Hoe werken geborstelde motoren? Commutator, borstels en koppelcurve uitgelegd

Het korte antwoord: de stroom van de spoel keert om als deze draait

A geborstelde motor heeft twee magnetische delen en één draaischakelaar. Het veld is stationair en wordt opgewekt door permanente magneten in de behuizing of door een aparte veldwikkeling. De werkende spoelen zitten in het anker, gewikkeld rond een ijzeren kern die aan de as is bevestigd en vrij kan draaien.

Gelijkstroom bereikt deze spoelen via de borstels. Elke borstel drukt tegen de commutator, een cilinder van geïsoleerde koperen segmenten. De stroom komt binnen via de positieve borstel, loopt het segment eronder binnen, loopt door de ene ankerspoel en verlaat het tegenovergestelde segment en de borstel. Omdat die spoel nu stroom voert binnen een magnetisch veld, voelt elke kant ervan een kracht die loodrecht staat op zowel het veld als de stroom, en de twee krachten werken op tegenovergestelde kanten van de as. Het anker draait.

Het probleem is dat een spoel met vaste stroom in lijn met het veld zou zwaaien en daar zou stoppen. De commutator verhindert dit. Terwijl het anker draait, glijdt elke borstel van het ene segment naar het volgende, waardoor de stroom in die spoel wordt omgedraaid wanneer deze het neutrale vlak kruist. De polariteit van de spoel draait om, zodat de kracht de rotor in dezelfde richting blijft duwen. Voor elke spoel gebeurt die omkering twee keer per omwenteling, en de timing wordt alleen bepaald door de geometrie: segmentbreedte, borstelbreedte en borstelpositie.

Wat elk onderdeel doet en welk symptoom ernaar verwijst

Wanneer een borstelmotor niet goed presteert, zit de fout meestal op een van de vijf plaatsen, en laat elke plek een andere vingerafdruk achter.

Het contactoppervlak is net zo belangrijk als de onderdelen zelf. Een dunne, gelijkmatige, donkere film op de commutator blijft laag; helder, droog koper betekent meestal dat de borstelkwaliteit te schurend is, of dat de motor gedurende lange perioden te licht draait.

Waarom de stroom tweemaal per revolutie omkeert

1. De voedingsstroom komt binnen via de positieve borstel en komt terecht in het commutatorsegment dat deze raakt.
2. Dat segment leidt de stroom door één ankerspoel, die een elektromagneet wordt met een noord- en een zuidkant.
3. Het noordelijke uiteinde wordt afgestoten door de noordpool van de stator en aangetrokken door de zuidpool van de stator, zodat het anker draait.
4. Op het neutrale vlak kruist de borstel de geïsoleerde opening tussen de segmenten en wordt de stroom naar die spoel kortstondig onderbroken.
5. Het volgende segment neemt het over en de richting van de stroom door de spoel is nu omgekeerd.
6. De polen van de spoel zijn verwisseld, zodat de kracht in dezelfde rotatierichting blijft duwen in plaats van de as af te remmen.

Een borstelmotor is een roterende schakelaar met een magneet eromheen. Borstelstof, levensduur van de borstel, radiofrequentiegeluid en het praktische snelheidsplafond komen allemaal voort uit die schakelaar, evenals de lage prijs.

Stap vier is waar de technische inspanning naartoe gaat. Tijdens de korte onderbreking probeert de inductantie van de spoel de stroom te laten stromen, en die energie moet ergens heen: een kleine boog aan het borsteloppervlak, een beetje warmte of een spanningspiek die een onderdrukkingscondensator absorbeert. Borstelkwaliteit, veerdruk en segmentafstand zijn gekozen om de boog klein genoeg te houden om duizenden uren te overleven.

Snelheid, koppel en tegen-EMK: de cijfers correct lezen

Een draaiende spoel in een magnetisch veld is ook een generator. De spanning die het produceert is tegengesteld aan de voeding en wordt EMF genoemd, en groeit met de snelheid. De rekenkunde is gemakkelijk te zien.

Neem een ​​12 V-borstelmotor met een ankerweerstand van 1,2 ohm. Op het moment dat de schakelaar sluit, staat de rotor stil, is de tegen-EMK nul en kan de wikkeling ongeveer 10 A trekken. Een fractie van een seconde later, bij een snelheid van bijna 3.000 tpm, kan de tegen-EMK zijn gestegen tot ongeveer 10,5 V, waardoor er slechts 1,5 V over de weerstand overblijft, of ongeveer 1,25 A. Startstroom en bedrijfsstroom zijn verschillende hoeveelheden, en een voeding die alleen al op de lopende figuur is afgestemd, zal bij elke start bruin worden.

• De vrijloopsnelheid wordt gemeten zonder dat er iets op de as zit; de snelheid die op een cataloguspagina wordt vermeld, is meestal de waarde bij nominale belasting, die lager is.
• Toleranties zijn reëel. Een venster van plus of min 10 procent bij onbelaste snelheid is normaal en verandert de luchtstroom, het stroomverbruik en het geluid in het voltooide apparaat.
• Het overtrekkoppel is een piekcijfer voor maximaal een paar seconden. Het is nuttig voor het dimensioneren van een zekering, niet voor het beschrijven van continubedrijf.

Waar borstelmotoren nog steeds winnen in het ontwerpen van apparaten

Elektronicavrije commutatie levert een specifieke reeks voordelen op, en deze zijn nog steeds van belang bij kostengevoelige producten:

• Laagste eenheidskosten per watt asvermogen, vooral tussen 5 W en 150 W.
• Betrouwbaar startkoppel; de motor trekt hard vanaf nul toeren zonder controller.
• Toerentalregeling met één PWM-trap, een serieweerstand of een variabele voeding.
• Richtingverandering door twee afleidingen te verwisselen.
• Sierlijk gedrag als de accuspanning zakt.

Die combinatie zorgt ervoor dat geborstelde motoren in desktop-koelventilatoren, verdampingsluchtkoelers, kleine luchtverhitters, voordelige keukenafzuigers, waterpompen en een lange lijst met auto-accessoires voorkomen.

Fabrikanten van apparaten die aandrijvingen voor luchtbeweging vergelijken, beoordelen meestal beide typen voordat ze een ontwerp vergrendelen. Koelers met geforceerde convectie en desktopventilatoren hebben nu bijvoorbeeld DC-alternatieven die op variabele snelheid werken.

Borstelslijtage, hitte en elektrisch geluid: de eerlijke afwegingen

De levensduur van een borstel is het eerste wat je moet kwantificeren, omdat het de onderhoudsbelofte bepaalt die je kunt doen. Kleine koolborstels in motoren van apparaatkwaliteit gaan gewoonlijk ergens tussen de 500 en 2.000 draaiuren mee, en dat bereik is niet voor niets groot: een motor die de hele dag start en stopt, slijt sneller dan een motor die continu draait, omdat een groot deel van het borstelverlies plaatsvindt in de startboog.

Warmte is het tweede probleem. Er treden verliezen op in het koper, in het ijzer en aan de borstelzijde, en de rotor heeft het slechtste pad naar de buitenlucht. De isolatieklasse van de wikkelingen, en niet de temperatuur van de behuizing, bepaalt de werkelijke limiet voor continu gebruik. Elektrische ruis is de derde: elke boog aan de borstelzijde is een kleine breedbandzender. Daarom worden borstelmotoren vaak geleverd met al gemonteerde onderdrukkingscondensatoren of smoorspoelen.

Een borstelmotor specificeren: een praktische checklist voor kopers

Twee leveranciers kunnen allebei "12 V, 3.000 tpm" opgeven en toch motoren leveren die zich in hetzelfde apparaat anders gedragen, omdat het ene getal wordt vermeld bij nullast en het andere bij een bepaald koppel. Vraag het laadpunt schriftelijk op.

• Nominale spanning, plus het bereik dat de toepassing daadwerkelijk zal zien.
• Nullastsnelheid en nullaststroom.
• Snelheid, koppel en stroom op het beoogde werkpunt.
• Stall-koppel, met een tijdslimiet voor hoe lang het kan worden vastgehouden.
• Poetslevensduurdoel in uren bij uw echte werkcyclus.
• Continu of onderbroken dienst, en verwachte starts per uur.
• Isolatieklasse en maximale wikkeltemperatuur.
• Er zijn onderdrukkingscomponenten aangebracht en de emissienorm waaraan deze voldoen.
• Asdiameter, lengte en tolerantie, plus flens- en schroefpatroon.
• Akoestisch geluid in dB(A) op het lastpunt, op een aangegeven afstand.
• Certificeringen vereist op de bestemmingsmarkt.

Het helpt ook om te werken met een kleine leverancier van elektromotoren dat wordt gebouwd volgens een tekening of monster in plaats van alleen catalogusitems te verzenden, omdat twee millimeter aslengte of een andere borstelkwaliteit vaak het verschil is tussen een motor die past en een motor die niet past. Hoe de commutator en borstelsamenstel zich onder echte belasting gedraagt, is het de moeite waard om te controleren voordat een tekening wordt afgetekend.

Geborsteld of borstelloos: kiezen zonder spijt

De beslissing komt meestal neer op de duty-cycle en controle-eisen en niet op de ruwe prestaties.

De keukenventilatie laat de verschuiving duidelijk zien: afzuigkappen werken gedurende lange en onregelmatige periodes en worden beoordeeld op geluid bij lage snelheid, dus gelijkstroomaandrijvingen met variabele snelheid hebben een groeiend aandeel van die markt ingenomen.