Fırçalı doğru akım motoru

Fırçalı elektrik motoru, bir doğru akım (DC) güç kaynağından çalıştırılmak üzere tasarlanmış, dahili değiştireçli bir elektrik motorudur. DC dağıtım sistemleri, ticari ve endüstriyel binalarda motorları çalıştırmak için 100 yıldan fazla bir süredir kullanmaktadır. Fırçalı motorlar, elektrik gücünün mekanik enerjiyi sürmek için ticari açıdan önemli ilk uygulamasıdır. Fırçalı DC motorların hızı, çalışma voltajını ve ya manyetik alanın gücünü değiştirerek değiştirilebilir. Fırçalı motorlar, elektrikli tahrik, vinçler, kağıt makineleri ve çelik haddehaneleri için kullanılmaya devam ediyor. Fırçalar yıprandığından ve değiştirilmesi gerektiğinden, güç elektroniği cihazları kullanan fırçasız motorlar, birçok uygulamada fırçalı motorların yerini almıştır.

Basit iki kutuplu Doğru akım motoru 
Aşağıdaki grafikler basit, iki kutuplu, fırçalı bir DC motoru göstermektedir.

Harici bir manyetik alan içinde yer alan yumuşak bir demir çekirdeğin etrafına sarılmış bobinden bir akım geçtiğinde, pozitif kutbun tarafına yukarı doğru bir kuvvet uygulanırken, diğer taraf aşağı doğru bir kuvvet tarafından etki edilir. Fleming'in sol el kuralına göre, kuvvetler bobin üzerinde dönme etkisi yaratarak dönmesine neden olur. Motorun sabit bir yönde dönmesini sağlamak için, "Doğru akım" komütatörleri, her yarım döngüde (iki kutuplu bir motorda) akımı ters yönde çevirir, böylece motorun aynı yönde dönmeye devam etmesine neden olur.

Yukarıda gösterilen motorla ilgili bir sorun, bobinin düzlemi manyetik alana paralel olduğunda - yani. rotor kutupları stator kutuplarından 90 derece olduğunda - tork sıfır olur. Yukarıdaki resimlerde, bu, bobinin çekirdeği yatay olduğunda meydana gelir - sağdaki ikinci ila son resimde ulaşmak üzere olduğu konum. Motor bu konumda başlayamaz. Ancak, bir kez başladıktan sonra, bu pozisyonda momentumla dönmeye devam edecekti.

İkinci bir sorun basit kutup tasarımı ile ilgili vardır. Sıfır tork konumunda, her iki komütatör fırçası her iki komütatör plakasına da temas eder (köprü oluşturur) ve bu da kısa devreye neden olur. Elektik kabloları, komütatör levhaları aracılığıyla birbirine kısa devre yapar. Bobin ayrıca her iki fırça aracılığıyla da kısa devre edilir (bobin, her bir fırçadan bağımsız olarak bir kez olmak üzere iki kez kısa devre yapar. Bu sorunun, yukarıdaki başlatılamayan sorundan bağımsız olduğunu unutmayın; Bobinde bu konumda yüksek bir akım olsa bile, yine de sıfır tork olacaktır. Buradaki sorun, bu kısa devre herhangi bir hareket (hatta herhangi bir bobin akımı) üretmeden gereksiz bir şekilde güç tüketmesidir. Düşük akımlı pille çalışan bir gösteride, bu kısa devre genellikle zararlı olarak kabul edilmez. Bununla birlikte, iki kutuplu bir motor birkaç yüz watt güç çıkışı ile fiili iş yapmak üzere tasarlandıysa, bu kısa devre, komütatörün ciddi şekilde aşırı ısınmasına, fırça hasarına ve fırçaların - metalik iseler - komütatöre kaynaklanmasına neden olabilir.Sık kullanılan karbon fırçalar kaynak yapmaz. Her durumda, bunun gibi bir kısa devre çok israftır, pilleri hızlı bir şekilde boşaltır ve en azından, kısa devre olmadan motoru çalıştırmak için gerekenden çok daha yüksek standartlarda güç kaynağı bileşenlerinin tasarlanmasını gerektirir.

Basit bir çözüm, komütatör plakaları arasına fırçaların uçlarından daha geniş bir boşluk koymaktır. Bu, açısal konumların sıfır tork aralığını artırır, ancak kısa devre problemini ortadan kaldırır motor bir dış kuvvet tarafından dönmeye başlarsa, dönmeye devam edecektir.Bu değişiklikle  aynı zamanda, sıfır torklu (yani temassız komütatör) açı aralığında bir konumda durarak (durdurarak) etkili bir şekilde kapatılabilir Bu tasarım bazen evde yapılmış hobi motorlarında görülür, örn. Bilim fuarları için ve bu tür tasarımlar bazı yayınlanmış bilim proje kitaplarında bulunabilir.Bu basit çözümün açık bir dezavantajı, motorun artık devir başına iki kez önemli bir dönme yayı boyunca yanaşması ve torkun darbeli olmasıdır.Bu, elektrikli fanlar için veya bir volanın dönmesini sağlamak için işe yarayabilir ancak başlatmanın ve durdurmanın gerekli olmadığı ve tamamen yetersiz olduğu birçok uygulama vardır.Örneğin, bir teyp taşımacılığının ırgatını sürmek veya sık sık ve hızlı bir şekilde hızlanıp yavaşlayacağınız herhangi bir durumda bir gerekliliktir.Diğer bir dezavantaj, bobinlerin bir öz indüktans ölçüsüne sahip olması nedeniyle, içlerinde akan akımın aniden durmamasıdır. Akım, komütatör segmenti ile fırça arasındaki açıklık boşluğunu atlamaya çalışır ve bu da ark oluşumuna neden olur.Fanlar ve volanlar için bile, bu tasarımda kalan açık zayıflıklar - özellikle tüm konumlardan kendi kendine başlamaması - özellikle var olan daha iyi alternatifler göz önüne alındığında, çalışma kullanımı için pratik değildir.. Yukarıdaki örnek motordan farklı olarak DC motorlar genellikle ikiden fazla kutuplu olarak tasarlanmıştır, herhangi bir konumdan başlayabilir ve bir bobinden geçerek elektromotor güç üretmeden akımın akabileceği herhangi bir konuma sahip değildir.Oyuncaklarda ve küçük tüketici cihazlarında kullanılan birçok yaygın küçük fırçalı DC motor, bulunabilecek en basit seri üretilen DC motorlar, üç kutuplu armatürlere sahiptir.Fırçalar artık iki bitişik komütatör segmentini kısa devreye neden olmadan köprüleyebilir.. Bu üç kutuplu armatürler ayrıca fırçalardan gelen akımın seri olarak iki bobinden veya sadece bir bobinden akması avantajına sahiptir. Tek bir bobindeki akımın nominal değerinin yarısında başlayarak (seri olarak iki bobinden geçmesi sonucu), nominal değerine yükselir ve sonra bu değerin yarısına düşer. Sıra daha sonra ters yönde akımla devam eder

Bu, ideal sinüzoidal bobin akımına daha yakın bir kademeli yaklaşımla sonuçlanır ve sonuçta her bir bobindeki akımın bir kare dalgaya daha yakın olduğu iki kutuplu motordan daha eşit bir tork üretir.Akım değişiklikleri, karşılaştırılabilir iki kutuplu bir motorun yarısı kadar olduğundan, fırçalardaki arklar sonuç olarak daha azdır.

Bir DC motorun şaftı harici bir kuvvet tarafından döndürülürse, motor bir jeneratör gibi davranacak ve bir Elektromotor kuvveti (EMF) üretecektir.Normal çalışma sırasında, motorun dönüşü, motora uygulanan gerilime karşı olduğu için karşı EMF (EMF) veya geri EMF olarak bilinen bir voltaj üretir.Arka EMF, serbest hareket halindeyken motorun sargısında bulunan tel ile aynı düşük elektrik direncine sahip görünmemesinin nedenidir.Bu, motor bir jeneratör olarak kullanıldığında (örneğin bir ampul gibi bir elektrik yükü, motorun terminallerine yerleştirildiğinde ve motor şaftı harici bir torkla çalıştırıldığında) üretilen EMF ile aynıdır.Bu nedenle, bir motordaki toplam voltaj düşüşü, CEMF(Karşı elektromotor kuvveti) voltaj düşüşünden ve armatürün sargılarının iç direncinden kaynaklanan parazitik voltaj düşüşünden oluşur.Bir motordan geçen akım aşağıdaki denklemde verilir:

Motor tarafından üretilen mekanik güç şu şekilde verilir:

Yüksüz bir DC motor dönerken, motora uygulanan akıma direnç gösteren geriye doğru akan bir elektromotor kuvveti üretir.Dönme hızı arttıkça motordan geçen akım düşer ve serbest dönen bir motor çok az akıma sahiptir.Sadece motora bir yük uygulandığında rotoru yavaşlatır, motordan çekilen akım artar.

Elektrik motorları