Bagaimana Cara Kerja Motor yang Disikat? Penjelasan Komutator, Kuas, dan Torsi

Bagaimana Cara Kerja Motor yang Disikat? Di dalam Kuas, Komutator, dan Kurva Torsi

Dua blok karbon, cincin tembaga tersegmentasi dan gulungan kawat pada poros. Itu adalah keseluruhan sistem kendali motor yang disikat, dan ini menjelaskan mengapa desainnya murah, sedikit berisik, dan masih berfungsi di peralatan beberapa dekade setelah pertama kali muncul.

Hubungkan suplai 12 V ke motor sikat kecil dan poros berputar. Tukar kedua kabel dan ternyata sebaliknya. Tidak ada pengontrol, tidak ada sensor posisi, dan tidak ada firmware dalam loop tersebut, karena peralihan yang membuat poros tetap berputar terjadi pada kontak geser di dalam motor itu sendiri. Setelah kontak tersebut masuk akal, angka-angka pada lembar data motor yang disikat tidak lagi tampak seperti daftar dan mulai terlihat seperti satu mekanisme.

Jawaban Singkat: Arus Kumparan Berbalik Saat Berputar

A motor yang disikat memiliki dua bagian magnet dan satu saklar berputar. Medannya stasioner, dihasilkan oleh magnet permanen di dalam rumahan atau oleh belitan medan terpisah. Kumparan yang bekerja berada di jangkar, dililitkan di sekitar inti besi yang dipasang pada poros dan bebas berputar.

Arus searah mencapai kumparan tersebut melalui sikat. Setiap sikat menekan komutator, sebuah silinder dari segmen tembaga berinsulasi. Arus masuk melalui sikat positif, melintasi segmen di bawahnya, mengalir melalui satu kumparan jangkar, dan keluar melalui segmen dan sikat yang berlawanan. Karena kumparan tersebut sekarang membawa arus di dalam medan magnet, masing-masing sisinya merasakan gaya yang tegak lurus terhadap medan dan arus, dan kedua gaya tersebut bekerja pada sisi berlawanan dari poros. Armature berputar.

Tangkapannya adalah kumparan dengan arus tetap akan berayun sejajar dengan medan dan berhenti di situ. Komutator mencegahnya. Saat jangkar berputar, setiap sikat bergeser dari satu segmen ke segmen berikutnya, membalikkan arus dalam kumparan saat melintasi bidang netral. Polaritas kumparan terbalik, sehingga gaya terus mendorong rotor dengan arah yang sama. Untuk setiap kumparan, pembalikan tersebut terjadi dua kali per putaran, dan waktunya ditentukan oleh geometri saja: lebar segmen, lebar sikat, dan posisi sikat.

Referensi cepat: kecepatan tanpa beban meningkat kira-kira sebanding dengan tegangan suplai, dan torsi poros meningkat kira-kira sebanding dengan arus. Itulah sebabnya motor kipas yang disikat dapat dikontrol kecepatannya dengan tahap PWM sederhana atau suplai variabel, tanpa umpan balik posisi di mana pun dalam loop.

Apa yang Dilakukan Setiap Bagian, dan Gejala Mana yang Menunjukkannya

Ketika motor yang disikat berkinerja buruk, kesalahan biasanya terjadi di salah satu dari lima tempat, dan masing-masing meninggalkan sidik jari yang berbeda.

Komponen berperan dalam motor yang disikat, dengan gejala yang paling sering ditelusuri kembali ke setiap bagiannya.
Bagian	Apa fungsinya	Gejala khas saat menurun
bidang stator	Memegang medan magnet tetap yang didorong oleh jangkar	Torsi rendah di setiap kecepatan, performa lemah setelah panas berlebih
Gulungan jangkar	Membawa arus yang menghasilkan torsi	Pengoperasian tidak merata, bau insulasi terbakar, kegagalan sekring berulang kali
Komutator	Sakelar berputar yang membalikkan arus kumparan setiap setengah putaran	Percikan api yang kuat, bagian yang menghitam atau tergores, kecepatannya berfluktuasi
kuas	Umpankan arus dari rangkaian stasioner ke komutator yang berputar	Masa pakai sikat yang pendek, penghentian yang terputus-putus, lengkungan yang terlihat
Bantalan dan penutup ujung	Jaga agar poros tetap sejajar sehingga celah udara tetap rata	Kebisingan, getaran, tarikan arus yang naik perlahan

Permukaan kontak sama pentingnya dengan bagian itu sendiri. Lapisan tipis, rata, dan gelap pada komutator terus melengkung rendah; tembaga kering cerah biasanya berarti tingkat sikat terlalu abrasif, atau motor berjalan terlalu pelan dalam jangka waktu lama.

Mengapa Arus Berbalik Dua Kali per Revolusi

Arus suplai masuk melalui sikat positif dan masuk ke segmen komutator yang menyentuhnya.
Segmen tersebut mengalirkan arus melalui satu kumparan jangkar, yang menjadi elektromagnet dengan ujung utara dan selatan.
Ujung utaranya ditolak oleh kutub utara stator dan tertarik ke kutub selatan stator, sehingga jangkar berputar.
Pada bidang netral, sikat melintasi celah terisolasi antar segmen, dan arus ke kumparan tersebut dipotong sebentar.
Segmen berikutnya mengambil alih, dan arah arus melalui kumparan sekarang dibalik.
Kutub-kutub kumparan telah bertukar, sehingga gaya terus mendorong ke arah putaran yang sama alih-alih mengerem poros.

Motor yang disikat adalah saklar berputar dengan magnet yang dibaut di sekelilingnya. Debu sikat, masa pakai sikat, kebisingan frekuensi radio, dan kecepatan tertinggi yang praktis semuanya berasal dari sakelar itu, begitu pula harganya yang murah.

Langkah keempat adalah tempat upaya rekayasa dilakukan. Selama gangguan singkat, induktansi kumparan mencoba untuk menjaga arus tetap mengalir, dan energi tersebut harus pergi ke suatu tempat: busur kecil di permukaan sikat, sedikit panas, atau lonjakan tegangan yang diserap oleh kapasitor penekan. Tingkatan kuas, tekanan pegas, dan jarak segmen dipilih untuk menjaga busur cukup kecil untuk bertahan ribuan jam.

Kecepatan, Torsi dan EMF Belakang: Membaca Angka dengan Benar

Kumparan yang berputar di dalam medan magnet juga merupakan generator. Tegangan yang dihasilkannya berlawanan dengan suplai dan disebut EMF balik, dan tegangan tersebut bertambah seiring dengan kecepatan. Aritmatikanya mudah dilihat.

Ambil motor sikat 12 V dengan resistansi jangkar 1,2 ohm. Pada saat saklar ditutup, rotor tidak bergerak, EMF balik adalah nol dan belitan dapat menarik sekitar 10 A. Sepersekian detik kemudian, berjalan mendekati 3.000 rpm, EMF balik mungkin telah meningkat menjadi kira-kira 10,5 V, hanya menyisakan 1,5 V pada resistansi, atau sekitar 1,25 A. Arus start dan arus berjalan mempunyai jumlah yang berbeda, dan suplai yang diukur pada angka berjalan saja akan berwarna coklat pada setiap start.

Kecepatan lari bebas diukur tanpa benda apa pun pada porosnya; kecepatan yang dikutip pada halaman katalog biasanya merupakan nilai pada beban terukur, yang lebih rendah.
Toleransi itu nyata. Jendela plus atau minus 10 persen pada kecepatan tanpa beban adalah normal, dan ini mengubah aliran udara, penarikan arus, dan kebisingan pada peralatan yang sudah jadi.
Stall torque adalah angka puncak paling lama beberapa detik. Ini berguna untuk mengukur sekring, bukan untuk menjelaskan tugas berkelanjutan.

Dimana Motor Brushed Masih Menang dalam Desain Peralatan

Pergantian bebas elektronik memberikan serangkaian keuntungan tertentu, dan hal tersebut tetap penting dalam produk yang sensitif terhadap biaya:

Biaya unit terendah per watt daya poros, khususnya antara 5 W dan 150 W.
Torsi awal yang andal; motor menarik dengan kuat dari kecepatan nol tanpa pengontrol.
Kontrol kecepatan dengan satu tahap PWM, resistor seri atau suplai variabel.
Perubahan arah dengan menukar dua lead.
Perilaku anggun saat tegangan baterai melorot.

Kombinasi tersebut menjadikan motor sikat tetap ada di kipas pendingin desktop, pendingin udara evaporatif, pemanas kipas kecil, ekstraktor dapur dengan kisaran nilai, pompa air, dan daftar panjang aksesori otomotif.

Pembuat peralatan yang membandingkan penggerak untuk pergerakan udara biasanya mengevaluasi kedua jenis tersebut sebelum mengunci suatu desain. Pendingin konveksi paksa dan kipas desktop, misalnya, kini memiliki alternatif DC yang beroperasi pada kecepatan bervariasi.

Keausan Sikat, Panas, dan Kebisingan Listrik: Pengorbanan yang Jujur

Masa pakai sikat adalah hal pertama yang harus diukur, karena menentukan janji pemeliharaan yang dapat Anda buat. Sikat karbon kecil pada motor kelas peralatan biasanya bertahan antara 500 dan 2.000 jam kerja, dan jangkauannya luas karena alasan yang baik: motor yang hidup dan mati sepanjang hari akan lebih cepat aus dibandingkan motor yang berjalan terus menerus, karena sebagian besar kehilangan sikat terjadi pada busur awal.

Panas adalah masalah kedua. Kerugian muncul pada tembaga, pada besi dan pada permukaan sikat, dan rotor memiliki jalur terburuk menuju udara luar. Kelas insulasi belitan, bukan suhu wadah, yang menetapkan batas nyata pada tugas berkelanjutan. Kebisingan listrik adalah yang ketiga: setiap busur pada permukaan sikat adalah pemancar broadband kecil, itulah sebabnya motor yang disikat sering kali dikirimkan dengan kapasitor penekan atau tersedak yang sudah dipasang.

Tanda-tanda peringatan: arus tanpa beban yang meningkat, bau ozon yang samar, kecepatan yang tidak merata di bawah beban tetap, atau debu abu-abu gelap di sekitar tutup ujung, semuanya menunjukkan bahwa sikat sudah mendekati akhir masa pakainya. Pemeriksaan arus tanpa beban di jalur produksi menangkap sebagian besar dari mereka sebelum pelanggan melakukannya.

Menentukan Motor yang Disikat: Daftar Periksa Pembeli yang Praktis

Dua pemasok dapat mengutip "12 V, 3.000 rpm" dan tetap mengirimkan motor yang berperilaku berbeda pada peralatan yang sama, karena satu angka dikutip pada tanpa beban dan angka lainnya pada torsi tertentu. Mintalah titik muat secara tertulis.

Tegangan terukur, ditambah rentang yang benar-benar dilihat oleh aplikasi.
Kecepatan tanpa beban dan arus tanpa beban.
Kecepatan, torsi dan arus pada titik operasi yang diinginkan.
Torsi terhenti, dengan batasan waktu berapa lama torsi dapat ditahan.
Sikat target hidup dalam hitungan jam pada siklus tugas Anda yang sebenarnya.
Tugas berkelanjutan atau terputus-putus, dan perkiraan permulaan per jam.
Kelas isolasi dan suhu belitan maksimum.
Komponen penekan dipasang, dan standar emisi yang dipenuhinya.
Diameter poros, panjang dan toleransi, ditambah pola flensa dan sekrup.
Kebisingan akustik dalam dB(A) pada titik beban, pada jarak yang ditentukan.
Sertifikasi diperlukan di pasar tujuan.

Ini juga membantu untuk bekerja dengan a pemasok motor listrik kecil yang dibuat berdasarkan gambar atau sampel, bukan hanya mengirimkan item katalog, karena panjang poros dua milimeter atau tingkat kuas yang berbeda sering kali menjadi perbedaan antara motor yang cocok dan yang tidak. Bagaimana rakitan komutator dan sikat berperilaku di bawah beban nyata perlu ditinjau ulang sebelum gambar ditandatangani.

Praktik yang baik: sebelum menyetujui sampel, jalankan sampel selama 100 jam pada beban dan siklus kerja yang benar-benar terlihat oleh alat, lalu buka tutup ujung dan ukur sikat lagi. Kurva keausan menunjukkan lebih dari spesifikasi apa pun.

Disikat atau Tanpa Sikat: Memilih Tanpa Penyesalan

Keputusan biasanya ditentukan oleh siklus tugas dan persyaratan pengendalian, bukan kinerja mentah.

Tampilan berdampingan dari motor yang disikat dan dikomutasi secara elektronik untuk penggerak peralatan kecil.
Pertimbangan	Motor yang disikat	Motor tanpa sikat (diganti secara elektronik).
Biaya satuan	Lebih rendah; tidak diperlukan perangkat elektronik	Lebih tinggi; drive elektronik disertakan
Kontrol kecepatan	Tegangan atau PWM, loop terbuka	Lingkaran tertutup, jangkauan lebar dan akurat
Kehidupan pelayanan	Dibatasi oleh keausan sikat dan komutator	Dibatasi terutama oleh bantalan
Kebisingan dan getaran	Gesekan sikat dan riak pergantian	Lebih halus dan senyap pada kecepatan rendah
Kebisingan listrik	Penindasan biasanya diperlukan	Rendah, dihasilkan oleh drive saja
Paling cocok	Tugas terputus-putus, anggaran ketat, torsi awal tinggi	Jam kerja yang panjang, kecepatan variabel, label energi

Ventilasi dapur menunjukkan perubahan dengan jelas: range hood beroperasi dalam jangka waktu yang lama dan tidak teratur serta dinilai berdasarkan kebisingan pada kecepatan rendah, sehingga penggerak DC kecepatan variabel telah mengambil pangsa pasar yang semakin besar.

Intinya

Motor yang disikat bekerja karena komutator membalikkan arus di setiap kumparan jangkar tepat pada saat kumparan tersebut akan sejajar dan berhenti. Magnet menyuplai medan, sikat menyuplai arus, dan geometri segmen menentukan pengaturan waktu. Umur sikat, busur api, panas, dan kecepatan tertinggi adalah konsekuensi dari pemindahan sakelar itu ke bagian luar rotor.

Bagi pembeli, terjemahannya singkat. Kutip poin pengoperasiannya, bukan hanya labelnya; mengukur pasokan untuk arus start; dan rencanakan penggantian sikat atau peningkatan tanpa sikat di mana pun jam kerja meningkat. Lakukan itu, dan motor yang disikat menjadi salah satu komponen yang paling mudah diprediksi dalam daftar bahan baku.