Perinteiset harjalliset tasavirtamoottorit (joita käytetään yleisesti sähköleluissa ja tuulettimissa) perustuvat kiinteiden harjojen ja pyörivän kommutaattorin väliseen mekaaniseen liukukosketukseen. Tämä vaihtaa automaattisesti roottorin käämitysten virran suunnan niiden pyöriessä, mikä synnyttää jatkuvan sähkömagneettisen vääntömomentin.
Staattori on paikallaan pysyvä osa. Yksinkertaisessa tasavirtamoottorissa se koostuu kotelon molemmilla puolilla olevista kestomagneeteista (N-napa/punainen vasemmalla, S-napa/sininen oikealla), jotka luovat vaakasuoran magneettikentän vasemmalta oikealle.
Roottori on keskellä pyörivä kokoonpano, joka on kierretty kuparilankakäämeillä. Kun käämeihin syötetään virta, ne toimivat sähkömagneettina. Niiden magneettiset navat vuorovaikuttavat staattorin magneettien kanssa ("samanmerkkiset navat hylkivät toisiaan, erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa"), mikä saa roottorin pyörimään.
Akselilla olevat kaksi puolipyöreää kuparista kommutaattorilamellia yhdistyvät käämien päihin. Kaksi kiinteää hiiliharjaa kummallakin puolella yhdistyvät tasavirtalähteeseen. Kun roottori pyörii, kommutaattorilamellit koskettavat vuorotellen harjoja, mikä kääntää automaattisesti käämin virran suunnan sen ohittaessa pystysuoran kuolokohdan jatkuvan pyörimisen ylläpitämiseksi!
Tässä interaktiveessa mallissa vasen puoli näyttää harjallisen tasavirtamoottorin fyysisen poikkileikkauksen ja oikea puoli näyttää sen kytkentäpiirin. Kun moottori kytketään tasavirtaan, virta virtaa kiinteiden harjojen kautta roottorin käämityksiin luoden sähkömagneettisen vääntömomentin. Roottori pyörii magneettisen vetovoiman alaisena. Aina kun roottori pyörii 180° ja ohittaa keskilinjan, kommutaattorilamellien väliset raot ohittavat harjat kääntäen käämeihin virtaavan virran napaisuuden. Tämä varmistaa, että vääntömomentin suunta pysyy yhtenäisenä koko pyörimisen ajan.
Ladataan...
| Vaihe | Roottorin kulma | Harjan (+) kosketus | Harjan (-) kosketus | Sähkömagneettinen vääntömomentti | Käämin virta |
|---|
Kommutaattori on roottorin akselille asennettu kuparisten kosketinlamellien sarja (kaksi lamellia tässä yksinkertaistetussa mallissa), joka pyörii sen mukana. Harjat ovat kiinteitä hiililohkoja, joita painetaan kommutaattoria vasten jousilla. Kun roottori pyörii, harjat koskettavat vuorotellen eri lamelleja. Koska toinen harja on positiivinen ja toinen negatiivinen, käämien läpi kulkevan virran suunta muuttuu mekaanisesti aina, kun roottori ohittaa pystysuoran keskikohdan. Tämä varmistaa, että roottorin magneettiset navat hylkivät ja vetävät puoleensa staattorin magneetteja tavalla, joka tuottaa jatkuvan myötäpäivään suuntautuvan vääntömomentin.
Tämä on harjallisten tasavirtamoottoreiden suurin etu! Kommutaatio hoidetaan täysin mekaanisesti harja-kommutaattori-rajapinnan kautta, joka toimii fyysisenä kytkimenä. Pelkkä tasajännitteen syöttäminen liittimiin saa moottorin pyörimään jatkuvasti. Se ei vaadi mikrokontrollereita (MCU), ohjainpiirejä (MOSFET) tai roottorin asennon tunnistusalgoritmeja, mikä tekee järjestelmästä erittäin halvan ja yksinkertaisen.
Haittoja on kolme pääasiallista:
• Harjojen kuluminen ja lyhyt käyttöikä: Jatkuva liukukitka harjojen ja kommutaattorin välillä kuluttaa hiiliharjoja ajan myötä, mikä vaatii säännöllistä huoltoa tai vaihtoa.
• Kipinöinti ja sähkömagneettiset häiriöt (EMI): Kun harjat vaihtavat kosketusta, syntyy sähköistä kipinöintiä käämin induktanssin vuoksi. Tämä luo pieniä kipinöitä (jotka eivät sovellu räjähdysalttiisiin ympäristöihin) ja aiheuttaa merkittävää sähköistä kohinaa, joka häiritsee lähellä olevaa elektroniikkaa.
• Huono lämmönjohtavuus ja hyötysuhde: Lämpöä tuottavat käämit ovat pyörivässä roottorissa, mikä vaikeuttaa lämmön siirtämistä suoraan ulkokoteloon, mikä rajoittaa moottorin tehotiheyttä.
Perusperiaate on täysin identtinen. Kuitenkin, jotta estettäisiin moottorin juuttuminen 90° pystysuoraan kuolokohtaan (josta se ei pysty käynnistymään pysähdyksistä), käytännön lelumoottoreissa käytetään yleensä 3-napaista roottoria (kolme sydänhammasta ja kolme kommutaattorilamellia). Tämä rakenne varmistaa, että vähintään kaksi vaihetta on aina jännitteellisenä missä tahansa kulmassa, mikä mahdollistaa moottorin luotettavan itsekäynnistyksen mistä tahansa staattisesta asennosta ja tasaisemman, yhtenäisemmän vääntömomentin.