 10,5 V, vilket bara lämnar 1,5 V över motståndet, eller cirka 1,25 V enbart löpande strömmen och matningsmängderna löper enbart på startströmmen och matningsmängderna är igång. kommer att bruna ut vid varje start.

• Frigångshastighet mäts med ingenting på axeln; hastigheten som anges på en katalogsida är vanligtvis värdet vid nominell belastning, vilket är lägre.
• Toleranser är verkliga. Ett plus eller minus 10 procents fönster på tomgångshastighet är normalt, och det ändrar luftflöde, strömdrag och buller i den färdiga apparaten.
• Stallvridmoment är en toppsiffra under några sekunder som mest. Det är användbart för att dimensionera en säkring, inte för att beskriva kontinuerlig drift.

Där borstade motorer fortfarande vinner i apparatdesign

Elektronikfri kommutering köper en specifik uppsättning fördelar, och de spelar fortfarande roll i kostnadskänsliga produkter:

• Lägsta enhetskostnad per watt axeleffekt, särskilt mellan 5 W och 150 W.
• Pålitligt startmoment; motorn drar hårt från nollhastighet utan styrenhet.
• Varvtalsreglering med ett PWM-steg, ett seriemotstånd eller en variabel matning.
• Riktningsändring genom att byta två ledningar.
• Graciöst beteende när en batterispänning sjunker.

Den kombinationen håller borstade motorer i stationära kylfläktar, evaporativa luftkylare, små värmefläktar, prisvärda köksfläktar, vattenpumpar och en lång lista med biltillbehör.

Apparattillverkare som jämför drivningar för luftrörelser utvärderar vanligtvis båda typerna innan de låser en design. Forcerad konvektionskylare och stationära fläktar, till exempel, har nu DC-alternativ som går med variabel hastighet.

Borstslitage, värme och elektriskt brus: De ärliga avvägningarna

Borstens livslängd är det första att kvantifiera, eftersom det sätter underhållslöftet du kan ge. Små kolborstar i apparatklassade motorer håller vanligtvis någonstans mellan 500 och 2 000 drifttimmar, och utbudet är brett av goda skäl: en motor som startar och stannar hela dagen slits snabbare än en som går kontinuerligt, eftersom en stor del av borstförlusten sker i startbågen.

Värme är den andra frågan. Förluster uppstår i kopparn, i järnet och vid borstytan, och rotorn har den sämsta vägen till utomhusluften. Lindningsisoleringsklass, inte hustemperatur, sätter den verkliga gränsen för kontinuerlig drift. Elektriskt brus är det tredje: varje båge vid borstytan är en liten bredbandssändare, vilket är anledningen till att borstade motorer ofta levereras med dämpningskondensatorer eller chokes redan monterade.

Specificering av en borstad motor: En praktisk köparens checklista

Två leverantörer kan både citera "12 V, 3 000 rpm" och ändå leverera motorer som beter sig olika i samma apparat, eftersom den ena siffran anges utan belastning och den andra med ett specifikt vridmoment. Be om laddningspunkten skriftligen.

• Märkspänning, plus det område som applikationen faktiskt kommer att se.
• Tomgångshastighet och tomgångsström.
• Hastighet, vridmoment och ström vid avsedd driftpunkt.
• Stall vridmoment, med en tidsgräns för hur länge det får hållas.
• Borsta livslängdsmål i timmar vid din verkliga arbetscykel.
• Kontinuerlig eller intermittent tjänst, och förväntade starter per timme.
• Isolationsklass och maximal lindningstemperatur.
• Dämpningskomponenter monterade och emissionsstandarden de uppfyller.
• Axeldiameter, längd och tolerans, plus fläns och skruvmönster.
• Akustiskt ljud i dB(A) vid belastningspunkten, på angivet avstånd.
• Certifieringar krävs på destinationsmarknaden.

Det hjälper också att arbeta med en liten elmotorleverantör som bygger efter en ritning eller prov istället för att bara skicka katalogartiklar, eftersom två millimeters skaftlängd eller en annan borstkvalitet ofta är skillnaden mellan en motor som passar och en som inte gör det. Hur kommutator och borstenhet beter sig under verklig belastning är värt att granska innan en ritning signeras av.

Borstad eller borstlös: Välj utan ånger

Beslutet beror vanligtvis på driftcykel och kontrollkrav snarare än rå prestanda.

Köksventilation visar tydligt förändringen: köksfläktar körs under långa och oregelbundna perioder och bedöms på buller vid låg hastighet, så frekvensomriktare med variabel hastighet har tagit en växande del av den marknaden.