Komütatörlü fırçalı DC motorların çalışma prensibi ve tasarım zorunlulukları

Fırçalı doğru akım motorunun tanımı ve tarihsel yeri

Fırçalı elektrik motoru, bir doğru akım (DC) güç kaynağından çalıştırılmak üzere tasarlanmış, dahili değiştireçli (komütatörlü) 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. Bu motorların hızı, çalışma voltajını ya da 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 motorda torkun oluşumu

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 onun 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.

Sıfır tork konumu ve başlatma sorunu

Basit iki kutuplu tasarımda iki temel sorun ortaya çıkar. Birincisi, bobinin düzlemi manyetik alana paralel olduğunda — yani rotor kupları stator kuplarından 90 derece olduğunda — trank sıfır olur. Motor bu konumda başlayamaz; ancak bir kez başladıktan sonra bu pozisyonda momentumla dönmeye devam edecektir.

İkinci sorun, sıfır tork konumunda her iki komütatör fırçasının her iki komütatör plakasına da temas ederek köprü oluşturması ve kısa devreye neden olmasıdır. Elektrik kabloları komütatör levhaları aracılığıyla birbirine kısa devre yapar; bobin de her iki fırça aracılığıyla kısa devre edilir. Bu kısa devre herhangi bir hareket üretmeden gereksiz biçimde güç tüketir. 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 metalik ise fırçaların komütatöre kaynaklanmasına neden olabilir. Sık kullanılan karbon fırçalar kaynak yapmaz.

Kısa devrenin basit çözümü ve dezavantajları

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. Aynı zamanda, sıfır torklu (temassız komütatör) açı aralığında bir konumda durarak etkili biçimde kapatılabilir. Bu tasarım bazen evde yapılmış hobi motorlarında görülür; bilim fuarları için ve 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 torkunun darbeli olmasıdır. Bu elektrikli fanlar için veya bir volanın dönmesini sağlamak için işe yarayabilir; ancak başlatmanın ve durdurmanın gerekli olmadığı ya da tamamen yetersiz olduğu birçok uygulamada uygun değildir. Örneğin bir teyp taşımacılığının ırgatını sürmek veya sık sık ve hızlı biçimde hızlanıp yavaşlamak gerektiren durumlar buna örnek verilebilir. 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, özellikle tüm konumlardan kendi kendine başlamaması nedeniyle bu tasarım pratik değildir.

Kutup sayısının artırılması

Basit motordan farklı olarak DC motorlar genellikle ikiden fazla kupulu olarak tasarlanmıştır; böylece herhangi bir konumdan başlabilir ve akımın akabileceği, elektromotor güç üretmeden boşuna akan herhangi bir konuma sahip değildir. Oyuncaklarda ve küçük tüketici cihazlarında kullanılan birçok yaygın küçük fırçalı DC motor, bulunabilecek en basit seri üretilen DC motorlar olup üç kupulu armatürlere sahiptir. Fırçalar artık iki bitişik komütatör segmentini kısa devreye neden olmadan köprüleyebilir; bu üç kupulu armatürler ayrıca fırçalardan gelen akımın seri olarak iki bobinden veya sadece bir bobinden akması avantajına sahiptir. Tek bir bobindeki akım nominal değerinin yarısında başlayarak 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 her bir bobindeki akımın bir kare dalgaya daha yakın olduğu iki kupulu motordan daha eşit bir tork üretir. Akım değişiklikleri karşılaştırılabilir iki kupulu bir motorun yarısı kadar olduğundan, fırçalardaki arklar sonuc olarak daha azdır.

Karşı elektromotor kuvveti (geri EMF)

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 ya da geri EMF olarak bilinen bir voltaj üretir. Arka EMF, serbest hareket halindeyken motorun sargısında bulunan tel ile aynı düşük elektrik direncine sahip görünmemesinin nedenidir. Bir motordaki toplam voltaj düşüşü, CEMF voltaj düşüşünden ve armatürün sargılarının iç direncinden kaynaklanan parazitik voltaj düşüşünden oluşur. Motor tarafından geçen akım Vuygulananın VElektromotorkuvveti’nin Renduvi farkı olarak; üretilen mekanik güç ise I ile karşı elektromotor kuvvetinin çarpımı olarak verilir. Yüksüz bir DC motor dönerken motora uygulanan gerilime 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.

Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.