Bàn chải trong động cơ DC là gì? Hướng dẫn động cơ DC chải

Trong động cơ DC, chổi than là một tiếp điểm điện cố định - thường được làm từ hỗn hợp carbon, than chì hoặc kim loại-than chì - ép vào cổ góp quay để truyền dòng điện giữa mạch ngoài cố định và cuộn dây phần ứng quay. Bàn chải là thứ tạo nên một động cơ điện DC chải tự chuyển động cơ học : khi rôto quay, chổi than duy trì tiếp xúc điện liên tục với các đoạn cổ góp liên tiếp, tự động đảo chiều dòng điện trong mỗi cuộn dây phần ứng vào đúng thời điểm để duy trì chuyển động quay. Không có chổi than thì không có đường dẫn dòng điện vào rôto và động cơ không thể chạy.

Vai trò của chổi than trong động cơ điện một chiều có chổi than

Để hiểu chức năng của bàn chải, cần xem nó trong bối cảnh của hệ thống giao hoán đầy đủ. Động cơ điện DC có chổi than có bốn bộ phận chính liên quan đến việc phân phối và chuyển mạch dòng điện:

• Phần ứng (rôto) - bộ phận quay có cuộn dây đồng tạo ra mômen điện từ khi mang dòng điện
• cổ góp - một vòng đồng phân đoạn được lắp trên trục rôto; mỗi đoạn nối với một đầu của cuộn dây phần ứng
• Bàn chải - các tiếp điểm cố định chịu tải bằng lò xo đặt trên bề mặt cổ góp; thông thường hai chổi được đặt cách nhau 180° đối với động cơ hai cực cơ bản
• Giá đỡ bàn chải - bộ phận cơ khí đặt từng chổi than vào cổ góp ở góc chính xác và tạo áp suất tiếp xúc ổn định, thường là 15 đến 35 kPa cho các loại carbon-graphite

Khi rôto quay, mỗi bàn chải sẽ trượt từ đoạn cổ góp này sang đoạn tiếp theo. Tại mỗi lần chuyển đổi, hướng dòng điện trong cuộn dây nối với đoạn đó sẽ đảo ngược - đây là sự chuyển mạch. Bàn chải thực hiện chức năng chuyển đổi này hoàn toàn thông qua hình học tiếp xúc vật lý của nó mà không cần thiết bị điện tử. Chính sự đơn giản này đã làm cho chải động cơ DC một trong những kiến trúc động cơ đơn giản và được triển khai rộng rãi nhất trong lịch sử.

Các loại chổi than được sử dụng trong động cơ DC

Không phải tất cả chổi than của động cơ DC đều được làm từ cùng một chất liệu. Thành phần được lựa chọn dựa trên điện áp, mật độ dòng điện, tốc độ và môi trường hoạt động của động cơ. Có bốn loại vật liệu cọ chính:

Đặc biệt trong động cơ DC chổi than siêu nhỏ, chổi than chì kim loại có hàm lượng đồng cao (60–80% Cu) là tiêu chuẩn bởi vì điện áp hoạt động thấp (thường là 3V đến 24V) và mật độ dòng điện tương đối cao đòi hỏi vật liệu có điện trở tiếp xúc thấp. Chổi than-than chì, có điện trở suất cao hơn, sẽ gây ra sụt áp không thể chấp nhận được trên tiếp điểm trong mạch động cơ vi mô 3V hoặc 5V.

Cách chổi than và cổ góp phối hợp với nhau để điều khiển chuyển động quay

Quá trình giao hoán vật lý đáng được thực hiện theo từng bước một vì nó làm rõ cả chức năng thiết yếu của bàn chải lẫn những hạn chế cố hữu của nó:

1. Dòng điện một chiều đi vào động cơ thông qua chổi dương, chổi này ép vào đoạn cổ góp nối với cuộn dây phần ứng A. Dòng điện chạy qua cuộn dây A, tạo ra từ trường tương tác với từ trường stato để tạo ra mô-men xoắn.
2. Mô-men xoắn làm cho rôto quay. Khi thực hiện như vậy, đoạn cổ góp nối với cuộn dây A trượt ra khỏi chổi dương và một đoạn mới - nối với cuộn dây B - trượt tiếp xúc.
3. Đồng thời, đoạn trước đó được nối với cuộn dây A chạm tới chổi âm, đảo chiều dòng điện qua cuộn dây A. Sự đảo chiều này giữ cho lực điện từ tác dụng theo cùng chiều quay thay vì làm giảm tốc độ động cơ.
4. Chu kỳ này lặp lại liên tục khi rôto quay, với giao diện chổi than-cổ góp hoạt động như một công tắc cơ khí kích hoạt ở góc rôto bên phải một cách chính xác — khoảng mỗi 60° trong cổ góp sáu đoạn tiêu chuẩn.

Khoảnh khắc ngắn ngủi khi một chổi quét đồng thời kéo dài hai đoạn cổ góp liền kề được gọi là khoảng giao hoán . Trong khoảng thời gian này, cuộn dây đang được chuyển mạch sẽ bị ngắn mạch trong giây lát qua chổi than - việc lựa chọn vật liệu chổi than và hình dạng cổ góp thích hợp sẽ giảm thiểu sự tăng đột biến dòng điện và sự phóng điện mà nó gây ra.

Cấu trúc của động cơ DC chổi than: Tất cả các thành phần chính

Động cơ DC chổi than - dù là động cơ công nghiệp lớn hay động cơ DC chổi than siêu nhỏ - đều có chung kiến trúc cơ bản. Các thành phần sau đây có mặt trong hầu hết mọi động cơ điện DC có chổi than:

Stator (Lắp ráp hiện trường)

Stator cung cấp từ trường đứng yên. Trong động cơ DC có chổi than nam châm vĩnh cửu (loại phổ biến nhất trong các ứng dụng nhỏ và vi mô), stato bao gồm các nam châm vĩnh cửu được liên kết với bên trong vỏ động cơ. Trong các động cơ từ trường vết thương lớn hơn, stato mang các cuộn dây nam châm điện (dây nối tiếp, cuộn dây song song hoặc cuộn dây hỗn hợp) được cấp nguồn bởi cùng một nguồn DC hoặc một nguồn kích thích riêng.

Rotor (Phần ứng)

Rôto là một lõi sắt nhiều lớp quấn với nhiều cuộn dây đồng. Cán lõi bằng tấm thép cách nhiệt mỏng ( thường dày 0,35 đến 0,65 mm ) làm giảm tổn thất do dòng điện xoáy gây lãng phí năng lượng và sinh nhiệt. Số lượng khe phần ứng và phân đoạn cổ góp phù hợp - nhiều khe hơn có nghĩa là đầu ra mô-men xoắn mượt mà hơn và độ gợn sóng giảm.

cổ góp

Cổ góp được gia công từ các đoạn đồng kéo cứng được ngăn cách bằng mica cách nhiệt. Trong động cơ DC chổi than siêu nhỏ, cổ góp có thể có đường kính chỉ vài mm, trong khi động cơ công nghiệp có thể có cổ góp có đường kính trên 500 mm. Bề mặt đồng phải được duy trì trong vòng Dung sai lệch tâm ±0,02 đến 0,05 mm để tránh bàn chải bị nảy, phóng hồ quang và mài mòn không đều.

Bàn chải và giá đỡ bàn chải

Chổi than được giữ trong giá đỡ chổi than có lò xo để duy trì áp suất tiếp xúc ổn định với cổ góp khi chổi than hao mòn trong thời gian sử dụng. Hầu hết các động cơ DC chổi than đều bao gồm một chỉ báo độ mòn — một đường được đánh dấu trên thân chổi than hoặc thông số kỹ thuật về độ dài tối thiểu — để báo hiệu khi cần thay thế. Một chổi than-than chì điển hình cho động cơ 1 kW bắt đầu ở Chiều dài 25–40 mm và phải được thay thế khi mòn đến 8–10 mm.

Chuông cuối và vòng bi trục

Chuông cuối (nắp cuối) đóng vỏ động cơ và đỡ trục rôto thông qua ổ bi hoặc ổ bi. Chúng cũng cung cấp các điểm lắp cho giá đỡ chổi than, giữ cho sự căn chỉnh giữa chổi than và cổ góp ổn định dưới tải và rung.

Động cơ DC Micro Brush: Thu nhỏ và những cân nhắc đặc biệt

Động cơ DC chổi than siêu nhỏ áp dụng các nguyên tắc hoạt động tương tự như động cơ điện DC chổi than kích thước đầy đủ nhưng thu nhỏ chúng thành các đường kính thường từ 4 mm đến 36 mm và công suất đầu ra từ miliwatt đến vài watt. Việc thu nhỏ này đặt ra những thách thức kỹ thuật không tồn tại ở quy mô lớn hơn.

Thiết kế chổi than trong Micro Motors

Trong động cơ DC chổi than siêu nhỏ, chổi than thường được dập hoặc tạo hình từ tấm kim loại-than chì hoặc kim loại quý mỏng hơn là các khối carbon ép. Bàn chải kim loại quý (hợp kim bạc-palađi hoặc vàng) được sử dụng trong các động cơ nhỏ nhất - chẳng hạn như thiết kế không lõi 6 mm và 8 mm - vì chúng cung cấp điện trở tiếp xúc cực thấp (dưới 10 mΩ) và về cơ bản là không có mảnh vụn mài mòn, có thể làm ô nhiễm các khe hở nhỏ bên trong. Sự đánh đổi là chi phí: bàn chải kim loại quý đắt hơn từ 5 đến 20 lần so với loại carbon.

Thiết kế rôto không lõi

Nhiều động cơ DC chổi than siêu nhỏ hiệu suất cao sử dụng rôto không lõi (không có sắt) — một cuộn dây đồng rỗng tự hỗ trợ không có lớp sắt. Không có lõi sắt, quán tính quay giảm đáng kể, cho phép động cơ tăng tốc và giảm tốc theo mili giây thay vì hàng chục mili giây . Động cơ vi mô không lõi là tiêu chuẩn trong robot phẫu thuật, hệ thống lấy nét tự động của máy ảnh và các thiết bị phản hồi xúc giác chính xác trong đó thời gian phản hồi là rất quan trọng.

Tuổi thọ vận hành của động cơ DC chổi than siêu nhỏ

Độ mòn của chổi than là yếu tố chính làm giảm tuổi thọ của bất kỳ động cơ điện DC có chổi than nào, nhưng nó đặc biệt quan trọng trong các động cơ vi mô mà việc thay thế thường không thực tế. Các nhà sản xuất đánh giá động cơ DC chổi than siêu nhỏ có chổi than ở mức 500 đến 2.000 giờ hoạt động liên tục, trong khi các phiên bản bàn chải kim loại quý kéo dài đến 3.000 đến 5.000 giờ dưới tải nhẹ. Tải trọng, tốc độ và độ ẩm môi trường đều ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ sử dụng thực tế.

Đặc tính hiệu suất chính của động cơ DC chổi than

Động cơ điện DC có chổi than có tập hợp các đặc tính hiệu suất được xác định rõ ràng giúp có thể dự đoán và điều khiển dễ dàng:

Một trong những đặc tính hữu ích thiết thực nhất của động cơ điện DC chổi than là khả năng mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ và điện áp ứng dụng : tăng gấp đôi điện áp sẽ làm tăng gần gấp đôi tốc độ không tải. Điều này làm cho việc kiểm soát tốc độ trở nên trực quan và không tốn kém — một trình điều khiển PLC (điều chế độ rộng xung) đơn giản có giá vài đô la có thể cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ biến đổi mượt mà từ gần 0 đến tốc độ tối đa.

Ưu điểm của động cơ DC chổi than so với thiết kế không chổi than

Bất chấp sự gia tăng của động cơ DC không chổi than trong nhiều ứng dụng, động cơ điện DC chổi than vẫn giữ được những ưu điểm đáng kể trong các bối cảnh cụ thể:

• Chi phí hệ thống thấp hơn - động cơ DC chổi than không yêu cầu bộ điều khiển chuyển mạch điện tử; có thể đạt được điều khiển tốc độ và hướng chỉ với một bóng bán dẫn hoặc mạch cầu H cơ bản, giúp giảm đáng kể tổng chi phí hệ thống trong các ứng dụng tiêu dùng khối lượng lớn
• Kiểm soát tốc độ đơn giản - đặc tính tốc độ-điện áp tuyến tính có nghĩa là điện áp thay đổi hoặc chu kỳ nhiệm vụ của xung điều chỉnh trực tiếp đặt tốc độ động cơ mà không cần cảm biến phản hồi trong nhiều ứng dụng
• Mô-men xoắn khởi động cao — Động cơ DC chổi than phát triển mô-men xoắn cực đại khi ngừng hoạt động (tốc độ bằng 0), khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu lực khởi động cao như cửa sổ ô tô, bộ điều chỉnh ghế và bộ truyền động van
• Điều khiển hai chiều là tầm thường - đảo chiều động cơ chỉ yêu cầu đảo ngược hai dây nguồn mà không cần lập trình lại hoặc sửa đổi bộ điều khiển
• Tính sẵn có và khả năng thay thế - Động cơ điện một chiều có chổi than có sẵn từ hàng trăm nhà sản xuất với rất nhiều kích cỡ, điện áp và cấu hình trục; các bộ phận thay thế bao gồm bàn chải được tiêu chuẩn hóa và không tốn kém

Những hạn chế do bút vẽ gây ra: Tại sao nó lại quan trọng trong các quyết định thiết kế

Chổi than cũng là nguồn hạn chế chính trong động cơ điện DC có chổi than. Hiểu những hạn chế này là điều cần thiết khi quyết định giữa động cơ DC chổi than và động cơ thay thế không chổi than:

Hao mòn cơ học và tuổi thọ hữu hạn

Chổi than bị mòn khi chúng trượt vào cổ góp. Tốc độ hao mòn phụ thuộc vào mật độ dòng điện, áp suất lò xo, tốc độ và môi trường — nhưng không có động cơ DC chổi than nào sẽ tránh được việc thay chổi than cuối cùng. Trong các ứng dụng đòi hỏi hàng chục ngàn giờ dịch vụ (quạt HVAC, máy bơm, bộ truyền động công nghiệp), thiết kế không chổi than loại bỏ hoàn toàn yêu cầu bảo trì này.

Tạo hồ quang điện và EMI

Sự kiện chuyển mạch - khi chổi chuyển tiếp giữa các đoạn - tạo ra hồ quang điện. Sự phóng hồ quang này tạo ra nhiễu điện từ (EMI) có thể làm gián đoạn các thiết bị điện tử gần đó. Động cơ điện DC có chổi than được sử dụng trong môi trường nhạy cảm (thiết bị y tế, dụng cụ chính xác, thiết bị vô tuyến) yêu cầu các bộ phận triệt tiêu EMI (tụ điện, hạt ferit, mạch giảm âm) làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp.

Giới hạn tốc độ và mật độ năng lượng

Ở tốc độ rất cao, độ nảy của chổi và hồ quang trở nên nghiêm trọng. Động cơ DC chổi than tiêu chuẩn thường bị giới hạn ở tốc độ bề mặt cổ góp dưới đây 25–35 m/s . Trên ngưỡng này, chuyển mạch cơ học trở nên không thực tế và các thiết kế không chổi than hoặc vòng trượt được ưu tiên hơn. Đây là lý do tại sao các bộ điều khiển servo hiệu suất cao trên khoảng 10 kW phần lớn đã chuyển sang công nghệ không chổi than.

Không phù hợp với môi trường dễ nổ hoặc ẩm ướt

Hồ quang ở giao diện chổi than-cổ góp làm cho động cơ điện DC chổi than tiêu chuẩn không phù hợp để sử dụng trong môi trường khí, bụi hoặc hơi dễ cháy mà không có vỏ chống cháy nổ. Động cơ không chổi than, không có nguồn hồ quang bên trong, vốn đã an toàn hơn trong các cài đặt này.

Ngày nay, động cơ DC chổi than được sử dụng ở đâu

Bất chấp sự cạnh tranh từ công nghệ không chổi than, động cơ điện DC có chổi than — bao gồm cả động cơ DC có chổi than siêu nhỏ — vẫn là lựa chọn vượt trội trong nhiều ứng dụng trong đó sự kết hợp giữa chi phí thấp, tính đơn giản và hiệu suất là không thể so sánh được:

Bảo trì và thay thế bàn chải: Hướng dẫn thực hành

Trong động cơ điện DC có chổi than trong đó việc thay thế chổi than là thực tế, việc tuân theo lịch bảo trì sẽ kéo dài tuổi thọ của cổ góp và ngăn ngừa hỏng hóc động cơ:

• Kiểm tra chổi sau mỗi 500 giờ hoạt động trong các ứng dụng chu kỳ công suất cao; cứ sau 1.000–2.000 giờ trong môi trường sử dụng không liên tục
• Thay chổi than trước khi chúng đạt đến độ dài tối thiểu được đánh dấu trên chổi hoặc được chỉ định trong bảng dữ liệu động cơ — chổi than bị mòn khi sử dụng khiến giá đỡ lò xo chạm đáy, dẫn đến mất áp suất tiếp xúc đột ngột và phóng hồ quang nghiêm trọng làm hỏng cổ góp trong vòng vài phút
• Sau khi cài đặt bàn chải mới, cho phép thời gian chạy vào (chỗ ngồi) từ 1 đến 3 giờ ở mức tải nhẹ trước khi vận hành đầy tải; chổi mới có mặt tiếp xúc phẳng phải phù hợp với bề mặt cong của cổ góp để có toàn bộ diện tích tiếp xúc
• Làm sạch bề mặt cổ góp bằng vải không có xơ và cồn isopropyl trong quá trình thay chổi than; Quá trình oxy hóa nhẹ là bình thường và thực sự có lợi (lớp oxit mỏng làm giảm ma sát), nhưng cặn carbon dày làm tăng khả năng chống tiếp xúc
• Luôn thay chổi than theo cặp phù hợp - độ mòn chổi than không đối xứng gây ra sự phân bố dòng điện không đồng đều và làm tăng tốc độ mòn của cổ góp ở phía được phục vụ bởi chổi than ngắn hơn

Trong động cơ DC chổi than siêu nhỏ, người dùng thường không thể sử dụng chổi than do quy mô vật lý nhỏ. Khi một động cơ vi mô hết tuổi thọ của bàn chải, động cơ hoàn chỉnh thường được thay thế - điều này được tính vào tổng chi phí sở hữu ở giai đoạn thiết kế hệ thống.