Động cơ điện DC chổi than hoạt động như thế nào? Hướng dẫn sử dụng động cơ Micro Brush DC

Câu trả lời ngắn gọn: động cơ DC có chổi than hoạt động bằng cách cấp dòng điện qua cuộn dây quay (rôto) thông qua các tiếp điểm carbon hoặc kim loại cố định gọi là chổi than, chúng ép vào một vòng phân đoạn quay được gọi là cổ góp. Khi rôto quay, cổ góp sẽ tự động đảo chiều dòng điện trong cuộn dây vào đúng thời điểm, giữ cho lực từ đẩy theo cùng hướng quay - hành động tự chuyển đổi này cho phép động cơ chổi than quay liên tục từ một nguồn điện DC đơn giản, không được kiểm soát. Không cần mạch điện bên ngoài để làm cho nó quay , đó chính xác là lý do tại sao động cơ DC có chổi than, bao gồm cả động cơ DC chổi than siêu nhỏ có đường kính nhỏ tới 4mm, vẫn là một trong những cách được sử dụng rộng rãi và tiết kiệm chi phí nhất để chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động quay. Phần còn lại của hướng dẫn này trình bày chi tiết về cơ chế, những gì bên trong động cơ chổi than siêu nhỏ và những gì cần cân nhắc khi chọn một động cơ cho một dự án.

Các thành phần cốt lõi của động cơ DC chổi than

Mỗi động cơ điện DC chải , từ một thiết bị có kích thước đồ chơi cho đến một động cơ bánh răng công nghiệp, đều được chế tạo từ bốn bộ phận thiết yếu giống nhau.

Carbon hoặc than chì là vật liệu chổi than tiêu chuẩn chứ không phải kim loại rắn, vì carbon có khả năng tự bôi trơn và dễ mài mòn hơn - nghĩa là chổi than bị xói mòn dần theo thời gian trong khi bề mặt cổ góp đắt tiền hơn hầu như vẫn còn nguyên vẹn. Kiểu hao mòn này nhằm mục đích dễ bảo trì: việc thay thế một chổi than bị mòn đơn giản và rẻ hơn nhiều so với việc thay thế một cổ góp bị hỏng.

Động cơ thực sự quay như thế nào: Từng bước

Nguyên lý làm việc dựa trên hai khái niệm vật lý: định luật cảm ứng điện từ Faraday và lực Lorentz. Trong thực tế, chu trình trông như thế này:

1. Điện áp DC được đặt vào hai cực của chổi than và dòng điện chạy từ chổi than vào các đoạn cổ góp mà chúng chạm vào.
2. Dòng điện đi qua cuộn dây rôto biến nó thành một nam châm điện, tạo ra từ trường riêng.
3. Từ trường rôto này tương tác với từ trường cố định từ nam châm vĩnh cửu của stato - các cực giống nhau đẩy nhau, các cực đối diện hút nhau - tạo ra mô-men xoắn đẩy rôto quay.
4. Khi rôto tiến đến thẳng hàng với từ trường của stato (khoảng 180 độ quay một lần), chổi than sẽ trượt lên đoạn cổ góp tiếp theo, làm đảo ngược hướng dòng điện trong cuộn dây.
5. Đảo ngược dòng điện sẽ đảo cực từ của rôto vào đúng thời điểm chính xác, do đó lực đẩy từ tính tiếp tục theo cùng một hướng quay thay vì dừng lại.
6. Chu kỳ chuyển đổi và đẩy này lặp đi lặp lại liên tục, tạo ra chuyển động quay trơn tru, liên tục miễn là có điện.

Có một khoảnh khắc ngắn ngủi trong mỗi chu kỳ khi chổi than nối hai đoạn cổ góp và làm ngắn mạch tạm thời một phần của cuộn dây - đây là nguồn gốc của các tia lửa nhỏ có thể nhìn thấy bên trong động cơ chổi than đang hoạt động và đó cũng là nguồn gốc của hầu hết tiếng ồn điện mà các động cơ này tạo ra.

Điều gì làm cho động cơ DC Micro Brush trở nên khác biệt

Động cơ DC chổi than siêu nhỏ sử dụng nguyên tắc chuyển mạch giống hệt như mô tả ở trên, chỉ thu nhỏ lại một cách đáng kể. Các nguồn công nghiệp thường phân loại bất kỳ động cơ nào có đường kính dưới 30 mm là động cơ siêu nhỏ và các bộ phận chổi than nhỏ nhất hiện có trên thị trường đều nhỏ như đường kính 4mm , được sử dụng trong các ứng dụng như máy bay không người lái siêu nhỏ và cơ chế khóa thu nhỏ.

Động cơ siêu nhỏ không lõi so với lõi sắt

Hầu hết các động cơ chổi than siêu nhỏ sử dụng thiết kế rôto không lõi (không có sắt) thay vì phần ứng lõi sắt truyền thống thường thấy ở các động cơ lớn hơn. Thay vì cuộn dây quấn quanh lõi sắt, cuộn dây là một cấu trúc rỗng, tự hỗ trợ. Điều này giúp loại bỏ tổn thất sắt và tắc nghẽn (cảm giác lực cản khi quay động cơ bằng răng sắt bằng tay), mang lại cho động cơ vi mô không lõi quán tính quay rất thấp và tăng tốc nhanh — một lợi thế có ý nghĩa trong các thiết bị như pipet, cơ chế lấy nét của máy ảnh hoặc máy bơm nhỏ, trong đó việc khởi động và dừng nhanh chóng, chính xác là rất quan trọng.

Thông số kỹ thuật điển hình

Thông số kỹ thuật rất khác nhau tùy theo nhà sản xuất và mục đích sử dụng, nhưng bảng bên dưới hiển thị số liệu đại diện cho các đường kính động cơ vi mô phổ biến để minh họa phạm vi.

Ở đầu nhỏ, một số động cơ vi mô có chổi than không lõi đạt hiệu suất lên tới 90% , mặc dù đỉnh này chỉ đạt được ở tốc độ cao và giảm xuống ở tốc độ thấp hoặc tải nặng. Nhiều động cơ vi mô cũng được ghép nối với hộp số để trao đổi RPM thô để có mô-men xoắn có thể sử dụng cao hơn, điều này thường thấy trong các ứng dụng như cân bằng chính xác, bộ truyền động van và khớp robot nhỏ.

Kiểm soát tốc độ và hướng

Một trong những ưu điểm nổi bật của động cơ DC có chổi than là việc điều khiển chúng đơn giản như thế nào so với các lựa chọn thay thế không chổi than.

• Tốc độ gần như tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào — tăng điện áp và động cơ quay nhanh hơn, giảm điện áp và động cơ chạy chậm lại mà không cần thêm thiết bị điện tử nào cho ứng dụng bật/tắt cơ bản.
• Hướng được đảo ngược đơn giản bằng cách hoán đổi cực tính của hai dây cung cấp, vì điều này đảo ngược hướng hiện tại mà cổ góp đang chuyển đổi giữa.
• Đối với các ứng dụng có tốc độ thay đổi, điều chế độ rộng xung (PWM) là phương pháp điều khiển tiêu chuẩn — thay vì thay đổi điện áp liên tục, nguồn điện được bật và tắt nhanh chóng, đồng thời tỷ lệ giữa thời gian bật và thời gian tắt sẽ đặt ra điện áp trung bình hiệu dụng mà động cơ nhìn thấy.
• Đặc biệt, tần sốPWM có ý nghĩa quan trọng đối với động cơ vi mô: truyền động ở tần số dưới khoảng 20 kHz có thể tạo ra rung động siêu âm có thể nghe được trong rôto, vì vậy các nhà sản xuất thường khuyến nghị tần số trong phạm vi 40–120 kHz để giữ độ gợn dòng điện ở mức thấp và bảo vệ tuổi thọ của chổi than.

Hành vi tỷ lệ điện áp này cũng là lý do tại sao động cơ chổi than phù hợp tự nhiên cho các thiết bị chạy bằng pin - một bộ điều chỉnh tuyến tính đơn giản hoặc trình điều khiển xung điện cơ bản là đủ để có được khả năng kiểm soát tốc độ có thể sử dụng được mà không cần có thiết bị điện tử chuyển mạch chuyên dụng mà động cơ không chổi than chỉ cần quay.

Tuổi thọ và những gì thực sự hao mòn

Giao diện cổ góp chổi than vừa là tính năng giúp cho động cơ chổi than vận hành đơn giản, vừa là thành phần cuối cùng hạn chế tuổi thọ làm việc của chúng. Hai cơ chế mài mòn hoạt động cùng lúc: ma sát cơ học từ chổi than trượt vào cổ góp và hiện tượng ăn mòn điện từ các tia lửa nhỏ sinh ra mỗi khi chổi than nối giữa các đoạn.

Bằng cách so sánh, Động cơ DC không chổi than có thể đạt tới hàng chục nghìn giờ hoạt động bởi vì không có tiếp điểm bàn chải-cổ góp nào bị mòn - thay vào đó, hệ số giới hạn của chúng chuyển sang độ mòn ổ trục. Khoảng cách về tuổi thọ này là sự đánh đổi lớn nhất cần cân nhắc khi lựa chọn giữa động cơ có chổi than và không chổi than: động cơ có chổi than có chi phí trả trước thấp hơn và vận hành đơn giản hơn nhưng chúng cần thay chổi than định kỳ trong các ứng dụng hoạt động liên tục, trong khi động cơ không chổi than có chi phí ban đầu cao hơn nhưng phần lớn tránh được chu kỳ bảo trì đó.

Động cơ Brushed và Micro Brush thực sự được sử dụng ở đâu

Bất chấp sự cạnh tranh từ các thiết kế không chổi than, động cơ DC có chổi than vẫn được ưa chuộng vì chi phí thấp, khả năng điều khiển đơn giản và mô-men xoắn khởi động cao chính xác là những gì nhiều ứng dụng cần — đặc biệt khi chu kỳ làm việc liên tục hoặc tuổi thọ siêu dài không phải là ưu tiên hàng đầu.

• Dụng cụ điện và thiết bị gia dụng nhỏ, trong đó mô-men xoắn khởi động cao và chi phí đơn vị thấp quan trọng hơn tuổi thọ tối đa.
• Đồ chơi, xe điều khiển từ xa và máy bay không người lái theo sở thích, trong đó động cơ không lõi siêu nhỏ trong phạm vi 8–20mm mang lại RPM cao trong một gói nhẹ.
• Các hệ thống phụ trợ ô tô như thang máy cửa sổ, bộ điều chỉnh ghế và máy bơm nhỏ.
• Dụng cụ y tế và phòng thí nghiệm — pipet, bệ xử lý mẫu và cân chính xác thường sử dụng động cơ chổi than không lõi nhỏ kết hợp với hộp số và bộ mã hóa để điều khiển chuyển động lặp lại.
• Robot và tự động hóa nhà máy dành cho các khớp nối hoặc bộ truyền động có chi phí thấp hơn trong đó việc thay chổi than định kỳ là hạng mục bảo trì có thể chấp nhận được.

Chọn động cơ DC Micro Brush: Các yếu tố chính

Việc chọn động cơ DC chổi than siêu nhỏ phù hợp cho dự án phụ thuộc vào việc kết hợp một số thông số kỹ thuật với những hạn chế thực sự của ứng dụng của bạn, thay vì chỉ chọn tùy chọn nhỏ nhất hoặc rẻ nhất hiện có.

1. Điều chỉnh điện áp nguồn phù hợp với nguồn điện của bạn — định mức động cơ vi mô thông thường dao động từ khoảng 1,5V đến 24V, vì vậy hãy xác nhận rằng điện áp định mức của động cơ phù hợp với pin hoặc nguồn điện của bạn.
2. Kiểm tra không gian còn trống dựa trên đường kính và chiều dài của động cơ, vì động cơ siêu nhỏ thường có kích thước từ khoảng 4mm đến 24mm và hơn thế nữa.
3. Quyết định xem tốc độ thô hay mô-men xoắn quan trọng hơn — động cơ không lõi không có hộp số sẽ có tốc độ RPM cao và khả năng tăng tốc nhanh, trong khi việc bổ sung hộp số sẽ đổi tốc độ tối đa để có mô-men xoắn có thể sử dụng cao hơn đáng kể.
4. Ước tính chu kỳ hoạt động và tuổi thọ cần thiết — một thiết bị tiêu dùng sử dụng không liên tục có thể thoải mái sử dụng động cơ chổi than có chi phí thấp hơn, trong khi ứng dụng hoạt động liên tục có thể biện minh cho chi phí trả trước cao hơn của động cơ không chổi than.
5. Hãy xem xét độ nhạy nhiễu điện - nếu động cơ dùng chung mạch với các thiết bị điện tử nhạy cảm, hãy dành ngân sách cho việc triệt tiêu EMI cơ bản, vì chuyển mạch chổi than vốn đã tạo ra nhiễu điện mà các thiết kế không chổi than tránh được.