موتورهای DC چگونه کار می کنند: Brushed در مقابل Brushless، Components & Drives

چگونه یک موتور DC کار می کند

یک موتور DC (جریان مستقیم) انرژی الکتریکی را با استفاده از برهمکنش بین یک میدان مغناطیسی و یک هادی حامل جریان به چرخش مکانیکی تبدیل می کند. اصل کار از قانون نیروی لورنتس پیروی می کند: هنگامی که جریان الکتریکی از طریق رسانایی که در داخل یک میدان مغناطیسی قرار دارد می گذرد، هادی نیرویی عمود بر جهت جریان و جهت میدان را تجربه می کند. هادی های حامل جریان کافی را در یک مجموعه دوار مرتب کنید و این نیرو تبدیل به گشتاور دورانی پیوسته می شود.

در عمل، یک موتور DC شامل دو سیستم مغناطیسی اساسی است. را استاتور یک میدان مغناطیسی ثابت را فراهم می کند - یا از آهنرباهای دائمی یا آهنرباهای الکتریکی (سیم پیچ های میدان). را روتور (که آرمیچر نیز نامیده می شود) هادی هایی را حمل می کند که به منبع تغذیه DC خارجی متصل هستند. جریانی که از طریق هادی های روتور می گذرد با میدان استاتور برای تولید گشتاور واکنش می دهد و روتور را می چرخاند. تا زمانی که ولتاژ DC اعمال می شود، موتور به چرخش خود ادامه می دهد.

سرعت در یک موتور DC در درجه اول توسط ولتاژ اعمال شده کنترل می شود: ولتاژ بالاتر چرخش سریع تری ایجاد می کند. گشتاور خروجی متناسب با جریان آرمیچر است. این رابطه مستقیم بین ولتاژ، جریان، سرعت و گشتاور، کنترل موتورهای DC را در طیف وسیعی از عملیات بسیار آسان می‌کند - ویژگی که تسلط مداوم آنها را در برنامه‌های درایو با سرعت متغیر توضیح می‌دهد.

اجزای موتور الکتریکی DC

معماری داخلی یک موتور DC بین طرح های برس دار و بدون جاروبکی متفاوت است، اما چندین جزء اصلی در هر دو نوع مشترک هستند.

استاتور

استاتور مجموعه بیرونی ثابت موتور است. در موتورهای DC کوچک و کسری اسب بخار، میدان استاتور توسط آهنرباهای دائمی ثابت شده روی سوراخ داخلی محفظه موتور تولید می شود. در موتورهای DC صنعتی بزرگتر، استاتور سیم پیچ های میدانی را حمل می کند - سیم پیچ هایی از سیم که به دور قطعات قطب پیچیده شده اند - که از طریق آن یک جریان تحریک DC جداگانه برای ایجاد میدان مغناطیسی جریان می یابد. قاب استاتور معمولاً از فولاد سیلیکونی چند لایه است تا تلفات جریان گردابی را به حداقل برساند.

روتور (آرماتور)

روتور مجموعه چرخشی است که روی شفت موتور نصب شده است. این شامل یک هسته آهنی چند لایه با شکاف هایی است که در اطراف آن ماشین کاری شده اند، که سیم پیچ های آرمیچر به داخل آن پیچیده می شود. ساختار چند لایه تلفات جریان گردابی در آهن را کاهش می دهد. در موتورهای DC برس خورده، روتور سیم پیچ های زخمی را حمل می کند. در موتورهای DC بدون جاروبک، روتور آهنرباهای دائمی را حمل می کند.

کموتاتور و برس (فقط موتورهای براش)

کموتاتور یک حلقه مسی قطعه بندی شده است که روی شفت روتور نصب شده است. هر بخش به سیم پیچ آرمیچر متفاوتی متصل می شود. برس‌های کربن - کنتاکت‌های فنری که در محفظه استاتور نصب شده‌اند - روی سطح کموتاتور فشار می‌آورند و با چرخش شفت، تماس الکتریکی را حفظ می‌کنند. با چرخش روتور، بخش‌های کموتاتور به ترتیب از زیر برس‌ها عبور می‌کنند و به طور خودکار جهت جریان را در هر سیم پیچ در لحظه مناسب تغییر می‌دهند تا گشتاور در یک جهت چرخشی ثابت عمل کند. این سوئیچینگ مکانیکی چیزی است که یک موتور DC برس خورده را تعریف می کند.

سیم پیچ

سیم‌پیچ‌های آرمیچر، هادی‌های مسی عایق‌شده هستند که به شکاف‌های روتور پیچیده می‌شوند. پیکربندی سیم پیچ - دور، موج یا سیمپلکس - تعداد مسیرهای جریان موازی را از طریق آرمیچر تعیین می کند و بر ویژگی های سرعت-گشتاور موتور تأثیر می گذارد. سیم پیچ های میدانی روی استاتور، در صورت وجود، برای تولید تعداد صحیح قطب های مغناطیسی برای سرعت طراحی و محدوده گشتاور، پیچ می شوند.

شفت، بلبرینگ و مسکن

شفت خروجی گشتاور مکانیکی را به بار منتقل می کند. بلبرینگ‌های توپ دقیق یا یاتاقان‌های آستینی، شفت را در هر انتهای محفظه نگه می‌دارند، و شکاف هوا بین روتور و استاتور را در محدوده‌های تلورانس محدود حفظ می‌کنند. محفظه (زنگ‌ها و قاب انتهایی) پشتیبانی ساختاری را فراهم می‌کند، از اجزای داخلی محافظت می‌کند و در برخی از طرح‌ها دارای پره‌های خنک‌کننده یا لوازم نصب برای یک فن خارجی است.

موتور DC برس خورده : اصل و ویژگی های عملیاتی

در یک موتور جریان مستقیم برس، کموتاتور و برس ها عملکرد تعویض جریان را به صورت مکانیکی انجام می دهند. همانطور که آرمیچر می چرخد، بخش های کموتاتور از کنار کنتاکت های برس ثابت حرکت می کنند و هر سیم پیچ آرمیچر را به ترتیب به منبع تغذیه متصل می کنند. این تضمین می کند که صرف نظر از موقعیت روتور، سیم پیچی که در حال حاضر با شکاف قطب استاتور در یک راستا قرار دارد، همیشه جریان را در جهت صحیح برای تولید گشتاور رو به جلو حمل می کند.

نتیجه موتوری است که مستقیماً از منبع DC بدون نیاز به کموتاسیون الکترونیکی خارجی کار می کند. یک موتور DC برس خورده را به یک باتری یا منبع تغذیه DC تنظیم شده وصل کنید و بلافاصله می چرخد. قطبیت را معکوس کنید و جهت را معکوس کنید. این سادگی دلیل اصلی باقی ماندن موتورهای برس خورده به طور گسترده در کاربردهای حساس به هزینه و پیچیدگی کم تا متوسط ​​است.

تماس مکانیکی بین برس ها و کموتاتور محدودیت های کلیدی موتور را معرفی می کند. اصطکاک برس-کموتاتور گرما ایجاد می‌کند و زباله‌های سایش ایجاد می‌کند، و قوس‌هایی که هنگام تعویض سگمنت‌ها ایجاد می‌شود، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می‌کند. تعویض برس معمولاً هر 1000 تا 5000 ساعت کار لازم است بسته به بار فعلی، سرعت و محیط عملیاتی. سطح کموتاتور نیز نیاز به بازرسی دوره ای و روکش مجدد دارد.

موتورهای DC برس خورده برای استفاده در اتمسفرهای قابل اشتعال یا انفجار مناسب نیستند زیرا قوس برس می تواند گازهای اطراف را مشتعل کند. آنها همچنین در حداکثر سرعت توسط محدودیت های مکانیکی تماس برس-کموتاتور محدود می شوند، که معمولاً در بالای صفحه قرار می گیرند. 3000 تا 8000 دور در دقیقه در اکثر طرح ها

براش در مقابل موتور DC بدون جاروبک : تفاوت های اصلی

یک موتور DC بدون جاروبک (BLDC) با جابجایی آهنرباهای دائمی به روتور و سیم پیچ ها به استاتور، مجموعه کموتاتور و برس را به طور کامل حذف می کند. سوئیچینگ جریان - جابجایی - به صورت الکترونیکی توسط یک کنترل کننده موتور انجام می شود که موقعیت روتور را از طریق سنسورهای اثر هال یا تشخیص EMF پشتی نظارت می کند و سیم پیچ های استاتور را در ترتیب صحیح برای حفظ چرخش انرژی می دهد.

این وارونگی معماری پیامدهای قابل توجهی برای عملکرد، نگهداری و محدوده کاربرد دارد.

مزیت کارایی موتورهای براشلس به ویژه در برنامه های کاربردی با باتری قابل توجه است. یک پیشرانه خودروی الکتریکی یا ابزار برقی که یک موتور BLDC را با راندمان 92 درصد در مقابل یک موتور برس خورده با 80 درصد کار می‌کند، مستقیماً به زمان طولانی‌تر در هر بار شارژ و کاهش بار حرارتی روی بسته باتری تبدیل می‌شود. این عامل اصلی تغییر تقریباً جهانی به موتورهای براشلس در ابزارهای برقی بی سیم، وسایل نقلیه الکتریکی، هواپیماهای بدون سرنشین و سیستم های HVAC در دو دهه گذشته است.

زمان استفاده از موتور DC برس خورده

علیرغم مزایای عملکرد طراحی های بدون جاروبک، موتورهای DC برس خورده انتخاب صحیحی در چندین دسته کاربردی باقی می مانند.

• برنامه های کاربردی با محدودیت هزینه و چرخه وظیفه کوتاه: رگولاتورهای شیشه خودرو، تنظیم کننده صندلی، برف پاک کن شیشه جلو و موتورهای لوازم کوچک به ندرت کار می کنند که سایش برس یک نگرانی عملی در مورد طول عمر وسیله نقلیه یا محصول نباشد. هزینه موتور پایین تر و مدار کنترل ساده (رله یا پل H) از مزیت کارایی براشلس در این موارد بیشتر است.
• الزامات ساده سرعت متغیر: در جایی که کنترل سرعت فقط به تنظیم ولتاژ تغذیه نیاز دارد - از طریق یک پتانسیومتر، سیگنال PWM یا درایو اصلی - موتورهای برس دار کمترین هزینه و پیچیدگی سیستم را ارائه می دهند.
• گشتاور راه اندازی بالا در سرعت پایین: موتورهای DC سری برس خورده حداکثر گشتاور را در هنگام راه اندازی تولید می کنند (گشتاور استال) که باعث می شود از نظر تاریخی برای کاربردهای کششی مانند جرثقیل ها، بالابرها و لوکوموتیوهای الکتریکی که گشتاور بالا در سرعت صفر ضروری است ترجیح داده شوند.
• جایگزینی در زیرساخت های موجود: تأسیسات صنعتی با نصب موتورهای DC برس خورده و موجودی برس موجود اغلب با استفاده از موتورهای برس خورده در جایی که زیرساخت درایو در حال حاضر وجود دارد و صرفه اقتصادی تبدیل هزینه سرمایه را توجیه نمی کند، ادامه می دهند.

موتورهای DC و سیستم های محرک

درایو موتور DC (همچنین درایو DC یا کنترلر DC نیز نامیده می شود) بسته الکترونیکی قدرتی است که ولتاژ و جریان عرضه شده به موتور DC را برای کنترل سرعت، گشتاور، شتاب و جهت آن تنظیم می کند. موتور و درایو با هم یک سیستم کنترل حرکت کامل را تشکیل می دهند - موتور خروجی مکانیکی را ارائه می دهد و درایو ورودی الکتریکی را برای دستیابی به مشخصات حرکتی مورد نظر مدیریت می کند.

درایوهای DC براش

درایوهای DC برس دار سنتی از تکنیک های کنترل فاز تریستور (SCR) یا PWM (مدولاسیون عرض پالس) برای تنظیم ولتاژ آرمیچر استفاده می کنند. یک درایو چهار چهارگانه می‌تواند سرعت و گشتاور را در هر دو جهت چرخشی کنترل کند و ترمز احیاکننده را امکان‌پذیر می‌کند - جایی که موتور در حین کاهش سرعت به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند و انرژی را به گذرگاه تغذیه برمی‌گرداند. این قابلیت به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مانند ماشین‌های سیم‌پیچ، آسیاب‌های نورد و بالابرها که کاهش سرعت کنترل شده و بازیافت انرژی اهمیت دارد، استفاده می‌شود.

دقت تنظیم سرعت درایو DC برس دار حلقه بسته با سیگنال بازخورد سرعت سنج معمولاً ± 0.1٪ سرعت تنظیم شده ، که تسلط طولانی مدت آنها را در کنترل حرکت صنعتی دقیق قبل از بلوغ درایوهای فرکانس متغیر AC در دهه 1990 توضیح می دهد.

درایوهای DC بدون جاروبک (کنترل کننده‌های BLDC)

یک کنترل کننده موتور BLDC با خواندن موقعیت روتور - از طریق سنسورهای جلوه هال تعبیه شده در موتور یا از طریق تخمین EMF بدون سنسور - و تغییر جریان از طریق فازهای استاتور به ترتیب صحیح، جابجایی الکترونیکی را انجام می دهد. این کنترلر همچنین چرخه وظیفه PWM را برای تنظیم سرعت مدیریت می کند و جریان را برای محدود کردن گشتاور نظارت می کند. درایوهای پیچیده‌تر BLDC کنترل میدان‌گرا (FOC) را اجرا می‌کنند که زاویه بین میدان استاتور و آهنربای روتور را برای حداکثر گشتاور در هر آمپر در محدوده سرعت کامل بهینه می‌کند.

در سیستم‌های حرکتی یکپارچه - مانند اتصالات ربات، محورهای سروو، و دوک‌های CNC - موتور BLDC و درایو آن معمولاً به عنوان یک مجموعه منطبق با هم جفت و تنظیم می‌شوند. پارامترهای درایو از جمله پهنای باند حلقه جاری، بهره حلقه سرعت و زمان بندی کموتاسیون در حین راه اندازی پیکربندی شده و در حافظه غیرفرار درایو ذخیره می شوند.

پارامترهای کلیدی انتخاب درایو

• امتیاز جریان پیوسته و پیک: درایو باید جریان کار مداوم موتور و جریان اوج گرفته شده در طول شتاب را بدون خاموش شدن یا خاموش شدن حرارتی کنترل کند.
• محدوده ولتاژ تغذیه: باید با ولتاژ نامی موتور و منبع تغذیه موجود (24 ولت، 48 ولت، 120 ولت، 240 ولت DC یا AC اصلاح شده) مطابقت داشته باشد.
• رابط کنترل: ولتاژ آنالوگ (0-10 ولت)، سیگنال PWM، ورودی پالس پله/جهت، یا فیلدباس دیجیتال (CANopen، EtherCAT، Modbus) بسته به معماری سیستم.
• سازگاری با بازخورد: درایو باید دستگاه بازخورد نصب شده روی موتور - حسگرهای هال، رمزگذار (افزاینده یا مطلق)، یا حل کننده را بپذیرد.
• قابلیت احیا کننده: کاربردهایی با ترمزهای مکرر یا بارهای عمودی از درایوهای با ترمز احیا کننده برای جلوگیری از اتلاف حرارت بیش از حد در مقاومت های ترمز بهره می برند.

کاربردهای معمول بر اساس نوع موتور

چشم انداز کاربرد موتورهای DC برس دار و بدون جاروبک، نقاط قوت آنها را در هزینه، نگهداری، محدوده سرعت و دقت کنترل منعکس می کند.

برنامه های کاربردی موتور DC براش

• محرک بدنه خودرو (پنجره، آینه، صندلی، سانروف)
• درایوهای DC صنعتی در ماشین آلات قدیمی (آسیاب های نورد، اکسترودرها، ماشین های چاپ)
• سرگرمی و رباتیک آموزشی (که در آن سادگی و هزینه کم اولویت است)
• لوازم خانگی کوچک (میکسر، مخلوط کن، موتور جاروبرقی)
• موتورهای کششی در طرح های قدیمی لیفتراک و وسایل نقلیه الکتریکی

کاربردهای موتور DC بدون جاروبک

• کشش وسایل نقلیه الکتریکی و درایوهای کمکی
• ابزار برقی شارژی و تجهیزات باغبانی
• پیشرانه پهپاد و پهپاد (نیاز به چگالی توان بالا و کنترل دقیق سرعت)
• دوک های ماشین ابزار CNC و محورهای سروو
• فن ها، پمپ ها و کمپرسورهای تهویه مطبوع (که راندمان در ساعات کار مداوم به طور مستقیم بر هزینه عملیاتی تأثیر می گذارد)
• اسپیندل هارد دیسک و فن های خنک کننده کامپیوتر
• دستگاه های پزشکی نیاز به عملیات تمیز و کم تعمیر و نگهداری