Tradisjonelle børstede DC-motorer (ofte brukt i elektriske leker og vifter) er avhengige av den mekaniske glidekontakten mellom stasjonære børster og en roterende kommutator. Dette endrer automatisk strømretningen i rotorviklingene når de snurrer, noe som genererer et kontinuerlig elektromagnetisk dreiemoment.
Statoren er stasjonær. I en enkel DC-motor består den av permanentmagneter på begge sider av dekselet (N-pol/rød til venstre, S-pol/blå til høyre), som produserer et horisontalt magnetfelt som peker fra venstre til høyre.
Rotoren er den spinnende enheten i sentrum, viklet med kobbertråd. Når de spenningssettes, fungerer disse viklingene som en elektromagnet. Deres magnetiske poler samhandler med statormagnetene ("like poler frastøter hverandre, ulike poler tiltrekker hverandre"), noe som driver rotoren til å spinne.
To halvrunde kommutatorsegmenter i kobber på akselen er koblet to spolens ender. To stasjonære kullbørster på hver side er koblet til DC-strømkilden. Når rotoren snurrer, kommutatorsegmentene vekselvis i kontakt med børstene, noe som automatisk snur spolens strømretning når den passerer det vertikale dødpunktet for å opprettholde kontinuerlig rotasjon!
I denne interaktive modellen viser venstre side det fysiske tverrsnittet av den børstede likestrømsmotoren, og høyre side viser tilkoblingskretsen. Når motoren kobles til DC-strøm, flyter strømmen gjennom de stasjonære børstene og inn i rotorviklingene, noe som skaper et elektromagnetisk dreiemoment. Rotoren roterer under magnetisk tiltrekning. Hver gang rotoren roterer 180° og passerer senterlinjen, passerer åpningene mellom kommutatorsegmentene børstene, noe som snur polariteten på strømmen som flyter inn i viklingene. Dette sikrer at dreiemomentets retning forblir konsekvent under hele rotasjonen.
Laster...
| Trinn | Rotorvinkel | Børste (+) kontakt | Børste (-) kontakt | Elektromagnetisk dreiemoment | Spolestrøm |
|---|
Kommutatoren er et sett med kontaktsegmenter i kobber (to segmenter i denne forenklede modellen) som er montert på rotorakselen og roterer med den. Børstene er stasjonære kullblokker som holdes mot kommutatoren med fjærer. Når rotoren snurrer, kommer børstene i kontakt med forskjellige segmenter etter tur. Siden den ene børsten er positiv og den andre er negativ, snus strømretningen gjennom viklingene mekanisk hver gang rotoren passerer det vertikale midtpunktet. Dette sikrer at rotorens magnetiske poler alltid frastøter og tiltrekker statormagnetene på en måte som genererer kontinuerlig dreiemoment med klokken.
Dette er den største fordelen med børstede DC-motorer! Kommuteringen håndteres helt mekanisk av børste-kommutator-grensesnittet som fungerer som en fysisk bryter. Ved ganske enkelt å tilføre likspenning til terminalene kjører motorn kontinuerlig. Den krever ingen mikrokontrollere (MCU), driverbrikker (MOSFET) eller algoritmer for deteksjon av rotorposisjon, noe som gjør systemet ekstremt billig og enkelt.
Det er tre hovedulemper:
• Børsteslitasje og kort levetid: Den konstante glidefriksjonen mellom børstene og kommutatoren sliter kullbørstene ned over tid, noe som krever regelmessig vedlikehold eller utskifting.
• Lysbuedannelse og elektromagnetisk interferens (EMI): Når børstene bytter kontakter, oppstår det elektrisk lysbuedannelse på grunn av spolens induktans. Dette skaper små gnistar (uegnet for eksplosive omgivelser) og genererer betydelig elektrisk støy som forstyrrer nærliggende elektronikk.
• Dårlig varmespredning og effektivitet: De varmegenererende viklingene er på den spinnende rotoren, noe som gjør det vanskelig å overføre varme direkte til det ytre huset, noe som begrenser motorens effekttetthet.
Det grunnleggende prinsippet er identisk. Men for å forhindre at motoren setter seg fast i det 90° vertikale dødpunktet (der den ikke kan starta fra stillestående), bruker praktiske leketøysmotorer vanligvis en 3-polet rotor (tre kjerne-tenner og tre kommutatorsegmenter). Dette designet sikrer at minst to faser alltid er spenningssatt ved en hvilken som helst vinkel, slik at motoren pålitelig kan selvstarte fra enhver statisk posisjon og gå med et jevnere og mer ensartet dreiemoment.