موتورهای DC برس شده چگونه کار می کنند و هنوز کجا استفاده می شوند؟

موتور DC برس دار چیست و چگونه حرکت ایجاد می کند؟

الف موتور DC برس خورده یکی از قدیمی ترین و شناخته شده ترین اشکال موتور الکتریکی است که انرژی الکتریکی جریان مستقیم را از طریق تعامل میدان های مغناطیسی و هادی های حامل جریان به چرخش مکانیکی تبدیل می کند. اصل کار بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و قانون نیروی لورنتس است: هنگامی که هادی حامل جریان در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی عمود بر هر دو جهت جریان و جهت میدان را تجربه می کند. با چیدمان چند سیم پیچ حامل جریان - که به طور جمعی آرمیچر یا روتور را تشکیل می دهند - در یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد شده توسط آهنرباهای دائمی یا آهنرباهای الکتریکی در استاتور، می توان یک گشتاور چرخشی پیوسته تولید کرد. نام "برس شده" به برس های کربن یا گرافیتی اشاره دارد که بر روی یک جزء مسی قطعه بندی شده به نام کموتاتور فشار می آورند که همراه با آرمیچر می چرخد ​​و به عنوان وسیله کلید مکانیکی عمل می کند که جهت جریان را در هر سیم پیچ دقیقاً در لحظه مناسب معکوس می کند تا چرخش مداوم را در یک جهت حفظ کند.

این مکانیزم خود جابجایی چیزی است که اساساً یک موتور DC برس‌دار را از یک موتور DC بدون جاروبک متمایز می‌کند - در طراحی برس‌دار، کموتاسیون به‌جای الکترونیکی توسط مدارهای درایو خارجی به‌صورت مکانیکی توسط تماس جابجایی برس انجام می‌شود. در حالی که این کموتاسیون مکانیکی ملاحظات سایش و نگهداری را معرفی می کند، همچنین کنترل موتورهای DC برس خورده را به طور ذاتی ساده می کند و به چیزی بیش از منبع تغذیه جریان مستقیم و به صورت اختیاری، سیگنال مدولاسیون ولتاژ متغیر یا عرض پالس (PWM) برای تنظیم سرعت نیاز ندارد. این ترکیبی از سادگی عملیاتی و رفتار خوب درک شده، موتورهای DC را به صورت تجاری در طیف وسیعی از کاربردها برای بیش از یک قرن حفظ کرده است.

اجزای اصلی یک موتور DC برس خورده و کارهایی که هر کدام انجام می دهند

درک ساختار فیزیکی یک موتور DC برس خورده، هم چگونگی دستیابی به چرخش مداوم و هم اینکه چرا ویژگی‌های عملکرد و حالت‌های خرابی را که مهندسان و تکنسین‌ها در عمل با آن مواجه می‌شوند، نشان می‌دهد. هر جزء نقش خاص و غیر قابل جایگزینی را در فرآیند تبدیل انرژی ایفا می کند و کیفیت مواد و دقت ساخت در هر قسمت به طور مستقیم بازده، گشتاور خروجی، محدوده سرعت و عمر مفید موتور را تعیین می کند.

منبع میدان مغناطیسی و استاتور

استاتور بدنه بیرونی ثابت موتور است و مسئول تولید میدان مغناطیسی ثابتی است که روتور در آن کار می کند. در موتورهای DC برس خورده کوچکتر - از جمله اکثریت قریب به اتفاق اسباب بازی ها، لوازم جانبی خودرو و ابزارهای دستی - میدان استاتور توسط آهنرباهای دائمی تولید می شود که معمولاً از فریت، آلنیکو یا مواد کمیاب خاکی مانند آهن نئودیمیم بور ساخته می شوند. موتورهای DC برس دار صنعتی بزرگتر از سیم پیچ های میدان زخمی در استاتور استفاده می کنند که با جریان مستقیم انرژی می گیرند تا یک میدان الکترومغناطیسی تولید شده را تولید کنند که قدرت آن به طور مستقل قابل تنظیم است. انتخاب بین استاتورهای آهنربای دائمی و میدان زخمی پیامدهای مهمی برای ویژگی‌های موتور دارد: موتورهای آهنربای دائم دارای میدان ثابتی هستند و بنابراین یک رابطه گشتاور-سرعت نسبتاً خطی دارند، در حالی که موتورهای میدان پیچ می‌توانند ویژگی‌های سری، شنت یا ترکیبی را بسته به نحوه اتصال سیم‌پیچ میدان نسبت به مدار آرمیچر نشان دهند.

الفrmature (Rotor) and Windings

آرمیچر یا روتور، مجموعه دوار در قلب موتور است. این شامل یک هسته فولادی سیلیکونی چند لایه است - چند لایه برای به حداقل رساندن تلفات جریان گردابی - که در اطراف آن سیم پیچ های متعددی از سیم مسی در شکاف های دقیقاً تعریف شده پیچیده شده است. لمینیت ها لایه های عایق نازکی هستند که به صورت محوری در امتداد محور روتور قرار گرفته اند و ساختار آنها مستقیماً بر راندمان موتور و تولید گرما تأثیر می گذارد. هر سیم پیچ سیم پیچ در دو انتها به بخش های خاصی از کموتاتور متصل می شود و ترتیب این اتصالات تعیین می کند که چگونه جریان از سیم پیچ های روتور در هر موقعیت زاویه ای در طول چرخش عبور می کند. شکاف‌های آرمیچر بیشتر و بخش‌های کموتاتور بیشتر معمولاً گشتاور نرم‌تری با ریپل کمتر تولید می‌کنند که به قیمت پیچیدگی بیشتر ساخت و محتوای مواد بالاتر است.

کموتاتور و برس

کموتاتور مجموعه ای استوانه ای از قطعات مسی است که روی شفت روتور نصب شده و توسط موانع میکا یا رزین از یکدیگر عایق شده اند. همانطور که روتور می چرخد، برس ها - بلوک های کربنی یا گرافیتی ساکن که توسط فشار فنر در برابر سطح کموتاتور نگه داشته می شوند - تماس الکتریکی لغزشی را با بخش های متوالی کموتاتور حفظ می کنند و جریان را به داخل و خارج از سیم پیچ های آرمیچر به ترتیبی هدایت می کنند که باعث می شود گشتاور الکترومغناطیسی بدون توجه به موقعیت روتور در یک جهت چرخشی ثابت عمل کند. برس‌های کربنی به جای تماس‌های فلزی استفاده می‌شوند، زیرا کربن خود روان‌کار است، ضریب اصطکاک کمتری در برابر مس دارد و ترجیحاً فرسوده می‌شود - به این معنی که برس‌ها در طول زمان فرسوده می‌شوند در حالی که سطح کموتاتور حفظ می‌شود، یک الگوی سایش که بسیار راحت‌تر از جایگزین است. کشش فنر برس یک پارامتر حیاتی است: فشار بسیار کم باعث ایجاد قوس و تماس ناسازگار می شود. بیش از حد باعث تسریع سایش برس و کموتاتور می شود.

ویژگی های کلیدی عملکرد موتورهای DC برس خورده

موتورهای DC برس دار مجموعه ای از روابط عملکردی قابل پیش بینی و مشخص را نشان می دهند که انتخاب و کاربرد آنها را در طرح های مهندسی ساده می کند. معادلات بنیادی موتور حاکم بر گشتاور، سرعت، جریان و ولتاژ در اکثر شرایط عملیاتی خطی هستند، که هم مدل‌سازی تحلیلی و هم طراحی سیستم کنترل عملی را در مقایسه با انواع موتورهای AC یا ماشین‌های رلوکتانس سوئیچ ساده‌تر می‌کند.

گشتاور راه‌اندازی بالای موتورهای DC مسواک‌شده - نتیجه‌ی حداکثر مصرف جریان در EMF برگشتی صفر - آنها را به‌ویژه برای برنامه‌هایی که نیاز به شتاب قوی از حالت سکون دارند یا باید بر مقاومت بار استاتیک قابل توجهی در راه‌اندازی غلبه کنند، مناسب می‌سازد. این یکی از اصلی‌ترین دلایلی است که موتورهای DC بر روی کاربردهای کششی در وسایل نقلیه الکتریکی، آسانسورها و ماشین‌های صنعتی برای چندین دهه قبل از ظهور سیستم‌های AC و موتورهای بدون جاروبک اینورتر رانده شده بودند.

انواع موتورهای DC برس دار: سری، شنت و مرکب

الفmong wound-field brushed DC motors — the larger industrial and traction variants with electromagnetic rather than permanent magnet stators — three distinct connection configurations produce significantly different torque-speed characteristics. Selecting the appropriate configuration requires matching the motor's natural speed-load behavior to the mechanical demands of the driven load.

موتورهای DC سری-Wound

در موتورهای سری سیم پیچ، سیم پیچ میدان به صورت سری به سیم پیچ آرمیچر متصل می شود، به این معنی که جریان یکسانی از هر دو عبور می کند. این یک گشتاور راه‌اندازی بسیار بالایی ایجاد می‌کند زیرا قدرت میدان متناسب با جریان آرمیچر است - که در هنگام راه‌اندازی بالاترین میزان است - و گشتاور متناسب با حاصلضرب شار میدان و جریان آرمیچر است. با این حال، موتورهای سری یک محدودیت عملیاتی حیاتی دارند: در شرایط سبک یا بدون بار، کاهش جریان آرمیچر میدان را به‌طور چشمگیری ضعیف می‌کند و باعث می‌شود سرعت موتور به سطوح بالقوه خطرناک افزایش یابد. موتورهای DC سری هرگز نباید بدون بار مکانیکی کار کنند و برای درایوهای کششی، بالابرهای جرثقیل و کاربردهای مشابه که بار همیشه وجود دارد و مشخصه گشتاور راه اندازی بالا یک مزیت طراحی است، مناسب هستند.

موتورهای DC Shunt-Wound

در یک موتور شنت-پیچ، سیم پیچ میدان به موازات آرمیچر در سراسر ولتاژ تغذیه متصل می شود. از آنجایی که ولتاژ میدان ثابت است و مقاومت میدان زیاد است، جریان میدان - و بنابراین شار میدان - بدون توجه به بار اساساً ثابت می ماند. این ویژگی به موتور شنت سرعت بارگذاری تقریباً مسطح می دهد: سرعت فقط از حالت بدون بار تا بار کامل متفاوت است و موتورهای شنت را برای کاربردهایی که به سرعت ثابتی مانند ماشین ابزار، نوار نقاله و ماشین چاپ نیاز دارند، انتخاب ارجح است. گشتاور راه اندازی کمتر از موتورهای سری است، و موتورهای شنت می توانند با خیال راحت در شرایط کاهش یافته یا بدون بار بدون خطر فرار مرتبط با سیم پیچ سری کار کنند.

موتورهای دی سی مرکب

موتورهای مرکب دارای هر دو سیم پیچ سری و میدان شنت هستند که ویژگی های هر دو پیکربندی را با هم ترکیب می کنند. سیم پیچ شنت یک میدان پایه پایدار ایجاد می کند که از فرار در بارهای سبک جلوگیری می کند، در حالی که سیم پیچ سری باعث افزایش گشتاور در هنگام راه اندازی و در شرایط بار سنگین می شود. موتورهای مرکب حد وسطی را بین انواع سری و شنت اشغال می‌کنند و در مواردی استفاده می‌شوند که هم گشتاور راه‌اندازی خوب و هم تنظیم سرعت معقول به طور همزمان مورد نیاز است - کاربردهایی مانند کمپرسورهای رفت و برگشتی، پرس پانچ و آسانسورهایی که در آن تغییرات بار قابل توجه است اما باید از سرعت بیش از حد کنترل نشده جلوگیری کرد.

الفdvantages of Brushed DC Motors Over Alternative Motor Types

علیرغم رقابت موتورهای DC بدون جاروبک، موتورهای القایی AC و موتورهای پله‌ای در بسیاری از بخش‌های کاربردی، موتورهای DC برس دار مزیت‌های رقابتی واقعی را در زمینه‌های خاص حفظ می‌کنند. این مزایا ویژگی‌های میراثی نیستند که فقط با اینرسی تاریخی حفظ شوند - آنها منعکس‌کننده مزایای مهندسی واقعی هستند که همچنان موتورهای DC برس خورده را به بهترین یا مقرون‌به‌صرفه‌ترین انتخاب در مجموعه‌ای از کاربردها و شرایط عملیاتی تعریف‌شده تبدیل می‌کنند.

• کنترل سرعت ساده و کم هزینه: سرعت موتور DC برس‌شده را می‌توان با چیزی پیچیده‌تر از یک مقاومت متغیر، یک مدار ترانزیستور ساده یا یک سیگنال اصلی PWM تنظیم کرد. هیچ اینورتر سه فاز پیچیده یا بازخورد رمزگذار برای تنظیم اولیه سرعت مورد نیاز نیست، که به طور چشمگیری هزینه و پیچیدگی الکترونیک درایو را کاهش می دهد.
• عملکرد دو طرفه با حداقل مدار: معکوس کردن جهت یک موتور DC برس خورده فقط مستلزم معکوس کردن قطبیت ولتاژ تغذیه است که با یک مدار پل H ساده قابل دستیابی است. این سادگی به ویژه در روباتیک، محرک‌های خودرو، و لوازم مصرفی که حرکت دو طرفه بدون سربار کنترل‌کننده موتور کامل مورد نیاز است، ارزشمند است.
• گشتاور بالا در سرعت های پایین بدون دنده اضافی: موتورهای DC برس خورده - به ویژه انواع سری - گشتاور قوی را از سرعت صفر ایجاد می کنند و آنها را با پیکربندی های دنده مستقیم یا حداقل دنده در کاربردهایی که گشتاور با سرعت کم نیاز اولیه است، سازگار می کند.
• هزینه اولیه کم: سادگی ساخت موتورهای براش، همراه با سابقه تولید طولانی و مواد به طور گسترده در دسترس آنها، هزینه های واحد را به طور قابل توجهی کمتر از موتورهای براشلس معادل نگه می دارد - مزیتی که در تولیدات مصرف کننده و خودرو با حجم بالا اهمیت زیادی دارد.
• بدون نیاز به وسایل الکترونیکی کموتاسیون خارجی: سیستم جابجایی براش-کموتاتور به این معنی است که موتور مستقیماً از منبع تغذیه DC بدون نیاز به مدار سوئیچینگ خارجی برای عملیات اصلی کار می‌کند و پیچیدگی سیستم را کاهش می‌دهد و نقطه شکست احتمالی را در کاربردهای حساس به هزینه حذف می‌کند.

محدودیت ها و نیازهای تعمیر و نگهداری موتورهای DC برس دار

رابط براش-کموتاتور که به موتورهای DC برس خورده سادگی عملیاتی آنها را می دهد نیز منشأ محدودیت های اولیه آنها است. سایش برس نتیجه اجتناب ناپذیر مکانیزم تماس الکتریکی کشویی است - برس های کربنی اجزای مصرفی هستند که باید به طور دوره ای بازرسی و تعویض شوند تا عملکرد موتور قابل اطمینان حفظ شود. عمر برس بسته به جریان کارکرد، سرعت، وضعیت سطح کموتاتور، آلودگی محیطی و کیفیت مواد برس به طور قابل توجهی متفاوت است، اما فواصل سرویس برس معمولی در موتورهایی که به طور مداوم کار می کنند از صدها تا چند هزار ساعت متغیر است. بنابراین موتورهای DC برس خورده صنعتی در سرویس مداوم نیاز به برنامه‌های تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده‌ای دارند که طراحی‌های بدون جاروبک آن را ندارند.

فرسودگی کموتاتور و آلودگی یکی از نگرانی های تعمیر و نگهداری ثانویه است. گرد و غبار برس کربن - که به طور مداوم توسط فرآیند سایش تولید می شود - روی سطوح کموتاتور و در محفظه موتورها می نشیند و در برخی محیط ها می تواند مسیرهای رسانایی ایجاد کند که باعث ایجاد خطاهای ردیابی یا جریان های نشتی زمین می شود. سطوح کموتاتور می توانند ناهمواری، شیار، یا ایجاد فیلم با مقاومت بالا ایجاد کنند که مقاومت تماسی را افزایش می دهد و باعث ایجاد قوس در رابط برس، تسریع سایش و ایجاد نویز الکتریکی می شود. چرخش یا روکش مجدد کموتاتور دوره ای بخشی از رژیم تعمیر و نگهداری موتورهای برس خورده با چرخه کاری بالا در خدمات صنعتی است. سر و صدای الکتریکی تولید شده توسط قوس برس نیز در محیط های الکترونیکی حساس نگران کننده است - اقدامات سرکوب EMI مانند خازن ها در پایانه های برس، چوک های فریت در سرنخ های منبع تغذیه، و محافظ جعبه موتور معمولاً در کاربردهای الکترونیکی مصرفی و خودرو مورد نیاز است.

کاربردهای کنونی و نوظهور موتورهای DC برس دار

موتورهای DC برس خورده در تولید فعال و استقرار گسترده در دسته‌های کاربردی متعددی باقی می‌مانند که هزینه، سادگی کنترل و ویژگی‌های عملکرد آنها را به بهترین انتخاب عملی تبدیل می‌کند. در مهندسی خودرو، موتورهای DC برس خورده تعداد قابل توجهی از زیرسیستم‌های خودرو از جمله رگولاتورهای پنجره، مکانیسم‌های تنظیم صندلی، درایوهای برف پاک کن، فن‌های دمنده HVAC، محرک‌های سانروف و مجموعه‌های پمپ سوخت را تامین می‌کنند. بخش خودرو سالانه مقادیر زیادی از موتورهای DC کوچک برس خورده مصرف می‌کند، که ناشی از ادغام مداوم ویژگی‌های آسایش و راحتی با کمک نیرو در سراسر بخش‌های خودرو از خودروهای اقتصادی گرفته تا SUV‌های ممتاز است.

• ابزارهای برقی: مته ها، اره منبت کاری اره مویی، اره های دایره ای، اره های رفت و برگشتی و آسیاب های زاویه ای در بازار ابزار مصرفی و حرفه ای همچنان از موتورهای DC برس خورده در پیکربندی های باتری دار استفاده می کنند، به ویژه در محصولات با قیمت پایین تر که مزیت هزینه نسبت به جایگزین های بدون برس از نظر تجاری قابل توجه است.
• رباتیک و الکترونیک سرگرمی: موتورهای DC Brushed اجزای درایو استاندارد در کیت‌های رباتیک آموزشی، وسایل نقلیه RC و پروژه‌های سازنده هستند، زیرا ارزان هستند، فوراً با خروجی‌های PWM میکروکنترلر ساده سازگار هستند و در طیف وسیعی از اندازه‌ها و درجه‌بندی گشتاور در دسترس هستند.
• وسایل پزشکی: پمپ‌های تزریق، سانتریفیوژهای آزمایشگاهی، درایوهای هندپیس جراحی و محرک‌های ابزار تشخیصی از موتورهای DC دقیق برس‌کاری شده استفاده می‌کنند که در آن رابطه خطی گشتاور-جریان کنترل نیرو و سرعت جریان را در کاربردهای مراقبت‌های ویژه ساده می‌کند.
• اتوماسیون صنعتی: درایوهای نوار نقاله، محرک‌های سوپاپ، مراحل تعیین موقعیت در تجهیزات با چرخه کار پایین‌تر، و درایوهای سرعت متغیر همه منظوره در اتوماسیون کارخانه همچنان از موتورهای DC برس خورده استفاده می‌کنند که در آن هزینه الکترونیکی درایو پایین و مشخصات تعمیر و نگهداری ساده از نظر عملیاتی قابل قبول است.
• لوازم مصرفی: محصولات مراقبت شخصی از جمله مسواک های برقی، ریش تراش ها، موبرها و ماساژورها متکی به موتورهای DC برس خورده فشرده هستند که از باتری استفاده می کنند، جایی که هزینه کم، اندازه جمع و جور، و عمر مفید کافی در طول عمر محصول تعریف شده به خوبی با ویژگی های این فناوری هماهنگ است.

ترکیب موتور DC برس خورده از یک قرن پیشرفت مهندسی، سادگی عملکرد و کنترل بی‌نظیر، هزینه رقابتی تقریباً با تمام قدرت‌ها، و الزامات تعمیر و نگهداری به خوبی درک شده تضمین می‌کند که برای آینده قابل پیش‌بینی یک فناوری موتور عملی و تجاری مهم باقی خواهد ماند - حتی اگر جایگزین‌های بدون جاروبک همچنان سهم بازار را در جایی که سرمایه‌گذاری‌های الکترونیکی با کارایی بالاتر و کاربردهای پیچیده‌تر به دست می‌آورند، به دست آورند. کاهش هزینه نگهداری مداوم و بهبود قابلیت اطمینان عملیاتی.