A hagyományos kefés egyenáramú (DC) motorok (amelyeket általában elektromos játékokban és ventilátorokban használnak) az álló kefék és a forgó kommutátor közötti mechanikus csúszó érintkezésen alapulnak. Ez forgás közben automatikusan megváltoztatja a forgórész tekercseinek áramirányát, folyamatos elektromágneses nyomatékot generálva.
Az állórész mozdulatlan. Egy egyszerű egyenáramú motorban ez a ház két oldalán található állandó mágnesekből áll (bal oldalon N-pólus/piros, jobb oldalon S-pólus/kék), amelyek balról jobbra mutató vízszintes mágneses mezőt hoznak létre.
A forgórész a középen forgó egység, rézhuzal tekercsekkel körülvéve. Feszültség alá helyezve ezek a tekercsek elektromágnesként működnek. Mágneses pólusaik kölcsönhatásba lépnek az állórész mágneseivel ("azonos pólusok taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást"), forgásra kényszerítve a forgórészt.
A tengelyen lévő két félkör alakú réz kommutátorszelet a tekercsvégekhez csatlakozik. Két álló szénkefe mindkét oldalon a DC tápforráshoz kapcsolódik. Ahogy a forgórész forog, a kommutátorszeletek felváltva érintkeznek a kefékkel, automatikusan megfordítva a tekercs áramirányát, amikor az áthalad a függőleges holtponton a folyamatos forgás fenntartása érdekében!
Ebben az interaktív modellben a bal oldal a kefés egyenáramú motor fizikai keresztmetszetét mutatja, a jobb oldal pedig a csatlakozó áramkört ábrázolja. Amikor a motor egyenáramú tápellátáshoz van csatlakoztatva, áram folyik az álló keféken keresztül a forgórész tekercseibe, elektromágneses nyomatékot hozva létre. A forgórész a mágneses vonzás hatására forog. Minden alkalommal, amikor a forgórész 180°-ot fordul és áthalad a középvonalon, a kommutátorszeletek közötti rések elhaladnak a kefék előtt, megfordítva a tekercsekbe folyó áram polaritását. Ez biztosítja, hogy a nyomaték iránya következetes maradjon a forgás során.
Betöltés...
| Lépés | Forgórész szöge | Kefe (+) érintkező | Kefe (-) érintkező | Elektromágneses nyomaték | Tekercs áram |
|---|
A kommutátor a forgórész tengelyére szerelt réz érintkezőszeletek összessége (ebben az egyszerűsített modellben két szelet), amely vele együtt forog. A kefék álló szénblokkok, amelyeket rugók szorítanak a kommutátorhoz. Ahogy a forgórész forog, a kefék sorban különböző szeletekkel érintkeznek. Mivel az egyik kefe pozitív, a másik pedig negatív, a tekercseken átfolyó áram iránya mechanikusan megfordul minden alkalommal, amikor a forgórész áthalad a függőleges felezőponton. Ez biztosítja, hogy a forgórész mágneses pólusai mindig úgy taszítsák és vonzzák az állórész mágneseit, hogy folyamatos óramutató járásával megegyező irányú nyomaték keletkezzen.
Ez a kefés egyenáramú motorok legnagyobb előnye! A kommutációt teljesen mechanikusan kezeli a kefe-kommutátor interfész, amely fizikai kapcsolóként működik. Egyszerűen az egyenfeszültség terminálokra történő rákapcsolásával a motor folyamatosan működik. Nem igényel mikrokontrollert (MCU), meghajtó chipet (MOSFET) vagy forgórész-helyzetérzékelő algoritmusokat, így a rendszer rendívül olcsó és egyszerű.
Három fő hátrányuk van:
• Kefék kopása és rövid élettartam: A kefék és a kommutátor közötti állandó csúszósúrlódás idővel elkoptatja a szénkeféket, ami rendszeres karbantartást vagy cserét igényel.
• Ívképződés és elektromágneses interferencia (EMI): Amikor a kefék érintkezőt váltanak, a tekercs induktivitása miatt elektromos ívképződés lép fel. Ez apró szikrákat hoz létre (ami robbanásveszélyes környezetben nem megengedett), és jelentős elektromos zajt generál, amely zavarja a közeli elektronikát.
• Gyenge hőelvezetés és hatásfok: A hőt termelő tekercsek a forgó részen vannak, ami megnehezíti a hő közvetlen átadását a külső ház felé, korlátozva a motor teljesítménysűrűségét.
Az alapelv teljesen megegyezik. Ahhoz azonban, hogy a motor ne akadjon el a 90°-os függőleges holtponton (ahonnan álló helyzetből nem tudna elindulni), a gyakorlati játékmotorok általában 3 pólusú forgórészt használnak (három vasmagfog és három kommutátorszelet). Ez a kialakítás biztosítja, hogy bármely szögben legalább két fázis mindig áram alatt legyen, lehetővé téve a motor megbízható önindítását bármilyen statikus helyzetből, valamint simább, egyenletesebb nyomatékkal való működését.