ブラシ付きモーターはどのように動作するのでしょうか?整流子、ブラシ、トルク曲線の説明

簡単な答え: コイルの電流は回転すると逆になります

A brushed motor has two magnetic parts and one rotating switch.磁場は固定であり、ハウジング内の永久磁石または別個の界磁巻線によって生成されます。作動コイルはアーマチュア内に配置され、シャフトに固定され自由に回転する鉄心の周りに巻かれています。

Direct current reaches those coils through the brushes. Each brush presses against the commutator, a cylinder of insulated copper segments.電流は正のブラシから入り、その下のセグメントに流れ込み、1 つのアーマチュア コイルを通って、反対側のセグメントとブラシを通って出ます。このコイルは磁界内で電流を流すため、コイルの各側面は磁界と電流の両方に対して直角に力を感じ、その 2 つの力がシャフトの反対側に作用します。 The armature turns.

問題は、固定電流を流したコイルが磁場と一致するようにスイングし、そこで停止してしまうことです。 The commutator prevents it.アーマチュアが回転すると、各ブラシが 1 つのセグメントから次のセグメントにスライドし、コイルが中性面を横切るときにコイル内の電流を逆転させます。 The coil's polarity flips, so the force keeps pushing the rotor the same way round.すべてのコイルで、その反転は 1 回転ごとに 2 回発生し、そのタイミングはセグメント幅、ブラシ幅、ブラシ位置などのジオメトリのみによって設定されます。

各部分の機能とその部分に関係する症状

When a brushed motor underperforms, the fault usually sits in one of five places, and each one leaves a different fingerprint.

接触面は部品自体と同じくらい重要です。整流子の薄くて均一な暗い膜は低いアークを発生し続けます。明るく乾いた銅は、通常、ブラシのグレードが研磨性が高すぎるか、モーターの長時間の動作が軽すぎることを意味します。

電流が 1 回転につき 2 回反転する理由

1. Supply current enters through the positive brush and into the commutator segment touching it.
2. このセグメントは 1 つの電機子コイルを介して電流を送り、これが北端と南端を持つ電磁石になります。
3. その北端は固定子の北極によって反発され、固定子の南極に引き付けられるため、アーマチュアは回転します。
4. 中立面では、ブラシがセグメント間の絶縁ギャップを横切り、そのコイルへの電流が一時的に遮断されます。
5. The next segment takes over, and the direction of current through the coil is now reversed.
6. コイルの極が入れ替わったため、シャフトにブレーキをかけるのではなく、力が同じ回転方向に押し続けます。

ブラシ付きモーターは、磁石がボルトで固定された回転スイッチです。ブラシの粉塵、ブラシの寿命、高周波ノイズ、実用的な速度の上限はすべてこのスイッチによって決まり、低価格も同様です。

ステップ 4 では、エンジニアリング作業が行われます。短時間の中断中、コイルのインダクタンスは電流を流し続けようとし、そのエネルギーはブラシ面の小さなアーク、わずかな熱、または抑制コンデンサが吸収する電圧スパイクなどのどこかに逃がす必要があります。ブラシのグレード、スプリングの圧力、セグメントの間隔は、数千時間に耐えられる程度にアークを小さく保つように選択されています。

速度、トルク、逆起電力: 数値を正しく読み取る

磁場の中で回転するコイルも発電機です。発生する電圧は電源に逆らって逆起電力と呼ばれ、速度とともに増加します。算数が見やすいです。

アーマチュア抵抗が 1.2 オームの 12 V ブラシ付きモーターを考えてみましょう。スイッチが閉じた瞬間、ローターは静止しており、逆起電力はゼロで、巻線には約 10 A の電流が流れる可能性があります。ほんの数秒後、3,000 rpm 付近で動作すると、逆起電力は約 10.5 V まで上昇し、抵抗両端の電圧は 1.5 V、つまり約 1.25 A だけが残ります。始動電流と運転電流は異なる量であり、運転数値のみで設定された電源は始動のたびに電圧が低下します。

• フリーラン速度はシャフトに何も取り付けていない状態で測定されます。カタログページに記載されている速度は通常、定格負荷時の値であり、それよりも低い値です。
• Tolerances are real.無負荷速度のプラスまたはマイナス 10% の範囲は正常であり、完成したアプライアンスの空気の流れ、消費電流、騒音が変化します。
• Stall torque is a peak figure for a few seconds at most.これはヒューズのサイズを決めるのに役立ちますが、連続使用量を説明するのには役立ちません。

Where Brushed Motors Still Win in Appliance Design

電子機器を使用しない整流は特定の一連の利点をもたらしますが、それらはコスト重視の製品において依然として重要です。

• シャフト出力のワット当たりの単価が最も低く、特に 5 W ～ 150 W。
• 信頼性の高い始動トルク。モーターはコントローラーなしでゼロ速度から強く引っ張ります。
• 1 つの PWM ステージ、直列抵抗、または可変電源による速度制御。
• 2本のリードを入れ替えることで方向転換。
• バッテリー電圧が低下したときの正常な動作。

この組み合わせにより、デスクトップ冷却ファン、蒸発空気クーラー、小型ファン ヒーター、価格帯のキッチン換気扇、ウォーター ポンプ、および幅広い自動車アクセサリのリストにブラシ付きモーターが使用され続けます。

Appliance makers comparing drives for air movement usually evaluate both types before locking a design. Forced-convection coolers and desktop fans, for instance, now have DC alternatives that run at variable speed.

Brush Wear, Heat and Electrical Noise: The Honest Trade-offs

Brush life is the first thing to quantify, because it sets the maintenance promise you can make.家電製品グレードのモーターの小さなカーボン ブラシの寿命は、一般的に 500 ～ 2,000 稼働時間の間です。その範囲が広いのには十分な理由があります。ブラシの損失の多くは始動アークで発生するため、一日中始動および停止するモーターは、継続的に作動するモーターよりも早く磨耗します。

熱が2番目の問題です。 Losses appear in the copper, in the iron and at the brush face, and the rotor has the worst path to the outside air. Winding insulation class, not housing temperature, sets the real limit on continuous duty. 3 番目は電気ノイズです。ブラシ面のすべてのアークは小型の広帯域送信機です。そのため、ブラシ付きモーターは抑制コンデンサーまたはチョークがすでに取り付けられた状態で出荷されることがよくあります。

Specifying a Brushed Motor: A Practical Buyer's Checklist

2 つのサプライヤーが両方とも「12 V、3,000 rpm」と見積もっても、同じ機器内で異なる動作をするモーターを供給することができます。これは、一方の数字は無負荷での数字であり、もう一方の数字は特定のトルクでの数字であるためです。ロードポイントを書面で要求してください。

• 定格電圧にアプリケーションが実際に適用する範囲を加えたもの。
• 無負荷速度と無負荷電流。
• 意図した動作点での速度、トルク、電流。
• Stall torque, with a time limit for how long it may be held.
• 実際のデューティサイクルでのブラシ寿命目標を時間単位で設定します。
• Continuous or intermittent duty, and expected starts per hour.
• 絶縁クラスと最大巻線温度。
• Suppression components fitted, and the emission standard they satisfy.
• シャフトの直径、長さ、公差、さらにフランジとネジのパターン。
• 指定された距離における負荷点での音響ノイズ (dB(A))。
• 目的地の市場で必要な認証。

との連携にも役立ちます。 小型電気モーターのサプライヤー カタログ商品を出荷するだけでなく、図面やサンプルに合わせて構築することもできます。シャフトの長さ 2 ミリメートルやブラシのグレードの違いが、適合するモーターと適合しないモーターの違いとなることが多いためです。どのようにして 整流子とブラシのアセンブリ 実際の負荷下での動作は、図面を承認する前に確認する価値があります。

ブラシ付きかブラシレスか: 後悔しない選択

通常、決定は実際のパフォーマンスではなく、デューティ サイクルと制御要件によって決まります。

キッチンの換気はその変化を明確に示しています。レンジフードは長時間かつ不規則に稼働し、低速時の騒音で判断されるため、可変速 DC ドライブがその市場でシェアを拡大しています。