Tradiční kartáčové stejnosměrné motory (běžně používané v elektrických hračkách a ventilátorech) spoléhají na mechanický kluzný kontakt mezi stacionárními kartáči a rotujícím komutátorem. Tím se při otáčení automaticky přepíná směr proudu v uzemněních rotoru, což generuje nepřetržitý elektromagnetický točivý moment.
Stator je stacionární. U jednoduchého stejnosměrného motoru se skládá z permanentních magnetů na obou stranách pláště (N-pól/červený vlevo, S-pól/modrý vpravo), které vytvářejí horizontální magnetické pole směřující zleva doprava.
Rotor je rotující sestava uprostřed, ovinutá měděnými vodiči vinutí. Po zapnutí proudu tato vinutí fungují jako elektromagnet. Jejich magnetické póly interagují s magnety statoru („souhlasné póly se odpuzují, nesouhlasné se přitahují“), což pohání rotor k otáčení.
Dva půlkruhové měděné segmenty komutátoru na hřídeli jsou připojeny ke koncům cívky. Dva stacionární uhlíkové kartáče na obou stranách se připojují ke zdroji stejnosměrného proudu. Jak se rotor otáčí, segmenty komutátoru se střídavě dotýkají kartáčů, což automaticky obrací směr proudu cívky při průchodu vertikální mrtvou polohou pro udržení nepřetržitého otáčení!
V tomto interaktivním modelu zobrazuje levá strana fyzický průřez kartáčového stejnosměrného motoru a pravá strana ukazuje jeho připojovací obvod. Když je motor připojen ke stejnosměrnému napájení, proud protéká stacionárními kartáči do vinutí rotoru, což vytváří elektromagnetický točivý moment. Rotor se otáčí pod vlivem magnetické přitažlivosti. Pokaždé, když se rotor otočí o 180° a projde středovou linií, mezery mezi segmenty komutátoru projdou přes kartáče, což obrátí polaritu proudu tekoucího do vinutí. To zajišťuje, že směr točivého momentu zůstává během otáčení konzistentní.
Načítání...
| Krok | Úhel rotoru | Kontakt kartáče (+) | Kontakt kartáče (-) | Elektromagnetický točivý moment | Proud cívky |
|---|
Komutátor je sada měděných kontaktních segmentů (dva segmenty v tomto zjednodušeném modelu) namontovaných na hřídeli rotoru, které se otáčejí s ním. Kartáče jsou stacionární uhlíkové bloky přitlačované ke komutátoru pružinami. Jak se rotor otáčí, kartáče se střídavě dotýkají různých segmentů. Vzhledem k tomu, že jeden kartáč je kladný a druhý záporný, směr proudu vinutím se mechanicky obrací pokaždé, když rotor projde vertikálním středem. To zajišťuje, že magnetické póly rotoru vždy odpuzují a přitahují magnety statoru způsobem, který generuje nepřetržitý točivý moment ve směru hodinových ručiček.
To je největší výhoda kartáčových stejnosměrných motorů! Komutace je řízena zcela mechanicky rozhraním kartáč-komutátor fungujícím jako fyzický spínač. Pouhé přiložení stejnosměrného napětí na svorky způsobí, že motor běží nepřetržitě. Nevyžaduje žádné mikrokontroléry (MCU), budicí čipy (MOSFET) ani algoritmy pro snímání polohy rotoru, díky čemuž je systém extrémně levný a jednoduchý.
Existují tři hlavní nevýhody:
• Opotřebení kartáčů a krátká životnost: Neustálé kluzné tření mezi kartáči a komutátorem časem opotřebovává uhlíkové kartáče, což vyžaduje pravidelnou údržbu nebo výměnu.
• Jiskření a elektromagnetické rušení (EMI): Při přepínání kontaktů kartáči dochází v důsledku indukčnosti cívky k elektrickému jiskření. To vytváří drobné jiskry (nevhodné pro výbušná prostředí) a generuje značný elektrický šum, který ruší okolní elektroniku.
• Špatný odvod tepla a účinnost: Vinutí generující teplo jsou na rotujícím rotoru, což ztěžuje přenos tepla přímo do vnějšího pláště, což omezuje hustotu výkonu motoru.
Základní princip je totožný. Nicméně, aby se zabránilo uvíznutí motoru v 90° vertikální mrtvé poloze (kde nemůže nastartovat z klidu), praktické hračkové motory obvykle používají 3-pólový rotor (tři zuby jádra a tři segmenty komutátoru). Tato konstrukce zajišťuje, že v jakémkoli úhlu jsou vždy napájeny alespoň dvě fáze, což umožňuje motoru spolehlivě se sám rozběhnout z jakékoli statické polohy a běžet s hladším a rovnoměrnějším točivým momentem.