Fırçalı DC motor nasıl çalışır: kolektör, fırçalar ve hız–tork çizgisi

Armatür, alan ve iletken üzerindeki kuvvet

Fırçalı DC motorun iki manyetik parçası vardır. Alan sabittir: ya kalıcı mıknatıslar ya da gövdeye sabitlenmiş sargılı kutup bobinleridir. Armatür rotordur; oluklarında bakır bobinler bulunan, mile monte edilmiş demir bir çekirdektir.

Manyetik akı yoğunluğu B olan bir alanda I akımı taşıyan bir iletken, F = B × I × L kuvvetini hisseder; burada L iletkenin alandaki uzunluğudur. Armatür bobinleri milin karşıt taraflarında bulunur; bu yüzden bir taraftaki kuvvet yukarı, diğer taraftaki aşağı iter. Bu kuvvet çifti mile göre bir tork oluşturur.

Her bobindeki akım yönü hiç değişmeseydi tork her yarım turda ters dönerdi ve rotor yalnızca ileri geri sallanırdı. Bunu önleyen kolektördür.

Kolektör ve fırçalar

Kolektör, mil üzerinde birbirinden yalıtılmış bakır segmentlerden oluşan bir halkadır. Her armatür bobini bir segment çiftine bağlıdır. Sabit duran iki karbon fırça kolektöre bastırır ve DC beslemeyi içeri taşır.

Rotor döndükçe bobin, alan kutupları arasındaki nötr bölgeden geçer. O anda fırçalar bir segmentten diğerine kayar ve bu bobindeki akımı ters çevirir. Kuzey kutbunun altında akımı bir yönde taşıyan bobin artık güney kutbunun altındadır ve akımı diğer yönde taşır; böylece üzerindeki kuvvet aynı yönde kalır.

Sonuç olarak rotorun kendisi dönerken armatürün kendi manyetik ekseni uzayda sabit kalır ve alana kabaca 90° durur. Amper başına en yüksek tork tam bu dik düzenlemeden gelir. Fırçalı motor, aslında mekanik bir inverterdir: kolektör, DC'yi her bobinin ihtiyaç duyduğu alternatif akıma çevirir.

Zıt EMK ve V = IR + E denklemi

Manyetik alanda hareket eden bir iletken de gerilim üretir. Armatür bobinleri alan içinde hareket ettiği için beslemeye ters yönde bir zıt EMK üretirler:

E = Ke × ω

Burada ω, rad/s cinsinden mil hızı ve Ke, V·s/rad cinsinden gerilim sabitidir. Armatür akımı bundan sonra devre denkleminden çıkar:

V = I × R + E

Burada R armatür direncidir. Düzenlenirse I = (V − E) / R olur.

Tork denklemi bunun aynadaki yansımasıdır:

T = Kt × I

SI birimlerinde Kt (N·m/A) ve Ke (V·s/rad) sayısal olarak eşittir. Motorun kendi kendini düzenlemesinin anahtarı budur. Durağan halde E = 0'dır, dolayısıyla akımı yalnızca R sınırlar ve V / R kalkış akımı çok büyüktür. Rotor hızlandıkça E büyür, akım düşer ve tork da onunla düşer; motor, torkun yük torku artı sürtünmeye eşit olduğu hıza ulaşana kadar bu böyle sürer.

Hız–tork çizgisi ve çözümlü örnek

Üç denklemi birleştirip I'yı yok edin:

ω = V / Ke − (R / (Ke × Kt)) × T

Kalıcı mıknatıslı motor için bu bir doğrudur. Hız eksenini V / Ke boşta hızında, tork eksenini Kt × V / R kalkış torkunda keser. Eğimi yalnızca sargı direncine bağlıdır; bu yüzden düşük dirençli bir motorun karakteristiği serttir: yük arttığında hız az düşer.

Besleme gerilimini artırmak, eğimi değiştirmeden tüm çizgiyi dışarı kaydırır. Aynı torkta düşük gerilimin düşük hız vermesinin ve fırçalı motorun kontrolünün bu kadar kolay olmasının nedeni budur.

Ne var ki verim orta yüklerde en iyidir ve kilitlenmeye doğru düşer, çünkü I² × R bakır kaybı akımın karesiyle artar.

Çözümlü örnek. R = 0,5 Ω ve SI birimlerinde Ke = Kt = 0,05 olan küçük bir motoru 12 V ile çalıştıralım.

1. Boşta hız (sürtünme yok sayılarak): ω = 12 / 0,05 = 240 rad/s; bu da 240 × 60 / (2π) ≈ 2292 dev/dak eder. 2. Kalkış akımı: V / R = 12 / 0,5 = 24 A. Kalkış torku: 0,05 × 24 = 1,2 N·m. 3. Şimdi 0,2 N·m ile yükleyin. Akım I = T / Kt = 0,2 / 0,05 = 4 A olur. 4. Zıt EMK: E = V − I × R = 12 − 4 × 0,5 = 10 V. 5. Hız: ω = E / Ke = 10 / 0,05 = 200 rad/s ≈ 1910 dev/dak. 6. Elektrik girişi 12 × 4 = 48 W, mekanik çıkış 0,2 × 200 = 40 W, bakır kaybı 4² × 0,5 = 8 W'tır. Sürtünme ve fırça kayıplarından önce verim 40 / 48 ≈ %83'tür.

Aynı 0,2 N·m'de beslemeyi 6 V'a yarıya indirin: akım yine 4 A'dir, E = 6 − 2 = 4 V olur ve hız 80 rad/s'ye (yaklaşık 764 dev/dak) düşer. Aynı tork, yalnızca düşük gerilimden dolayı daha düşük hız.

Hız kontrolü, yön değiştirme ve fırça aşınması

Hız kontrolü. Hız E = V − I × R'yi izlediği için armatür gerilimini değiştirmek hızı neredeyse orantılı biçimde değiştirir. Uygulamada gerilim PWM ile değiştirilir: bir transistör tam beslemeyi saniyede binlerce kez açıp kapatır ve motorun endüktansı bunun ortalamasını alır. Daha yüksek görev oranı daha yüksek ortalama gerilim ve daha yüksek hız demektir. Sargılı alanlı bir motorun alanını zayıflatmak, amper başına torkun pahasına hızı temel hızın üzerine çıkarır.

Yön değiştirme. Tork yönü, alan yönü ile armatür akımı yönünün çarpımına bağlıdır. Kalıcı mıknatıslı bir motorun besleme polaritesini ters çevirirseniz motor diğer yöne döner; bunu bir H-köprüsü elektronik olarak yapar. Sargılı alanlı bir motorda tüm beslemeyi ters çevirmek hem alanı hem armatürü çevirir, dolayısıyla yön değişmez; yalnızca armatür uçlarının ya da yalnızca alan uçlarının yerini değiştirmeniz gerekir.

Sargılı alanlı türler. Şönt motorlarda alan armatüre paraleldir ve neredeyse sabit hızda çalışır. Seri motorlarda alan armatürle seridir; çok yüksek kalkış torku verir, ancak yüksüz kaldığında tehlikeli bir kaçış hızına çıkar. Kompunt motorlar ikisini birleştirir.

Fırça aşınması. Fırçalar kolektöre sürtündüğü için aşınır, karbon tozu oluşturur, elektriksel gürültü üretir ve segment kenarlarında kıvılcım çıkarır. Bu aşınma ve hıza ve bakımsız ömre getirdiği sınır, birçok tasarımın fırçasız motorlara geçmesinin başlıca nedenidir.

Simülatör fırçalı DC motoru nasıl modeller?

Curvo Studio'nun fırçalı DC motor simülatörü yukarıda anlatılan aynı kompakt modeli kullanır. Varsayılan Alan uyartımı Mıknatıs'tır (kalıcı mıknatıs); Kt ve Ke SI birimlerinde sayısal olarak eşit kabul edilir. Etiket değerlerinden ve sizin belirlediğiniz koşullardan armatür akımını, zıt EMK'yı, torku ve rotor hızını çözer; yükün gerektirdiği akım mevcut besleme gerilimindeki V / R kalkış akımına ulaşacaksa motoru kilitlenmiş olarak işaretler.

Simülatör ayrıca Şönt, Seri ve Kompunt alan bağlantılarını ve şönt ile kompunt türleri için bir Alan reostasını sunar. Bir grafik, seçilen bağlantı için hız–moment eğrisini, karşılaştırma için diğer üçü arka planda soluk gösterilerek çizer. Kalkış, yüksek V / R başlangıç akımından başlayarak kalıcı rejim hızına ve akımına basit bir üstel yaklaşım olarak gösterilir. Bu açıklayıcı bir modeldir; tasarım ya da koruma hesabı değildir.

3B model alan kutuplarını ya da mıknatısları, armatür çekirdeğini ve sargılarını, bölmeli kolektörü ve sabit karbon fırçaları ayrı parçalar olarak gösterir. Kolektör armatürle birlikte döner, fırçalar sabit kalır.

Fırçalı DC motor simülatöründe deneyin

Fırçalı DC motor simülatörünü açın ve şu deneyleri yapın.

• Besleme gerilimi kaydırıcısını aşağı yukarı sürükleyin; rotor hızının neredeyse orantılı değiştiğini, Geri EMK değerinin onu izlediğini görün.
• Mekanik yük kaydırıcısını yükseltin. Armatür akımı ve Tork değerleri artar, hız ise armatür direnci üzerindeki gerilim düşümü nedeniyle biraz azalır.
• Yükü, motorun mevcut gerilimde verebileceğinin üzerine çıkarın (örneğin %120 yükte birkaç voltluk bir besleme); motor kilitlenir.
• Polariteyi Pozitif ile Ters arasında değiştirin. Kalıcı mıknatıslı motor yön değiştirir; Alan uyartımı altında Şönt, Seri ya da Kompunt'u seçerseniz sargılı alanlı bir motorun yön değiştirmediğine dair ipucunu görürsünüz.
• Dört uyartım türünü Alan bağlantısına göre hız–moment grafiğinde karşılaştırın ve seri motorun hafif yükte nasıl davrandığına dikkat edin.
• Kolektör segmentlerini ve fırçaları bulmak için 3B modelin Kesit ya da Parçalara ayır görünümünü kullanın.

Simülatörde deneyin