Traditionella borstade likströmsmotorer (används ofta i elektriska leksaker och fläktar) bygger på mekanisk glidkontakt mellan stationära borstar och en roterande kommutator. Detta ändrar automatiskt strömriktningen i rotorlindningarna när de snurrar, vilket genererar ett kontinuerligt elektromagnetiskt vridmoment.
Statorn är stationär. I en enkel likströmsmotor består den av permanentmagneter på båda sidor av höljet (N-pol/röd till vänster, S-pol/blå till höger), vilket skapar ett horisontellt magnetfält från vänster till höger.
Rotorn är den roterande delen i mitten, lindad med koppartråd. När den spänningssätts fungerar dessa lindningar som en elektromagnet. Deras magnetpoler interagerar med statorns magneter ("lika poler repellerar, olika poler attraherar"), vilket får rotorn att rotera.
Två halvrunda kopparsegment (kommutatorsegment) på axeln är anslutna till spoländarna. Två stationära kolborstar på vardera sidan är anslutna till likströmskällan. När rotorn snurrar kommer kommutatorsegmenten växelvis i kontakt med borstarna, vilket automatiskt kastar om spolens strömriktning när den passerar det vertikala dödläget för att upprätthålla kontinuerlig rotation!
I denna interaktiva modell visar den vänstra sidan ett fysiskt tvärsnitt av den borstade likströmsmotorn, och den högra sidan visar dess anslutningskrets. När motorn ansluts till likström flyter ström genom de stationära borstarna in i rotorlindningarna, vilket skapar ett elektromagnetiskt vridmoment. Rotorn roterar under magnetisk attraktion. Varje gång rotorn roterar 180° och passerar mittlinjen, passerar spalterna mellan kommutatorsegmenten borstarna, vilket kastar om polariteten på strömmen som flyter in i lindningarna. Detta säkerställer att vridmomentets riktning verkar konsekvent under hela rotationen.
Laddar...
| Steg | Rotorvinkel | Borste (+) kontakt | Borste (-) kontakt | Elektromagnetiskt vridmoment | Spolström |
|---|
Komutatorn är en uppsättning kontaksegment av koppar (två segment i denna förenklade modell) monterade på rotoraxeln som roterar med den. Borstarna är stationära kolblock som trycks mot kommutatorn med fjädrar. När rotorn snurrar kommer borstarna i kontakt med olika segment i tur och ordning. Eftersom den ena borsten är positiv och den andra är negativ, kastar strömriktningen genom lindningarna om mekaniskt varje gång rotorn passerar det vertikala mittläget. Detta säkerställer att rotorns magnetiska poler alltid repellerar och attraherar statormagneterna på ett sätt som genererar kontinuerligt medurs vridmoment.
Detta är den största fördelen med borstade likströmsmotorer! Kommuteringen sköts helt mekaniskt av gränssnittet mellan borste och kommutator, som fungerar som en fysisk omkopplare. Genom att helt enkelt lägga på likspänning på anslutningarna snurrar motorn kontinuerligt. Det krävs inga mikrokontrollers (MCU), drivkretsar (MOSFET) eller algoritmer för avkänning av rotorläge, vilket gör systemet extremt billigt och enkelt.
Det finns tre huvudsakliga nackdelar:
• Borstslitage och kort livslängd: Den ständiga glidfriktionen mellan borstarna och kommutatorn nöter ner kolborstarna över tid, vilket kräver regelbundet underhåll eller byte.
• Ljusbågar och elektromagnetiska störningar (EMI): När borstarna byter kontakt uppstår ljusbågar på grund av spolens induktans. Detta skapar små gnistor (olämpligt i explosiva miljöer) och genererar betydande elektriskt brus som stör närliggande elektronik.
• Dålig värmeavledning och verkningsgrad: De värmegenererande lindningarna sitter på den roterande rotorn, vilket gör det svårt att överföra värmen direkt till det yttre höljet, vilket begränsar motorns effektdensitet.
Den grundläggande principen är identisk. Men för att förhindra att motorn fastnar i det vertikala dödläget på 90° (där den inte kan starta från stillastående), använder praktiska leksaksmotorer vanligtvis en 3-polig rotor (tre kärntänder och tre kommutatorsegment). Denna design säkerställer att minst två faser alltid är spänningssatta vid varje given vinkel, vilket gör att motorn tillförlitligt kan självstarta från vilket statiskt läge som helst och gå med jämnare och mer enhetligt vridmoment.