Harjatut tasavirtamoottorit: toimintaperiaate, edut, haitat ja huolto

Mikä on harjattu tasavirtamoottori

A harjattu DC-moottori on sähkömoottori, joka muuntaa tasavirran pyöriväksi liikkeeksi käyttämällä mekaanista kommutointijärjestelmää — joukko hiili- tai kupari-grafiittiharjoja, jotka muodostavat liukuvan kosketuksen pyörivän kommutaattorin kanssa syöttääkseen virran ankkurikäämeihin oikeassa järjestyksessä. Se on vanhin ja mekaanisesti yksinkertaisin tasavirtamoottorin muoto, ja sitä käytetään edelleen laajalti siellä, missä alhaiset kustannukset ja yksinkertainen ohjaus ovat tärkeämpiä kuin maksimi hyötysuhde tai käyttöikä.

Määrittelevä ominaisuus, joka erottaa sen harjattomasta moottorista, on juuri tämä harja-kommutaattorijärjestelmä: virranvaihto tapahtuu automaattisesti fyysisen kosketuksen ja mekaanisen kytkennän kautta ulkoisen elektronisen ohjaimen sijaan.

Harjattu DC-moottori Toimintaperiaate

Virta kulkee teholähteestä harjojen kautta kommutaattoriin, joka ohjaa sen ankkurikäämeihin. Tämä virta luo magneettikentän ankkurin ympärille, joka on vuorovaikutuksessa moottorin kiinteän kentän kanssa (kestomagneeteista tai kenttäkäämeistä). , tuottaa vääntömomentin, joka pyörittää akselia. Kun ankkuri kääntyy, kommutaattorisegmentit pyörivät kiinteiden harjojen ohi ja vaihtavat automaattisesti virran suunnan kussakin käämissä oikealla hetkellä, jotta vääntömomentti pysyy tasaisena pyörimissuunnassa.

Tämä mekaaninen kytkentä tekee harjatuista moottoreista itsekommutoituvia – ulkoista elektroniikkaa ei tarvita sen määrittämiseen, milloin virta on vaihdettava, toisin kuin harjattomassa moottorissa, joka riippuu antureista ja ohjaimesta suorittaakseen saman toiminnon elektronisesti.

Harjatut DC-moottorin osat selitetty

Mihin harjattuja tasavirtamoottoreita käytetään

• Kustannusherkät kuluttajatuotteet: sähkötyökalut, lelut, pienet kodinkoneet ja harrastuselektroniikka
• Autotarvikkeet: ikkunanostimet, istuimen säätimet, pyyhkimen moottorit ja LVI-puhallinmoottorit
• Yksinkertainen teollinen käyttö: matalakierrospumput, pienet kuljetinkäytöt ja peruspaikannusjärjestelmät
• Akkukäyttöiset laitteet, joissa yksinkertainen PWM-jännitteensäätö riittää ja hinta ylittää tehokkuushuolet

Harjattujen tasavirtamoottorien edut

• Yksinkertainen, edullinen ohjaus: nopeus ja vääntömomentti säätyvät suoraan jännitteellä käyttämällä perus-PWM-piiriä
• Pienemmät ennakkokustannukset: yksinkertaisempi rakenne, eikä elektronista nopeussäädintä tarvita
• Suuri käynnistysmomentti: tehokas sovelluksissa, joissa tarvitaan voimakasta vääntömomenttia pysähdyksissä
• Helppo vianmääritys ja korjaus: mekaaniset kulumiskohdat on helppo tarkistaa ja vaihtaa

Haitat Harjattu DC-moottoris

• Harjan kuluminen: fyysinen kosketus harjojen ja kommutaattorin välillä kuluu ajan myötä ja vaatii säännöllistä vaihtoa
• Alempi tehokkuus: kitka ja sähkökaari harjakontaktissa aiheuttavat energiahäviöitä, joita ei ole harjattomissa malleissa
• Sähköinen kohina (EMI): Valokaari harjan ja kommutaattorin koskettimessa tuottaa sähköistä kohinaa, joka voi häiritä lähellä olevaa herkkää elektroniikkaa
• Lämmön muodostuminen: kitka ja resistanssihäviöt harjoissa tuottavat lisälämpöä verrattuna harjattomiin malleihin
• Lyhyempi käyttöikä: harjan kuluminen rajoittaa viime kädessä kokonaiskäyttöikää enemmän kuin useimmat muut moottorin komponentit

Harjatun tasavirtamoottorin käyttöikä ja huolto

Harjan kuluminen on ensisijainen harjatun tasavirtamoottorin käyttöikää rajoittava tekijä, ja se kiihtyy suuremmalla virrankulutuksella, suuremmalla nopeudella ja pölyisemmissä tai likaisemmissa käyttöympäristöissä. Tyypillinen harjan käyttöikä vaihtelee useista sadasta muutamaan tuhanteen tuntiin Käyttösuhteesta, kuormituksesta ja harjamateriaalista riippuen moottorit käyvät ajoittain kevyellä kuormituksella ja kestävät huomattavasti kauemmin kuin jatkuvat raskaalla kuormituksella.

• Tarkasta harjojen pituus ja tasainen kuluminen säännöllisesti; vaihda ennen kuin ne kuluvat niin pitkälle, että jousen kosketuspaine häviää
• Puhdista kommutaattorin pintakertymät (hiilipöly, hapettuminen) ylläpitääksesi jatkuvaa sähkökontaktia
• Tarkista, onko kommutaattorissa pisteytystä tai pistesyöpymistä, mikä nopeuttaa harjan kulumista entisestään, kun se käynnistyy
• Pidä moottorin kotelo puhtaana pölystä ja roskista, koska ilmassa olevat hiukkaset lisäävät harjan ja kommutaattorin kulumista
• Vältä jatkuvaa ylivirtakäyttöä, joka lisää kipinöintiä ja nopeuttaa sekä harjan että kommutaattorin heikkenemistä

Kuinka ohjata harjattua tasavirtamoottoria

Harjattuja tasavirtamoottoreita ohjataan ensisijaisesti kautta jännitteen säätö , koska nopeus on suunnilleen verrannollinen syötettyyn jännitteeseen ja vääntömomentti on karkeasti verrannollinen virrankulutukseen. Yleisin ohjausmenetelmä on pulssinleveysmodulaatio (PWM), jossa säädin kytkee täyden syöttöjännitteen päälle ja pois nopeasti, ja päälle- ja poiskytkentäajan suhde (käyttöjakso) määrittää tehollisen keskijännitteen, jonka moottori näkee.

Suuntaohjaus hoidetaan H-siltapiirin kautta, joka mahdollistaa virran kulkemisen moottorin läpi kumpaankin suuntaan kytkemällä mitkä syöttöliittimet liittyvät mihinkin moottorin liittimiin. PWM-nopeudensäädön ja H-sillan suunnansäädön yhdistäminen antaa täyden nopeuden ja suunnan ohjauksen yksinkertaisista, edullisista ohjainpiireistä, mikä on osa sitä, miksi harjatut moottorit ovat edelleen suosittuja kustannusherkissä sovelluksissa.

Kuinka parantaa harjatun tasavirtamoottorin tehokkuutta

• Käytä laadukasta harjamateriaalia: korkealaatuiset hiili- tai kupari-grafiittiharjat vähentävät kosketusvastusta ja kipinöintihäviöitä
• Säilytä oikea harjan jousen kireys: liian pieni jännitys lisää kipinöintiä ja kosketusvastusta; liian paljon nopeuttaa kulumista
• Pidä kommutaattori puhtaana ja sileänä: kerääntyminen tai kuoppaus lisää kosketusvastusta ja lämmöntuotantoa
• Vältä käyttämästä nimellisjännitteen alapuolella pitkiä aikoja: alijännitekäyttö lisää virrankulutusta tietyllä vääntömomentilla, mikä lisää resistiivisiä häviöitä
• Mitoita moottori oikein kuorman mukaan: ylisuuri moottori, joka käy selvästi alle sen nimelliskapasiteetin, hukkaa tehokkuuden verrattuna oikein sovitettuun moottoriin