Brušeni istosmjerni motori: princip rada, prednosti, mane i održavanje

Što je brušeni istosmjerni motor

A brušeni istosmjerni motor je električni motor koji pretvara istosmjernu struju u rotacijsko gibanje pomoću mehaničkog komutacijskog sustava — set karbonskih ili bakreno-grafitnih četkica koje ostvaruju klizni kontakt s rotirajućim komutatorom kako bi se struja dovela do namota armature pravilnim redoslijedom. To je najstariji i mehanički najjednostavniji oblik istosmjernog motora te se i dalje široko koristi gdje god su niska cijena i jednostavna kontrola važniji od maksimalne učinkovitosti ili životnog vijeka.

Definirajuća značajka koja ga odvaja od motora bez četkica je upravo ovaj sustav četkica i komutatora: preokret struje događa se automatski putem fizičkog kontakta i mehaničkog prebacivanja, a ne putem vanjskog elektroničkog upravljača.

Brušeni DC motor Princip rada

Struja teče iz napajanja kroz četkice u komutator, koji je usmjerava u namote armature. Ova struja stvara magnetsko polje oko armature koje je u interakciji s fiksnim poljem motora (od trajnih magneta ili namota polja) , stvarajući zakretni moment koji rotira osovinu. Kako se armatura okreće, segmenti komutatora se okreću pored nepokretnih četkica, automatski mijenjajući smjer struje u svakom namotu u pravom trenutku kako bi zakretni moment djelovao u dosljednom smjeru rotacije.

Ovo mehaničko prebacivanje je ono što motore s četkastim motorima čini samokomutirajućim — nije potrebna vanjska elektronika da bi se odredilo kada treba preokrenuti struju, za razliku od motora bez četkica, koji ovisi o senzorima i upravljaču za elektroničko obavljanje iste funkcije.

Objašnjene komponente brušenog istosmjernog motora

Za što se koriste brušeni istosmjerni motori

• Troškovno osjetljivi potrošački proizvodi: električni alati, igračke, mali kućanski aparati i hobi elektronika
• Dodatna oprema za automobile: podizači prozora, regulatori sjedala, motori brisača i motori ventilatora HVAC
• Jednostavno industrijsko pokretanje: crpke s niskim ciklusom, mali pokretni pogoni i osnovni sustavi za pozicioniranje
• Uređaji koji se napajaju baterijama kod kojih je jednostavna PWM kontrola napona dovoljna, a trošak nadmašuje brigu o učinkovitosti

Prednosti brušenih istosmjernih motora

• Jednostavna, jeftina kontrola: brzina i okretni moment izravno se prilagođavaju primijenjenim naponom pomoću osnovnog PWM sklopa
• Niži početni trošak: jednostavnija konstrukcija i nema potrebe za elektroničkim regulatorom brzine
• Visoki startni moment: učinkovit za primjene koje zahtijevaju jak okretni moment iz mirovanja
• Jednostavan za rješavanje problema i popravak: mehaničke točke trošenja je jednostavno pregledati i zamijeniti

Nedostaci od Brušeni DC motors

• Trošenje četke: fizički kontakt između četkica i komutatora s vremenom se istroši, pa je potrebna povremena zamjena
• Niža učinkovitost: trenje i električni luk na kontaktu četkice stvaraju gubitke energije koji nisu prisutni u dizajnu bez četkica
• Električni šum (EMI): električni luk na kontaktu četke i komutatora stvara električni šum koji može ometati osjetljivu elektroniku u blizini
• Nakupljanje topline: trenje i gubici otpora na četkama stvaraju dodatnu toplinu u usporedbi s dizajnom bez četkica
• Kraći vijek trajanja: trošenje četkica u konačnici ograničava ukupni radni vijek više od većine ostalih komponenti motora

Životni vijek i održavanje brušenog istosmjernog motora

Trošenje četkica primarni je čimbenik koji ograničava životni vijek brušenog istosmjernog motora, a ubrzava se s većom potrošnjom struje, većom brzinom i prašnjavijim ili prljavijim radnim okruženjima. Uobičajeni životni vijek četkica kreće se od nekoliko stotina do nekoliko tisuća sati ovisno o radnom ciklusu, opterećenju i materijalu četke, s motorima koji rade s prekidima pri malom opterećenju koji traju znatno dulje od onih koji neprekidno rade pod velikim opterećenjem.

• Povremeno provjerite duljinu i ravnomjerno trošenje četkica; zamijenite prije nego što se istroše do točke gubitka kontaktnog pritiska opruge
• Očistite nakupine na površini komutatora (ugljična prašina, oksidacija) kako biste održali dosljedan električni kontakt
• Provjerite ima li brazda ili rupa na komutatoru, što ubrzava daljnje trošenje četkica nakon što počne
• Čuvajte kućište motora od prašine i krhotina, budući da čestice u zraku povećavaju trošenje četkica i komutatora
• Izbjegavajte dugotrajni prekostrujni rad, koji povećava stvaranje luka i ubrzava degradaciju četkica i komutatora

Kako upravljati brušenim istosmjernim motorom

Brušeni istosmjerni motori upravljaju se prvenstveno kroz podešavanje napona , budući da je brzina otprilike proporcionalna primijenjenom naponu, a okretni moment otprilike proporcionalan potrošnji struje. Najčešća metoda upravljanja je modulacija širine impulsa (PWM), gdje kontroler brzo uključuje i isključuje puni napon napajanja, a omjer vremena uključivanja i vremena isključenja (radni ciklus) određuje efektivni prosječni napon koji motor vidi.

Kontrolom smjera upravlja se kroz krug H-mosta, koji omogućuje protok struje kroz motor u bilo kojem smjeru mijenjanjem priključaka napajanja na koje priključke motora. Kombinacija PWM kontrole brzine s kontrolom smjera H-mosta daje punu kontrolu brzine i smjera iz jednostavnog, jeftinog strujnog kruga pogonskog sklopa, što je dio razloga zašto brušeni motori ostaju popularni u isplativim aplikacijama.

Kako poboljšati učinkovitost brušenog istosmjernog motora

• Koristite kvalitetan materijal za četke: visokokvalitetne karbonske ili bakreno-grafitne četkice smanjuju kontaktni otpor i gubitke kod luka
• Održavajte odgovarajuću napetost opruge četke: premala napetost povećava stvaranje luka i kontaktni otpor; previše ubrzava trošenje
• Održavajte komutator čistim i glatkim: nakupljanje ili udubljenje povećava kontaktnu otpornost i stvaranje topline
• Izbjegavajte rad ispod nazivnog napona dulje vrijeme: rad pod naponom povećava povlačenje struje za dani okretni moment, povećavajući otporne gubitke
• Dimenzionirajte motor ispravno za opterećenje: predimenzioniran motor koji radi znatno ispod svog nazivnog kapaciteta gubi učinkovitost u usporedbi s pravilno usklađenim motorom