Tradycyjne szczotkowe silniki prądu stałego (powszechnie stosowane w elektrycznych zabawkach i wentylatorach) opierają się na mechanicznym styku ślizgowym między nieruchomymi szczotkami a obracającym się komutatorem. Umożliwia to automatyczną zmianę kierunku prądu w uzwojeniach wirnika podczas ich obrotu, co generuje ciągły moment elektromagnetyczny.
Stojan jest nieruchomy. W prostym silniku prądu stałego składa się z magnesów trwałych po obu stronach obudowy (biegun N/czerwony po lewej stronie, biegun S/niebieski po prawej stronie), generując poziome pole magnetyczne skierowane z lewej do prawej strony.
Wirnik to obracający się zespół w środku, owinięty uzwojeniami z drutu miedzianego. Po zasileniu uzwojenia te działają jak elektromagnes. Ich bieguny magnetyczne oddziałują z magnesami stojana („bieguny jednoimienne się odpychają, różnoimienne przyciągają”), zmuszając wirnik do obracania się.
Dwa półkoliste miedziane segmenty komutatora na wale są połączone z końcami cewek. Dwie nieruchome szczotki węglowe po obu stronach łączą się z ze źródłem zasilania prądem stałym. Podczas obrotu wirnika, segmenty komutatora naprzemiennie stykają się ze szczotkami, automatycznie odwracając kierunek prądu w cewce po przejściu przez pionowy martwy punkt, aby utrzymać ciągły obrót!
W tym interaktywnym modelu lewa strona przedstawia fizyczny przekrój szczotkowego silnika prądu stałego, a prawa strona pokazuje jego obwód połączeniowy. Po podłączeniu silnika do zasilania prądem stałym prąd przepływa przez nieruchome szczotki do uzwojeń wirnika, tworząc moment elektromagnetyczny. Wirnik obraca się pod wpływem przyciągania magnetycznego. Za każdym razem, gdy wirnik obraca się o 180° i mija linię środkową, szczeliny między segmentami komutatora mijają szczotki, odwracając biegunowość prądu wpływającego do uzwojeń. Zapewnia to, że kierunek momentu obrotowego pozostaje spójny podczas całego obrotu.
Ładowanie...
| Krok | Kąt wirnika | Styk szczotki (+) | Styk szczotki (-) | Moment elektromagnetyczny | Prąd cewki |
|---|
Komutator to zestaw miedzianych segmentów stykowych (dwa segmenty w tym uproszczonym modelu) zamontowanych na wale wirnika i obracających się wraz z nim. Szczotki to nieruchome bloki węglowe dociskane do komutatora za pomocą sprężyn. Gdy wirnik się obraca, szczotki stykają się kolejno z różnymi segmentami. Ponieważ jedna szczotka jest dodatnia, a druga ujemna, kierunek prądu płynącego przez uzwojenia odwraca się mechanicznie za każdym razem, gdy wirnik mija pionowy punkt środkowy. Gwarantuje to, że bieguny magnetyczne wirnika zawsze odpychają i przyciągają magnesy stojana w sposób generujący ciągły moment obrotowy zgodny z ruchem wskazówek zegara.
To największa zaleta szczotkowych silników prądu stałego! Komutacja jest obsługiwana w pełni mechanicznie przez interfejs szczotka-komutator działający jako fizyczny przełącznik. Samo przyłożenie napięcia stałego do zacisków sprawia, że silnik działa w sposób ciągły. Nie wymaga on mikrokontrolerów (MCU), układów sterujących (MOSFET) ani algorytmów wykrywania pozycji wirnika, dzięki czemu układ jest niezwykle tani i prosty.
Istnieją trzy główne wady:
• Zużycie szczotek i krótka żywotność: Stałe tarcie ślizgowe między szczotkami a komutatorem powoduje z czasem zużycie szczotek węglowych, co wymaga regularnej konserwacji lub wymiany.
• Iskrzenie i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI): Podczas przełączania styków przez szczotki występuje iskrzenie spowodowane indukcyjnością cewki. Tworzy to małe iskry (nieodpowiednie w środowiskach zagrożonych wybuchem) i generuje znaczny szum elektryczny, który zakłóca działanie pobliskiej elektroniki.
• Słabe odprowadzanie ciepła i sprawność: Uzwojenia generujące ciepło znajdują się na obracającym się wirniku, co utrudnia bezpośrednie przenoszenie ciepła do obudowy zewnętrznej, ograniczając gęstość mocy silnika.
Podstawowa zasada jest identyczna. Jednakże, aby zapobiec zablokowaniu silnika w pionowym martwym punkcie 90° (gdzie nie mógłby wystartować z miejsca), praktyczne silniki-zabawki zazwyczaj wykorzystują wirnik 3-biegunowy (trzy zęby rdzenia i trzy segmenty komutatora). Taka konstrukcja zapewnia, że co najmniej dwie fazy są zawsze zasilane pod dowolnym kątem, umożliwiając niezawodny rozruch silnika z dowolnej pozycji statycznej i stabilniejszy, bardziej równomierny moment obrotowy.