Động cơ chổi than hoạt động như thế nào? Thành phần cốt lõi, nguyên tắc làm việc và công dụng

Hãy bóp cò trên tuốc nơ vít không dây và tiếng vù vù bạn nghe thấy đến từ động cơ DC được chải xước đang thực hiện một thao tác đơn giản một cách trang nhã: chuyển đổi dòng điện của pin thành chuyển động quay bằng cách sử dụng các khối cacbon có lò xo và một vòng đồng phân đoạn. Câu trả lời ngắn gọn về cách thức hoạt động của nó là thế này. Dòng điện chạy từ nguồn điện tĩnh, qua chổi than trượt trên cổ góp quay, đi vào cuộn dây gắn trên phần ứng. Các cuộn dây mang điện trở thành nam châm điện đẩy vào các nam châm vĩnh cửu cố định và cổ góp sẽ đảo chiều dòng điện trong mỗi cuộn dây cứ sau nửa vòng quay để lực đẩy tiếp tục quay trục theo một hướng.

Hành động chuyển đổi cơ học đó là đặc điểm xác định của thiết kế. Nó giải thích tại sao động cơ chổi than vẫn rẻ tiền, dễ điều khiển và có thể dự đoán được, đồng thời nó cũng giải thích một hạn chế thực sự của chúng: giao diện tiếp xúc bị mòn. Đối với bất kỳ ai chỉ định các bộ phận cho sản phẩm số lượng lớn, việc hiểu cơ chế này giải thích gần như mọi đặc điểm thực tế của loại động cơ, từ chi phí đơn vị thấp cho đến thời hạn sử dụng ngắn hạn.

Bốn bộ phận làm cho việc xoay có thể thực hiện được

Mỗi động cơ DC có chổi than, từ bộ đồ chơi nhỏ đến mô hình công nghiệp dòng RS, đều được chế tạo dựa trên bốn bộ phận thiết yếu.

Stator là nguồn trường cố định. Trong động cơ DC cỡ vừa và nhỏ, hầu như luôn có một cặp nam châm vĩnh cửu, thường là ferit hoặc neodymium, được gắn bên trong vỏ thép. Stator không bao giờ chuyển động; nó cung cấp một từ trường không đổi trên rôto.

Rôto hay còn gọi là phần ứng là bộ phận quay. Nó được chế tạo từ các tấm thép nhiều lớp xếp chồng lên nhau với các khe giữ cuộn dây đồng cách điện. Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây đó, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện có cực bắc và cực nam riêng.

Cổ góp là một vòng gồm các đoạn đồng được gắn trên trục và cách điện với nhau, thường bằng mica. Nó quay cùng với phần ứng và đóng vai trò là công tắc cơ khí của động cơ.

Chổi than là những khối cacbon hoặc than chì có lò xo, hoặc kim loại quý nằm trong các động cơ rất nhỏ, ép vào cổ góp. Chúng tạo thành cầu nối vật lý duy nhất giữa các cực nguồn cố định và phần ứng quay. Vòng bi, chuông cuối và trục hoàn thành việc lắp ráp, nhưng bốn bộ phận này thực hiện công việc thực tế là chuyển đổi điện thành chuyển động.

Từng bước: Từ luân chuyển hiện tại đến luân chuyển liên tục

Trình tự tạo ra vòng quay lặp lại liên tục trong khi động cơ chạy:

1. Dòng điện đi qua các cực của động cơ và đến chổi than, chúng truyền nó đến bất kỳ đoạn cổ góp nào chạm vào chúng ngay lúc đó.
2. Từ cổ góp, dòng điện chạy vào cuộn dây phần ứng. Một dây dẫn mang dòng điện tạo ra một từ trường, do đó mỗi cuộn dây mang điện hoạt động như một nam châm điện.
3. Các cực của nam châm điện tương tác với từ trường cố định của stato. Các cực đối diện thu hút và các cực cùng tên đẩy nhau, và lực đẩy và kéo này tạo ra mô-men xoắn làm quay phần ứng.
4. Khi phần ứng quay, các đoạn cổ góp trượt dưới chổi than. Khi cuộn dây đi qua điểm căn chỉnh, khe hở đoạn đi qua chổi than và dòng điện qua cuộn dây đó sẽ đảo ngược.
5. Sự đảo chiều sẽ hoán đổi các cực từ của cuộn dây vào đúng thời điểm hình học, do đó thay vì khóa cố định, phần ứng tiếp tục bị kéo và đẩy xung quanh theo cùng một hướng.

Một động cơ nhỏ chạy ở tốc độ 10.000 vòng/phút thực hiện việc đảo chiều dòng điện này khoảng 330 lần mỗi giây và không có thiết bị điện tử nào sử dụng. Hình dạng của cổ góp và áp suất lò xo của chổi than tự động xử lý toàn bộ thời gian. Đây là điểm khác biệt cơ bản so với các thiết kế không chổi than, trong đó bộ điều khiển bên ngoài thực hiện chuyển mạch điện tử tương tự bằng cách sử dụng phản hồi vị trí rôto.

Tại sao tốc độ và mô-men xoắn hoạt động có thể đoán trước được

Vì từ trường stato cố định và hệ thống dây điện đơn giản nên hoạt động của động cơ chổi than tuân theo các quy tắc dễ thiết kế:

• Tốc độ theo điện áp. Trong động cơ chổi than nam châm vĩnh cửu, tốc độ không tải tăng gần như tuyến tính với điện áp đặt vào, đó là lý do tại sao chỉ cần thay đổi điện áp cơ bản hoặc tín hiệu xung điện là đủ để điều khiển nó.
• Mô-men xoắn theo dòng điện. Mô-men xoắn đầu ra tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng, do đó tải nặng hơn sẽ khiến động cơ tự hút nhiều dòng điện hơn.
• Back-EMF tự điều chỉnh. Khi các cuộn dây quay bên trong từ trường stato, chúng tạo ra một điện áp chống lại nguồn cung cấp. Ở trạng thái dừng không có nên dòng khởi động cao; khi tốc độ tăng lên, EMF ngược tăng lên và dòng điện giảm xuống cho đến khi động cơ ổn định ở trạng thái cân bằng mà không có cảm biến nào liên quan.
• Đảo ngược chỉ cần hoán đổi phân cực. Đảo ngược các thiết bị đầu cuối nguồn sẽ đảo ngược quá trình quay, giúp đơn giản hóa việc thiết kế bộ truyền động cho khóa cửa ô tô, bộ điều chỉnh cửa sổ và rèm có động cơ.

Sự đơn giản tương tự tạo ra sự cân bằng nổi tiếng: khi khởi động, khi EMF ngược bằng 0, dòng điện có thể tăng vọt vượt xa mức đang chạy, vì vậy các sản phẩm chạy bằng pin phải chịu đựng hoặc hạn chế sự đột ngột đó.

Bàn chải và cổ góp là bộ phận bị mòn

Tiếp điểm trượt làm cho chuyển mạch cơ học có thể xảy ra cũng là điểm yếu chính của nó. Chổi than ép vào cổ góp dưới tác dụng của lực lò xo và cả hai bề mặt đều mòn theo mỗi vòng quay. Carbon dần dần bị ăn mòn do ma sát và từ các vòng cung nhỏ tấn công khi các đoạn đi qua dưới mép bàn chải, và cuối cùng vật liệu của bàn chải bị tiêu hao. Tuổi thọ sử dụng của động cơ chổi than nhỏ thường rơi vào khoảng từ một đến năm nghìn giờ hoạt động, mặc dù khoảng cách này rất rộng vì tải nặng liên tục, tốc độ cao và điều kiện ẩm ướt đều rút ngắn tuổi thọ sử dụng.

Cổ góp cũng già đi. Bề mặt đồng của nó có thể tạo thành rãnh, rãnh hoặc hình thành màng carbon điện trở và các hồ quang từ mỗi sự kiện chuyển mạch tạo ra nhiễu điện từ mà các thiết bị điện tử gần đó thường triệt tiêu bằng các tụ điện nhỏ trên các đầu cực của động cơ.

Không ai trong số này là sự phân rã không được quản lý. Các loại vật liệu chổi, áp suất lò xo và độ hoàn thiện của cổ góp được điều chỉnh cho phù hợp với ứng dụng và kết cấu kín giúp ngăn chặn các chất gây ô nhiễm trong khi chứa các hạt chổi rơi ra. Đối với người mua, câu hỏi thực tế không phải là chổi than có bị mòn hay không mà là liệu chu kỳ hoạt động của sản phẩm có nằm trong giới hạn hao mòn của động cơ hay không.

Brushed vs Brushless: Cơ chế quyết định điều gì

Động cơ không chổi than được phát triển để loại bỏ hoàn toàn giao diện hao mòn. Họ di chuyển các cuộn dây đến vỏ cố định, đặt nam châm lên rôto và thay thế chổi than và cổ góp bằng bộ điều khiển điện tử có chức năng chuyển mạch dòng điện theo vị trí rôto. Gần như mọi sự khác biệt giữa hai loại đều bắt nguồn từ sự thay đổi duy nhất đó.

Xu hướng ở một số danh mục rõ ràng ủng hộ loại không chổi than, đặc biệt là máy bay không người lái và các dụng cụ điện cao cấp. Tuy nhiên, các thiết kế có chổi than vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong các ứng dụng khối lượng lớn trong đó chi phí đơn vị, tính đơn giản của hai dây và mô-men xoắn ở tốc độ thấp đã được chứng minh là vượt xa tuổi thọ tối đa. Tổng quan của chúng tôi về tại sao động cơ DC có chổi than vẫn là nền tảng của thiết bị cấp công nghiệp xem xét sự cân bằng đó một cách chi tiết hơn.

Động cơ chải ở đâu vẫn phù hợp nhất

Điểm mạnh của cơ chế này được ánh xạ trực tiếp vào các danh mục sản phẩm. Động cơ chổi than chiếm ưu thế trong các thiết bị cần chi phí thấp trên mỗi đơn vị ở khối lượng sản xuất, điều khiển đơn giản, mô-men xoắn khởi động mạnh và kích thước nhỏ gọn: thiết bị nhà bếp, sản phẩm chăm sóc cá nhân, thiết bị làm sạch, bộ truyền động ô tô, dụng cụ điện và đồ chơi.

Các ví dụ cụ thể cho thấy việc xây dựng phù hợp với nhiệm vụ như thế nào. Động cơ tuốc nơ vít dành cả cuộc đời của nó để đạp xe từ tốc độ ngừng cho đến tốc độ tối đa trong điều kiện bụi bặm, vì vậy việc bảo vệ các bộ phận bên trong quan trọng hơn là tiết kiệm gam; RS735, được phát triển với quy trình bịt kín dành cho tua vít điện, được thiết kế đáp ứng chính xác yêu cầu đó.

Động cơ DC chổi than RS-735 42mm cho thiết bị gia dụng Động cơ DC nam châm vĩnh cửu có chổi than 42mm đạt tốc độ lên tới 25000 vòng/phút, có cấu trúc nhỏ gọn và ổ cắm dây gắn ở cạnh. Nó phù hợp với các chu trình làm việc kín, tiếp xúc với bụi được thảo luận đối với tua vít điện cũng như các bộ truyền động dụng cụ điện và gia dụng khác. Xem sản phẩm →

Động cơ thiết bị được đánh giá dựa trên độ êm ái và âm thanh. Máy pha cà phê vốn đã phát ra tiếng ồn trong quá trình xay và pha, do đó, động cơ truyền động không nên tự tạo thêm độ rung, đó là lý do tại sao các biến thể vận hành êm ái được chỉ định cho ứng dụng đó.

Động cơ DC có độ ồn thấp RS-550SL cho máy hủy giấy Động cơ DC chổi than 65mm này cung cấp mô-men xoắn ổn định, vận hành mượt mà ở tốc độ thấp và độ ổn định nhiệt được cải thiện so với các phiên bản RS550 tiêu chuẩn. Nó phù hợp với yêu cầu vận hành yên tĩnh, không rung trong máy pha cà phê và các thiết bị hoạt động liên tục tương tự. Xem sản phẩm →

Các sản phẩm hút lại có ưu điểm hoàn toàn ngược lại: động cơ máy hút bụi chạy liên tục ở tốc độ cao, với stato nam châm vĩnh cửu mang lại mật độ năng lượng cao trong một khung máy nhỏ gọn.

Máy sấy tóc, máy đánh trứng, rèm cửa có động cơ, máy bơm hơi ô tô và máy phun tưới vườn đều sử dụng cùng một cơ chế vật lý được điều chỉnh theo các hướng khác nhau. Xem xét đầy đủ chải phạm vi động cơ DC theo ứng dụng thường nhanh hơn so với việc bắt đầu từ thông số kỹ thuật chung.

Những lưu ý lựa chọn thực tế trước khi bạn chỉ định

Bốn câu hỏi thực hiện hầu hết công việc lựa chọn khi đánh giá động cơ chổi than cho một sản phẩm mới:

• Chu kỳ làm việc: chạy liên tục sẽ tiêu tốn tuổi thọ của chổi nhanh hơn nhiều so với chu kỳ ngắt quãng ngắn, do đó, máy pha cà phê và khóa cửa ô tô có mức hao mòn rất khác nhau ngay cả ở mức công suất tương tự.
• Cấu hình tải: thường xuyên chết máy hoặc yêu cầu mô-men xoắn khởi động cao sẽ đẩy dòng điện và dòng điện là thứ làm ăn mòn chổi than và cổ góp pittông.
• Môi trường: bụi, độ ẩm và độ rung xác định xem kết cấu mở, kín hay ống thép là phù hợp.
• Mục tiêu tiếng ồn và EMI: các sản phẩm có thiết bị điện tử nhạy cảm hoặc yêu cầu nghiêm ngặt về âm thanh cần có các bộ phận triệt tiêu và cấp độ chổi than êm hơn được đưa vào hệ thống sớm chứ không cần trang bị thêm.

Cuối cùng, động cơ chổi than là một cỗ máy đơn giản có chủ ý: một từ trường cố định, một nam châm điện quay và một công tắc cơ học đã hoạt động đáng tin cậy trong hơn một thế kỷ. Việc kết hợp các chi tiết kết cấu với ứng dụng là điều tạo nên sự khác biệt giữa một động cơ chỉ quay với một động cơ tồn tại trong suốt thời gian sử dụng của sản phẩm.