Cum funcționează motoarele electrice cu perii de curent continuu? Ghidul motoarelor DC cu micro perii

Răspunsul scurt: un motor de curent continuu cu perii funcționează prin alimentarea cu curent printr-o bobină care se învârte (rotorul) prin contacte staționare din carbon sau metal numite perii, care presează pe un inel segmentat rotativ numit comutator. Pe măsură ce rotorul se rotește, comutatorul inversează automat direcția curentului în bobină la momentul potrivit, menținând împingerea forței magnetice în aceeași direcție de rotație - această acțiune de auto-comutare este ceea ce permite unui motor periat să se rotească continuu dintr-o sursă de curent continuu simplă, nereglementată. Nu este nevoie de circuite externe pentru a-l face să se întoarcă , tocmai de aceea motoarele cu perii de curent continuu, inclusiv motoare DC cu micro perie mic de 4 mm în diametru, rămâne una dintre cele mai utilizate și mai rentabile modalități de a converti energia electrică în mișcare de rotație. Restul acestui ghid defalcă mecanismul în detaliu, ce se află în interiorul unui motor cu micro perie și ce să cântăriți atunci când alegeți unul pentru un proiect.

Componentăele de bază ale unui motor DC cu perii

Fiecare motor electric DC periat , de la o unitate de dimensiunea unei jucării la un motorreductor industrial, este construit din aceleași patru părți esențiale.

Carbonul sau grafitul este materialul standard al periei, mai degrabă decât metalul solid, deoarece carbonul este auto-lubrifiant și se uzează în mod preferențial - ceea ce înseamnă că peria se erodează treptat în timp, în timp ce suprafața mai scumpă a comutatorului rămâne în mare parte intactă. Acest model de uzură este în mod deliberat ușor de întreținut: înlocuirea unei perii uzate este mult mai simplă și mai ieftină decât înlocuirea unui comutator deteriorat.

Cum se învârte de fapt motorul: pas cu pas

Principiul de lucru se bazează pe două concepte de fizică: legea lui Faraday a inducției electromagnetice și forța Lorentz. În practică, ciclul arată astfel:

1. Tensiunea de curent continuu este aplicată la cele două borne ale periei, iar curentul curge de la perii în segmentele comutatorului pe care le ating.
2. Curentul care trece prin bobina rotorului îl transformă într-un electromagnet, generând propriul său câmp magnetic.
3. Acest câmp rotor interacționează cu câmpul fix de la magneții permanenți ai statorului - ca polii se resping, polii opuși se atrag - producând un cuplu care împinge rotorul să se rotească.
4. Pe măsură ce rotorul se apropie de alinierea cu câmpul statorului (aproximativ la fiecare 180 de grade de rotație), periile alunecă pe următorul segment de comutator, care inversează direcția curentului în bobină.
5. Inversarea curentului inversează polaritatea magnetică a rotorului exact în momentul potrivit, astfel încât împingerea magnetică continuă în aceeași direcție de rotație în loc să se blocheze.
6. Acest ciclu de comutare și apăsare se repetă continuu, producând o rotație lină și continuă atâta timp cât este aplicată puterea.

Există o scurtă clipă în timpul fiecărui ciclu când periile unesc două segmente de comutator și scurtcircuitează momentan o parte a înfășurării - aceasta este sursa scânteilor mici vizibile în interiorul unui motor cu perii în funcțiune și este, de asemenea, originea majorității zgomotului electric pe care aceste motoare îl generează.

Ce face un motor DC cu micro-perie diferit

Un motor de curent continuu cu micro-perie folosește exact același principiu de comutare descris mai sus, doar redus dramatic. Sursele din industrie clasifică, în general, orice motor sub aproximativ 30 mm în diametru drept micromotor, iar cele mai mici unități cu perii disponibile în comerț sunt la fel de mici ca 4 mm in diametru , folosit în aplicații precum micro-drone și mecanisme de blocare în miniatură.

Micromotoare fără miez vs. Micromotoare cu miez de fier

Majoritatea micromotoarelor cu perii folosesc un design de rotor fără miez (fără fier), mai degrabă decât armătura tradițională cu miez de fier găsită la motoarele mai mari. În loc de înfășurări înfășurate în jurul unui miez de fier, bobina este o structură autoportabilă, goală. Acest lucru elimină pierderile de fier și deformarea (rezistența crestată resimțită atunci când se rotește manual un motor cu dinți de fier), ceea ce oferă micromotoare fără miez. inerție de rotație foarte mică și accelerație rapidă — un avantaj semnificativ în dispozitive precum pipetele, mecanismele de focalizare ale camerei sau pompele mici, în care pornirile și opririle rapide și precise contează.

Specificații tipice

Specificațiile variază foarte mult în funcție de producător și de utilizare, dar tabelul de mai jos prezintă cifre reprezentative pentru diametrele comune ale micromotoarelor pentru a ilustra gama.

La capătul mic, unele micromotoare cu perii fără miez ating eficiențe de pana la 90% , deși acest vârf este atins doar la viteză mare și scade la viteză mică sau la sarcină mare. Multe micromotoare sunt, de asemenea, asociate cu o cutie de viteze pentru a schimba turația brută pentru un cuplu utilizabil mai mare, care este obișnuit în aplicații precum balanțe de precizie, actuatoare de supape și articulații robotizate mici.

Controlul vitezei și direcției

Unul dintre avantajele definitorii ale motoarelor de curent continuu cu perii este cât de simplu sunt de controlat în comparație cu alternativele fără perii.

• Viteza este aproximativ proporțională cu tensiunea aplicată - creșteți tensiunea și motorul se rotește mai repede, o reduceți și motorul încetinește, fără a fi necesare electronice suplimentare pentru o aplicație de pornire/oprire de bază.
• Direcția este inversată pur și simplu prin schimbarea polarității celor două cabluri de alimentare, deoarece aceasta inversează direcția curentului între care comută comutatorul.
• Pentru aplicațiile cu viteză variabilă, modularea lățimii impulsului (PWM) este metoda standard de control - în loc să varieze continuu tensiunea, alimentarea este pornită și oprită rapid, iar raportul dintre timpul de pornire și timpul de oprire stabilește tensiunea medie efectivă pe care o vede motorul.
• Frecvența PWM contează în special pentru micromotoare: conducerea la frecvențe sub aproximativ 20 kHz poate induce vibrații ultrasonice audibile în rotor, așa că producătorii recomandă în mod obișnuit frecvențe în intervalul 40-120 kHz pentru a menține ondulația curentă scăzută și pentru a proteja durata de viață a periei.

Acest comportament proporțional cu tensiunea este, de asemenea, motivul pentru care motoarele cu perii sunt o potrivire naturală pentru dispozitivele alimentate cu baterie - un regulator liniar simplu sau un driver PWM de bază este suficient pentru a obține un control utilizabil al vitezei, fără electronica de comutare dedicată de care un motor fără perii necesită doar pentru a se învârti.

Durata de viață și ceea ce se uzează de fapt

Interfața perie-comutator este atât caracteristica care face motoarele cu perii ușor de condus, cât și componenta care limitează în cele din urmă durata de viață a acestora. Două mecanisme de uzură funcționează simultan: frecarea mecanică de la alunecarea periei pe comutator și electroeroziunea de la micile scântei generate de fiecare dată când peria trece între segmente.

Prin comparație, motoarele de curent continuu fără perii pot atinge zeci de mii de ore de funcționare deoarece nu există un contact perie-comutator de uzat - factorul lor limitator se schimbă în schimb la uzura rulmentului. Acest decalaj al duratei de viață este cel mai mare compromis de cântărit atunci când alegeți între perii și fără perii: motoarele cu perii costă mai puțin inițial și sunt mai ușor de condus, dar au nevoie de înlocuire periodică a periilor în aplicații cu funcționare continuă, în timp ce motoarele fără perii costă mai mult inițial, dar evită în mare măsură acest ciclu de întreținere.

Unde sunt folosite efectiv motoare periate și micro perie

În ciuda concurenței din partea modelelor fără perii, motoarele cu perii de curent continuu rămân obișnuite, deoarece costul lor scăzut, controlul simplu și cuplul mare de pornire sunt exact ceea ce au nevoie multe aplicații - mai ales acolo unde ciclurile de funcționare continue sau durata de viață ultra-lungă nu sunt prioritatea.

• Uneltele electrice și aparatele electrocasnice mici, unde cuplul de pornire ridicat și costul unitar scăzut contează mai mult decât durata de viață maximă.
• Jucării, vehicule RC și drone pentru hobby, unde micromotoarele fără miez în intervalul 8-20 mm oferă turații mari într-un pachet ușor.
• Sisteme auxiliare pentru automobile, cum ar fi geamurile, dispozitivele de reglare a scaunelor și pompele mici.
• Instrumentele medicale și de laborator — pipetele, platformele de manipulare a probelor și balanțele de precizie folosesc frecvent motoare cu perii mici, fără miez, asociate cu o cutie de viteze și un codificator pentru o mișcare controlată și repetabilă.
• Robotică și automatizare din fabrică pentru îmbinări sau dispozitive de acționare cu costuri mai mici în care înlocuirea periodică a periilor este un element de întreținere acceptabil.

Alegerea unui motor DC cu micro perie: factori cheie

Selectarea motorului de curent continuu cu micro-perie potrivit pentru un proiect se rezumă la potrivirea unui număr de specificații la constrângerile reale ale aplicației dvs., mai degrabă decât la alegerea celei mai mici sau mai ieftine opțiuni disponibile.

1. Potriviți tensiunea de alimentare cu sursa dvs. de alimentare — valorile nominale comune ale micromotoarelor sunt cuprinse între aproximativ 1,5 V și 24 V, deci confirmați că tensiunea nominală a motorului este aliniată cu bateria sau alimentarea dvs.
2. Verificați spațiul disponibil față de diametrul și lungimea motorului, deoarece micromotoarele sunt disponibile în mod obișnuit de la aproximativ 4 mm până la 24 mm și mai mult.
3. Decideți dacă viteza brută sau cuplul contează mai mult - un motor fără miez fără cutie de viteze favorizează turația mare și accelerația rapidă, în timp ce adăugarea unei cutii de viteze schimbă viteza maximă pentru un cuplu utilizabil semnificativ mai mare.
4. Estimați ciclul de funcționare și durata de viață necesară — un dispozitiv de consum cu utilizare intermitentă poate folosi confortabil un motor cu perie cu costuri mai mici, în timp ce o aplicare continuă poate justifica costul inițial mai mare al unui motor fără perii.
5. Luați în considerare sensibilitatea la zgomotul electric — dacă motorul va împărtăși un circuit cu electronice sensibile, bugetați pentru suprimarea EMI de bază, deoarece comutarea periei generează în mod inerent zgomot electric pe care modelele fără perii îl evită.