Traditionelle børstede DC-motorer (almindeligt brugt i elektrisk legetøj og ventilatorer) bygger på den mekaniske glidekontakt mellem stationære børster og en roterende kommutator. Dette skifter automatisk strømretningen i rotorviklingerne, når de roterer, hvilket genererer et kontinuerligt elektromagnetisk moment.
Statoren er stationær. I en simpel DC-motor består den af permanentmagneter på begge sider af huset (N-pol/rød til venstre, S-pol/blå til højre), hvilket skaber et vandret magnetfelt, der peger fra venstre mod højre.
Rotoren er den roterende del i midten, viklet med kobbertrådsviklinger. Når de strømføres, fungerer disse viklinger som en elektromagnet. Deres magnetiske poler interagerer med statorens magneter ("ens poler frastøder hinanden, modsat rettede poler tiltrækker hinanden"), hvilket får rotoren to rotere.
To halvrunde kobberkommutatorsegmenter på akslen er forbundet til spolens ender. To stationære kulbørster på hver side er forbundet til DC-strømkilden. Når rotoren roterer, kommer kommutatorsegmenterne skiftevis i kontakt med børsterne, hvilket automatisk vender spolens strømretning, når den passerer det lodrette dødpunkt for at opretholde kontinuerlig rotation!
I denne interaktive model viser venstre side det fysiske tværsnit af den børstede DC-motor, og højre side viser dens forbindelseskredsløb. Når motoren tilsluttes DC-strøm, flyder strømmen gennem de stationære børster ind i rotorviklingene, hvilket skaber et elektromagnetisk moment. Rotoren roterer under magnetisk tiltrækning. Hver gang rotoren roterer 180° og passerer midterlinjen, passerer mellemrummene mellem kommutatorsegmenterne børsterne, hvilket vender polariteten af den strøm, der flyder ind i viklingerne. Dette sikrer, at momentets retning forbliver konsistent under hele rotationen.
Indlæser...
| Trin | Rotorvinkel | Børste (+) kontakt | Børste (-) kontakt | Elektromagnetisk moment | Spolestrøm |
|---|
Kommutatoren er et sæt kobberkontaktsegmenter (to segmenter i denne forenklede model) monteret på rotorakslen, der roterer med den. Børsterne er stationære kulblokke, der holdes mod kommutatoren af fjedre. Når rotoren roterer, kommer børsterne i kontakt med forskellige segmenter efter tur. Da den ene børste er positiv og den anden er negativ, vendes strømretningen gennem viklingerne mekanisk, hver gang rotoren passerer det lodrette midtpunkt. Dette sikrer, at rotorens magnetiske poler altid frastøder og tiltrækker statormagneterne på en måde, der genererer kontinuerligt moment med uret.
Dette is den største fordel ved børstede DC-motorer! Kommuteringen håndteres helt mekanisk af børste-kommutator-grænsefladen, der fungerer som en fysisk afbryder. Ved blot at tilslutte DC-spænding til terminalerne kører motoren kontinuerligt. Det kræver ingen mikrocontrollere (MCU), driverchips (MOSFET) eller rotorbemærkelsesalgoritmer til positionsregistrering, hvilket gør systemet ekstremt billigt og enkelt.
Der er tre primære ulemper:
• Børsteslid og kort levetid: Den konstante glidefriktion mellem børsterne og kommutatoren slider kulbørsterne ned over tid, hvilket kræver regelmæssi vedligeholdelse eller udskiftning.
• Gnistdannelse og elektromagnetisk interferens (EMI): Når børsterne skifter kontakter, opstår der elektrisk gnistdannelse på grund af spolens induktans. Dette skaber små gnister (uegnet til eksplosionsfarlige omgivelser) og genererer betydelig elektrisk støj, der forstyrrer nærliggende elektronik.
• Dårlig varmeafledning og effektivitet: De varmegenererende viklinger sidder på den roterende rotor, hvilket gør det vanskeligt at overføre varme direkte til det ytre hus, hvilket begrænser motorens effekttæthed.
Det grundlæggende princip er identisk. Men for at forhindre, at motoren sidder fast i det lodrette dødpunkt på 90° (hvor den ikke kan starte fra stilstand), bruger praktiske legetøjsmotorer typisk en 3-polet rotor (tre kernetænder og tre kommutatorsegmenter). Dette design sikrer, at mindst to faser altid er strømførende ved en hvilken som helst vinkel, hvilket gør det muligt for motoren at selvstarte pålideligt fra enhver statisk position og køre med et mere jævnt og ensartet moment.