Traditionele DC-borstelmotoren (veelgebruikt in elektrisch speelgoed en ventilatoren) vertrouwen op het mechanische schuifcontact tussen stationaire koolborstels en een roterende commutator. Dit schakelt automatisch de stroomrichting in de rotorwikkelingen om tijdens het draaien, waardoor een continu elektromagnetisch koppel wordt gegenereerd.
De stator is stationair. In een eenvoudige DC-motor bestaat deze uit permanente magneten aan weerszijden van de behuizing (N-pool/rood links, S-pool/blauw rechts), die een horizontaal magnetisch veld van links naar rechts produceren.
De rotor is het draaiende deel in het midden, omwikkeld met koperdraadwikkelingen. Wanneer er stroom op staat, werken deze wikkelingen als een elektromagneet. Hun magnetische polen reageren op de statormagneten ("gelijke polen stoten elkaar af, tegenovergestelde polen trekken elkaar aan"), waardoor de rotor gaat draaien.
Twee halfronde koperen commutatorsegmenten op de as zijn verbonden met de uiteinden van de spoelen. Twee stationaire koolborstels aan weerszijden zijn aangesloten op de DC-voedingsbron. Terwijl de rotor draait, maken de commutatorsegmenten om de beurt contact met de borstels, waardoor de stroomrichting van de spoel automatisch wordt omgekeerd wanneer deze het verticale dode punt passeert om een continue rotatie te behouden.
In dit interactieve model toont de linkerkant de fysieke dwarsdoorsnede van de DC-borstelmotor en de rechterkant het aansluitschema. Wanneer de motor is aangesloten op DC-voeding, vloeit er stroom via de stationaire borstels naar de rotorwikkelingen, waardoor een elektromagnetisch koppel ontstaat. De rotor draait onder invloed van magnetische aantrekkingskracht. Telkens wanneer de rotor 180° draait en de middellijn passeert, passeren de openingen tussen de commutatorsegmenten de borstels, waardoor de polariteit van de stroom die in de wikkelingen vloeit, omkeert. Dit zorgt ervoor dat de richting van het koppel constant blijft gedurende de rotatie.
Laden...
| Stap | Rotorhoek | Borstel (+) contact | Borstel (-) contact | Elektromagnetisch koppel | Spoelstroom |
|---|
De commutator is een set koperen contactsegmenten (twee segmenten in dit vereenvoudigde model) die op de rotoras zijn gemonteerd en hiermee meedraaien. De borstels zijn stationaire koolstofblokken die door veren tegen de commutator worden gedrukt. Terwijl de rotor draait, maken de borstels om de beurt contact met verschillende segmenten. Omdat de ene borstel positief is en de andere negatief, keert de stroomrichting door de wikkelingen mechanisch om telkens wanneer de rotor het verticale middelpunt passeert. Dit zorgt ervoor dat de magnetische polen van de rotor de statormagneten altijd zo afstoten en aantrekken dat er een continu koppel met de klok mee wordt gegenereerd.
Dit is het grootste voordeel van DC-borstelmotoren! De commutatie wordt volledig mechanisch afgehandeld door de interface tussen borstel en commutator, die als een fysieke schakelaar fungeert. Door simpelweg DC-spanning op de klemmen aan te sluiten, blijft de motor continu draaien. Er zijn geen microcontrollers (MCU's), driverchips (MOSFET's) of sensoren voor de rotorpositie nodig, wat het systeem extreem goedkoop en eenvoudig maakt.
Er zijn drie belangrijke nadelen:
• Slijtage van borstels en korte levensduur: De constante glijdende wrijving tussen de borstels en de commutator slijt de koolborstels na verloop van tijd, wat regelmatig onderhoud of vervanging vereist.
• Vonkvorming en elektromagnetische interferentie (EMI): Bij het wisselen van de borstelcontacten treedt elektrische vonkvorming op als gevolg van de spoelinductance. Dit creëert minuscule vonkjes (ongeschikt voor explosiegevaarlijke omgevingen) en genereert aanzienlijke elektrische ruis die interfereren met nabije elektronica.
• Slechte warmteafvoer en efficiëntie: De warmtegenererende wikkelingen bevinden zich op de draaiende rotor, waardoor het moeilijk is om warmte direct over te dragen naar de buitenste behuizing, wat de vermogensdichtheid van de motor beperkt.
Het fundamentele principe is identiek. Echter, om te voorkomen dat de motor vastloopt op het verticale dode punt van 90° (waar hij niet uit stilstand kan starten), gebruiken praktische speelgoedmotoren doorgaans een 3-polige rotor (drie ijzeren tanden en drie commutatorsegmenten). Dit ontwerp zorgt ervoor dat er onder elke hoek altijd minstens twee fasen onder stroom staan, waardoor de motor betrouwbaar vanuit elke statische positie kan starten en met een soepeler, gelijkmatiger koppel kan draaien.