Tradičné jednosmerné (DC) motory s kefami (bežne používané v elektrických hračkách a ventilátoroch) sa spoliehajú na mechanický posuvný kontakt medzi stacionárnymi kefami a rotujúcim komutátorom. Tým sa pri otáčaní rotora automaticky prepína smer prúdu v jeho vinutiach, čím vzniká nepretržitý elektromagnetický krútiaci moment.
Stator je stacionárny. V jednoduchom jednosmernom motore pozostáva z permanentných magnetov na oboch stranách krytu (N-pól/červený vľavo, S-pól/modrý vpravo), ktoré vytvárajú horizontálne magnetické pole smerujúce zľava doprava.
Rotor je rotujúca zostava v strede, ovinutá medenými vinutiami. Po privedení napätia tieto vinutia fungujú ako elektromagnet. Ich magnetické póly interagujú s magnetmi statora („súhlasné póly sa odpudzujú, nesúhlasné sa priťahujú“), čím poháňajú rotor do rotácie.
Dva polkruhové medené segmenty kommutátora na hriadeli sú pripojené ku koncom cievok. Dve stacionárne uhlíkové kefy na oboch stranách sú pripojené k zdroju jednosmerného prúdu. Ako sa rotor otáča, segmenty komutátora sa striedavo dotýkajú kief, čím sa automaticky mení smer prúdu v cievke pri prechode cez vertikálny stred, aby sa udržalo nepretržité otáčanie!
V tomto interaktívnom modeli zobrazuje ľavá strana fyzický priečny rez jednosmerným motorom s kefami a pravá strana znázorňuje jeho pripojovací obvod. Keď je motor pripojený k jednosmernému prúdu, prúd tečie cez stacionárne kefy do vinutí rotora, čím sa vytvára elektromagnetický krútiaci moment. Rotor sa otáča pod vplyvom magnetického príťažlivosti. Vždy, keď sa rotor otočí o 180° a prejde stredovou líniou, medzery medzi segmentmi komutátora prejdú cez kefy, čím sa zmení polarita prúdu tečúceho do vinutí. To zaisťuje, že smer krútiaceho momentu zostáva konzistentný počas celej rotácie.
Načítava sa...
| Krok | Uhol rotora | Kontakt kefy (+) | Kontakt kefy (-) | Elektromagnetický krútiaci moment | Prúd cievky |
|---|
Komutátor je sada medených kontaktných segmentov (dva segmenty v tomto zjednodušenom modeli) namontovaných na hriadeli rotora, ktoré rotujú s ním. Kefy sú stacionárne uhlíkové bloky tlačené pružinami ku komutátoru. Keď sa rotor otáča, kefy sa postupne dotýkajú rôznych segmentov. Keďže jedna kefa je kladná a druhá záporná, smer prúdu vinutiami sa mechanicky mení zakaždým, keď rotor prechádza vertikálnym stredom. To zabezpečuje, že magnetické póly rotora sa neustále odpudzujú a priťahujú k magnetom statora takým spôsobom, ktorý generuje neustály krútiaci moment v smere hodinových ručičiek.
To je najväčšia výhoda jednosmerných motorov s kefami! Komutácia je riadená úplne mechanicky rozhraním kefa-komutátor, ktoré funguje ako fyzický spínač. Jednoduchým pripojením jednosmerného napätia na svorky motor pobeží nepretržite. Nevyžaduje mikrokontroléry (MCU), budiace čipy (MOSFET) ani algoritmy snímania polohy rotora, vďaka čomu je systém mimoriadne lacný a jednoduchý.
Existujú tri hlavné nevýhody:
• Opotrebenie kief a krátka životnosť: Neustále klzné trenie medzi kefami a komutátorom časom opotrebováva uhlíkové kefy, čo si vyžaduje pravidelnú údržbu alebo výmenu.
• Iskrenie a elektromagnetické rušenie (EMI): Pri prepínaní kontaktov kief dochádza k elektrickému iskreniu v dôsledku indukčnosti cievky. To vytvára drobné iskry (nevhodné pre výbušné prostredia) a generuje značný elektrický šum, ktorý ruší okolitú elektroniku.
• Zlý odvod tepla a nízka účinnosť: Vinutia produkujúce teplo sú na rotujúcom rotore, čo sťažuje prenos tepla priamo na vonkajší plášť, čím sa obmedzuje hustota výkonu motora.
Základný princíp je identický. Avšak, aby sa zabránilo uviaznutiu motora vo vertikálnej mŕtvej polohe 90° (odkiaľ by sa nemohol sám spustiť), praktické hračkárske motory zvyčajne používajú 3-pólový rotor (tri zuby jadra a tri segmenty komutátora). Tento dizajn zaisťuje, že v každom uhle sú vždy pod napätím najmenej dve fázy, čo umožňuje motoru spoľahlivo sa samovoľne spustiť z akejkoľvek statickej polohy a bežať s hladším, rovnomernejším krútiacim momentom.