מנועי DC מסורתיים עם מברשות (הנפוצים בצעצועים חשמליים ומאווררים) מסתמכים על מגע החלקה מכני בין מברשות נייחות לקומוטטור מסתובב. זה משנה באופן אוטומטי את כיוון הזרם בסלילי הרוטור כשהם מסתובבים, ומייצר מומנט אלקטרומגנטי רציף.
הסטטור הוא נייח. במנוע DC פשוט, הוא מורכב ממגנטים קבועים משני צידי המארז (קוטב N/אדום משמאל, קוטב S/כחול מימין), המייצרים שדה מגנטי אופקי המצביע משמאל לימין.
הרוטור הוא המכלול המסתובב במרכז, העטוף בליפופי חוט נחושת. כאשר מוזרם בהם זרם, ליפופים אלו פועלים כאלקטרומגנט. הקטבים המגנטיים שלהם מקיימים אינטראקציה עם מגנטי הסטטור ("קטבים זהים דוחים, קטבים מנוגדים מושכים"), ומניעים את הרוטור להסתובב.
שני מקטעי קומוטטור נחושת חצי עגולים על הציר מתחברים לקצוות הסליל. שתי מברשות פחם נייחות משני הצדדים מתחברות למקור מתח DC. ככל שהרוטור מסתובב, מקטעי הקומוטטור נוגעים לסירוגין במברשות, ומסובבים אוטומטית את כיוון הזרם של הסליל כשהוא עובר את הנקודה המתה האנכית כדי לשמור על סיבוב רציף!
במודל אינטראקטיבי זה, הצด השמאלי מציג את החתך הפיזי של מנוע ה-DC עם המברשות, והצד הימני מציג את מעגל החיבור שלו. כאשר המנוע מחובר למתח DC, זרם זורם דרך המברשות הנייחות לתוך ליפופי הרוטור, ומייצר מומנט אלקטרומגנטי. הרוטור מסתובב תחת משיכה מגנטית. בכל פעם שהרוטור מסתובב ב-180° ועובר את קו המרכז, המרווחים בין מקטעי הקומוטטור חוצים את המברשות, והופכים את הקוטביות של הזרם הזורם לתוך הליפופים. זה מבטיח שכיוון המומנט יישאר עקבי לאורך כל הסיבוב.
טוען...
| שלב | זווית רוטור | מגע מברשת (+) | מגע מברשת (-) | מומנט אלקטרומגנטי | זרם סליל |
|---|
הקומוטטור הוא סט של מקטעי מגע מנחושת (שני מקטעי במודל מפושט זה) המותקנים על ציר הרוטור ומסתובבים איתו. המברשות הן בלוקי פחם נייחים המוחזקים כנגד הקומוטטור על ידי קפיצים. ככל שהרוטור מסתובב, המברשות נוגעות במקטעים שונים בתורן. מכיוון שמברשת אחת היא חיובית והשנייה שלילית, כיוון הזרם דרך הליפופים מתהפך מכנית בכל פעם שהרוטור עובר את נקודת האמצע האנכית. זה מבטיח שהקטבים המגנטיים של הרוטור תמיד ידחו וימשכו את מגנטי הסטטור באופן שמייצר מומנט רציף עם כיוון השעון.
זהו היתרון הגדול ביותר של מנועי DC עם מברשות! הקומוטציה מטופלת לחלוטין באופן מכני על ידי ממשק המברשת-קומוטטור הפועל כמתג פיזי. פשוט הפעלת מתח DC על ההדקים גורמת למנוע לפעול ברציפות. הוא אינו דורש מיקרו-בקרים (MCU), שבבי דחף (MOSFET) או אלגוריתמים לזיהוי מיקום הרוטור, שהופך את המערכת לזולה ופשוטה ביותר.
ישנם שלושה חסרונות עיקריים:
• שחיקת מברשות ואורך חיים קצר: חיכוך ההחלקה המתמיד בין המברשות לקומוטטור שוחק את מברשות הפחם לאורך זמן, מה שמצריך תחזוקה או החלפה קבועה.
• ניצוצות והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI): כאשר המברשות מחליפות מגעים, מתרחשת קשת חשמלית עקב השראות הסליל. זה יוצר ניצוצות קטנים (לא מתאים לסביבות נפיצות) ומייצר רעש חשמלי משמעותי שמפריע לאלקטרוניקה סמוכה.
• פיזור חום ויעילות גרועים: הליפופים מייצרי החום נמצאים על הרוטור המסתובב, מה שמקשה על העברת החום ישירות למארז החיצוני, ומגביל את צפיפות ההספק של המנוע.
העיקרון הבסיסי זהה לחלוטין. עם זאת, כדי למנוע מהמנוע להיתקע בנקודה המתה האנכית של 90 מעלות (שם הוא לא יכול להתחיל לפעול ממצב עמידה), מנועי צעצוע מעשיים משתמשים בדרך כלל ברוטור בעל 3 קטבים (שלוש שיני ליבה ושלושה מקטעי קומוטטור). תכנון זה מבטיח שלפחות שני שלבים מופעלים תמיד בכל זווית נתונה, ומאפשר למנוע להתניע מעצמו באופן אמין מכל מצב סטטי ולפעול עם מומנט חלק ואחיד יותר.