موتورهای کوچک جریان مستقیم (DC) با استفاده از نیروهای الکترومغناطیسی، برق جریان مستقیم را به حرکت مکانیکی دقیق تبدیل می‌کنند. در واقع این اتفاق می‌افتد: هنگامی که جریان از طریق آرمیچر داخل موتور عبور می‌کند، با یک میدان مغناطیسی روبرو می‌شود و همین امر باعث ایجاد حرکت چرخشی می‌شود که همه ما به خوبی می‌شناسیم و دوست داریم. این موتورهای کوچک قدرتمند در شرایطی که فضا مهم است و گشتاور باید دقیقاً مناسب باشد، عملکرد بسیار خوبی دارند؛ همین موضوع است که توضیح می‌دهد چرا در همه جا از گوشی‌های هوشمند تا پمپ‌های ریز در تجهیزات بیمارستانی دیده می‌شوند. بررسی اخیر سیستم‌های حرکت صنعتی در اوایل سال ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که این موتورها در حالت کار با بار کم می‌توانند به بازدهی حدود ۹۰٪ دست یابند، عمدتاً به این دلیل که اصطکاک بسیار کمی در مقابل حرکت در بارهای سبک وجود دارد.
چهار جزء اساسی عملکرد یک موتور کوچک جریان مستقیم (DC) را تعیین می‌کنند:
برخلاف موتورهای بزرگتر، انواع کوچک‌مقیاس موتورهای جریان مستقیم (DC) از مواد سبک‌وزنی مانند آهنرباهای نئودیمیوم و جاروبک‌های کربنی برای دوام بیشتر استفاده می‌کنند. همان‌طور که در راهنمای مهندسی موتور تاکید شده است، این اجزا به‌منظور کاهش اتلاف حرارت بهینه‌سازی شده‌اند و امکان کارکرد مداوم در فضاهای محدود را فراهم می‌کنند.
در مورد موتورهای کوچک جریان مستقیم (DC)، معمولاً تمرکز بیشتری بر قرار دادن توان در فضاهای محدود صرف می‌شود تا تولید گشتاور بسیار زیاد. به عنوان مثال، یک موتور استاندارد ۱۲ ولت با توانی حدود ۳ تا ۵۰ وات، این موتورهای کوچک معمولاً با سرعتی در حدود ۱۵ تا ۲۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند. در مقایسه با موتورهای صنعتی که می‌توانند توان بسیار بیشتری را تحمل کنند، اغلب بیش از ۱ کیلووات، اما نیازمند سیستم‌های خنک‌کننده بزرگی هستند تا از داغ شدن بیش از حد جلوگیری شود. چیزی که موتورهای کوچک را بسیار مفید می‌کند، ماهیت فشرده آنهاست. آنها نیازی به قطعات اضافی مانند پره‌های خارجی ندارند که موتورهای بزرگتر نیاز دارند، به همین دلیل مهندسان دوست دارند آنها را در انواع تجهیزاتی که فضا مهم است استفاده کنند. طبق تحقیقاتی که سال گذشته در یک مجله الکترومکانیکی منتشر شده، این موتورهای کوچک تقریباً ۴۰ درصد بی‌صدا نسبت به نمونه‌های بزرگتر خود کار می‌کنند. این عملکرد بی‌صدا در کاربردهایی مانند دستگاه‌های بیمارستانی یا وسایل الکترونیکی مصرفی بسیار مهم است، جایی که هیچ‌کس نمی‌خواهد صدای وزوز آزاردهنده‌ای از دستگاه‌هایشان به گوش برسد.
موتورهای کوچک جریان مستقیم با تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت فیزیکی، بر اساس نیروهای لورنتس کار می‌کنند. در حالت ساده، هنگامی که جریان الکتریکی از سیم‌های مسی داخل موتور (که به آنها پیچش‌های آرمیچر می‌گوییم) عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. این میدان سپس با آهنرباهای دائمی متصل به بدنه خارجی موتور تعامل دارد. آنچه در ادامه اتفاق می‌افتد بسیار جالب است — میدان‌های مغناطیسی به یکدیگر فشار وارد می‌کنند و گشتاوری تولید می‌کنند که محور موتور را در جهتی عمود بر جهت جریان الکتریکی و خطوط میدان مغناطیسی به چرخش درمی‌آورد. برای اینکه چرخش به طور یکنواخت ادامه یابد، جریان الکتریکی از طریق قطعه‌های کربنی به نام جاروبک‌ها به یک بخش معروف به کموتاتور منتقل می‌شود. این قطعه، جریان را به بخش‌های مختلف پیچش آرمیچر هدایت می‌کند تا موتور به جای متوقف شدن پس از یک دور کامل، به طور مداوم بچرخد.
سیستم کموتاتور-جاروبک دو عملکرد حیاتی انجام می‌دهد:
بدون این تعویض همزمان، موتورهای کوچک مستقیم‌الجریان پس از یک چرخش جزئی متوقف می‌شوند. تحقیقات اخیر در زمینه الکترودینامیک نشان می‌دهد طراحی‌های بهینه‌شده کموتاتور باعث کاهش ۴۰ درصدی قوس الکتریکی شده و عمر جاروبک در کاربردهای ۱۲ ولتی را افزایش می‌دهند.
روابط کلیدی عملکرد موتورهای کوچک مستقیم‌الجریان را تعیین می‌کنند:
| پارامتر | تأثیر بر عملکرد | ملاحظات طراحی |
|---|---|---|
| ولتاژ (۶ تا ۲۴ ولت) | به طور مستقیم با سرعت بی‌بار متناسب است | محدودیت‌های حرارتی در ولتاژهای بالاتر |
| جریان | خروجی گشتاور را تعیین می‌کند (T = kΦI) | کالیبر سیم و جنس قطعه‌ی جاروبک |
| فلو مغناطیسی | هم بر گشتاور و هم بر نیروی محرکه معکوس (back EMF) تأثیر می‌گذارد | انتخاب درجه آهنربا |
موتورهای کوچک بدون خاموت DC می‌توانند به سرعتی بیش از ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه با حداقل لرزش دست یابند، در حالی که گیربکس‌های سیاره‌ای سرعت را در ازای افزایش ۱۵ برابری گشتاور فدا می‌کنند. طراحی‌های کارآمد بیش از ۸۰٪ تبدیل انرژی را در محدوده عملیاتی خود حفظ می‌کنند.
موتورهای جریان مستقیم کوچک با استفاده از جاروبک‌های کربنی و کموتاتورها، اتصالات الکتریکی را برقرار می‌کنند. این موتورها در نگاه اول بسیار ساده و ارزان به نظر می‌رسند، به همین دلیل در دستگاه‌هایی مانند ماشین‌های لباس‌شویی و دستگاه‌های توزیع خودکار نوشیدنی و ساندویچ که همه‌جا دیده می‌شوند، استفاده می‌شوند. اما یک مشکل وجود دارد. جاروبک‌ها تمایل دارند در طول زمان ساییده شوند، بنابراین این موتورها نیاز به بازرسی منظم و قطعات تعویضی دارند. این موضوع به شدت بر طول عمر آنها قبل از خرابی کامل تأثیر می‌گذارد. در مقابل، موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک یا همان BLDC، با حذف تمام این قطعات مکانیکی از طریق کموتاسیون الکترونیکی کار می‌کنند. عدم وجود اصطکاک به معنای کارایی بسیار بالاتر در این موتورهاست که گاهی به حدود ۹۰٪ کارایی می‌رسد. تولیدکنندگان تجهیزات پزشکی از این موتورها استقبال می‌کنند، چرا که قادرند هزاران ساعت بدون وقفه کار کنند و معیوب نشوند. برخی از واحدها شناخته شده‌اند که به مرز ۱۰٫۰۰۰ ساعت رسیده‌اند و هنوز عملکرد مناسبی دارند.
ادغام چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای یا دندانه‌دار با موتورهای کوچک DC، گشتاور خروجی را افزایش می‌دهد در حالی که ابعاد فشرده حفظ می‌شود. گیربокس‌موتورهایی که تا 2.5 نیوتن‌متر گشتاور تحویل می‌دهند، برای تنظیم‌کننده‌های پنجره خودرو، عملگرهای صنعتی و رباتیک مناسب هستند که در آن حرکت با نیروی بالا در فضای محدود امری حیاتی است.
طراحی‌های بدون هسته، هسته آهنی را از روتور حذف می‌کنند و بی‌حرکتی را تا 50٪ کاهش داده و چرخه‌های سریع روشن/خاموش را در پهپادها و اندام‌های مصنوعی ممکن می‌سازند. موتورهای سبک پنکیکی با آرمیچرهای تخت ضخامتی کمتر از 15 میلی‌متر دارند و امکان استفاده در دستگاه‌های قابل پوشیدن و سنسورهای کوچک را فراهم می‌کنند.
هنگام کار با موتورهای کوچک جریان مستقیم (DC)، باید ولتاژ آنها با منبع تغذیه‌ای که به آن متصل می‌شوند، سازگار باشد. اکثر مدل‌های تجاری در محدوده ۶ تا ۲۴ ولت بهترین عملکرد را دارند. اگر ولتاژ بیش از حدی از این موتورها عبور دهیم، به سرعت دچار اضافه گرمایی می‌شوند. از سوی دیگر، کارکرد آنها در ولتاژ پایین‌تر از حداقل مقدار مشخص‌شده باعث ضعیف شدن عملکرد می‌شود، زیرا نمی‌توانند گشتاور کافی تولید کنند. مقدار جریانی که موتور مصرف می‌کند به طور مستقیم به میزان بار واردشده به آن بستگی دارد. بارهای بزرگتر به معنای عبور جریان بیشتر از سیستم هستند که به طور طبیعی مصرف انرژی و تولید گرما را افزایش می‌دهند. برای روشن شدن موضوع به چند عدد توجه کنید: یک موتور استاندارد ۱۲ ولتی که حدود ۱٫۶ آمپر جریان مصرف می‌کند، توان خروجی تقریبی ۱۹٫۲ وات دارد. درک این مشخصات به مهندسان کمک می‌کند تا موتور مناسبی را برای کار مورد نظر انتخاب کنند. یک موتور کوچک ممکن است برای ابزارهای ساده یا اسباب‌بازی‌ها مناسب باشد، اما برای تجهیزات کارخانه‌ای که نیاز به کارکرد مداوم دارند، موتوری بزرگتر لازم است.
بازده موتورهای کوچک جریان مستقیم عموماً بین ۷۰ تا ۹۰ درصد است، هرچند این مقدار می‌تواند بسته به عوامل مختلفی از جمله اصطکاک درون موتور، مقاومت سیم‌پیچ‌ها و تلفات ناشی از میدان‌های مغناطیسی متفاوت باشد. هنگامی که این موتورها به‌صورت مداوم در دمایی بالاتر از ۶۰ درجه سانتی‌گراد (حدود ۱۴۰ فارنهایت) کار می‌کنند، خطر واقعی خرابی عایق یا از دست دادن قدرت آهنرباهای دائمی وجود دارد. مدیریت مناسب حرارت در اینجا نقش تعیین‌کننده‌ای دارد. مواردی مانند پوسته‌های طراحی‌شده به‌خصوص که به پراکندگی گرما کمک می‌کنند یا صرفاً بهبود جریان هوا در اطراف موتور می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی عمر مفید آن را قبل از نیاز به تعویض افزایش دهند. نسخه‌های بی‌جلوبندی این موتورها در واقع گرمای کمتری تولید می‌کنند، زیرا جلوه‌های اصطکاک‌زا وجود ندارند. برای کاربردهایی که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، مانند تجهیزات پزشکی، مدل‌های بی‌جلوبند اغلب بیش از ۵۰۰۰ ساعت عملکرد مداوم بدون مشکل دوام می‌آورند.
موتورهای کوچک جریان مستقیم با جاروبک عموماً قبل از اینکه جاروبک‌ها شروع به سایش کنند، حدود ۱٬۰۰۰ تا ۳٬۰۰۰ ساعت کار می‌کنند، در حالی که نمونه‌های بدون جاروبک آنها به راحتی می‌توانند از ۱۰٬۰۰۰ ساعت فراتر بروند. هنگامی که این موتورها در مکان‌هایی نصب شوند که ذرات گرد و غبار زیادی در هوا معلق است یا سطح رطوبت بالا است، بهره‌مندی از بلبرینگ‌های دربسته و قطعات ساخته‌شده از مواد مقاوم در برابر زنگ‌زدگی و تخریب بسیار زیاد است. برای ادامه کار آنها به‌صورت منظم، نگهداری پایه‌ای نیز لازم است. تمیز کردن منظم سطوح کموتاتور و اطمینان از روغن‌کاری مناسب تمام قطعات متحرک، تا حد زیادی از خرابی‌های غیرمنتظره در خطوط تولید خودکار جلوگیری می‌کند. برای وسایل نقلیه و سایر تجهیزات حمل‌ونقل، سازندگان اغلب موتورهایی با درجه حفاظت IP54 را مشخص می‌کنند. این بدین معناست که آنها می‌توانند در برابر آب پاشیده‌شده و گرد و غبار مقاومت کنند و از نفوذ رطوبت به داخل جلوگیری نمایند، که این امر نیازهای اکثر سازندگان را برای عملکرد قابل اعتماد در شرایط سخت برآورده می‌سازد.
ما بدون اینکه متوجه باشیم، در مورد انواع وسایل روزمره به موتورهای کوچک جریان مستقیم (DC) وابسته هستیم. به زنگ‌های هشدار در تلفن‌هایمان وقتی اعلان دریافت می‌کنیم، سرهاي دوار در مسواك برقی، يا همين فن‌هاي کوچکي که در روزهاي تابستانی ما را خنک می‌کنند فکر کنید. چه چیزی باعث می‌شود این موتورها آنقدر عالی باشند؟ آنها آنقدر کوچک هستند که در دستگاه‌های قابل حمل جا می‌شوند و در عین حال به‌طور کارآمد از باتری کار می‌کنند. برای چیزی پیچیده مانند یک پهپاد، این موتورهای کوچک به حفظ تعادل در هوا کمک می‌کنند و اجازه می‌دهند دوربین به‌صورت نرم از یک طرف به طرف دیگر حرکت کند. همین فناوری است که سیستم‌های گیمبال محبوب عکاسان را به حرکت درمی‌آورد. در نظر گرفتن این همه عملکرد در چنین اندازه کوچکی واقعاً چشمگیر است!
حوزه پزشکی امروزه به شدت به آن موتورهای کوچک جریان مستقیم (DC) وابسته است که انواع مختلفی از تجهیزات ضروری را به حرکت درمی‌آورند، از سیستم‌های تحویل انسولین تا ابزارهای جراحی رباتیک و حتی میزهای قابل تنظیم در اتاق‌های MRI. این موتورهای کوچک قادرند حتی در سرعت‌های پایین نیز خروجی توانی پایدار حفظ کنند که برای تحویل دقیق دوز دارو از طریق خطوط وریدی بسیار مهم است. نسخه‌های بدون جاروبک (براشلس) به ویژه مفید هستند، زیرا نویز الکتریکی کمی تولید می‌کنند و بنابراین احتمال تداخل با سایر تجهیزات پزشکی حساس در مجاورت را کاهش می‌دهند. و جالب اینجاست که اکثر دستگاه‌های تشخیصی دستی موجود امروزه از نوع موتورهای جریان مستقیم بدون هسته (کُرلس DC) استفاده می‌کنند. چرا؟ چون این موتورها آنقدر بی‌صدا کار می‌کنند که بیماران تقریباً متوجه کارکرد آنها در حین آزمایش‌ها و معاینات نمی‌شوند.
امروزه خودروها در واقع حدود ۳۰ تا ۵۰ موتور کوچک مستقیم‌الجریان (DC) دارند که به صورت پشت صحنه کار می‌کنند. این موتورها کارهای مختلفی را که ما عادی فرض می‌کنیم، از جمله تنظیم پنجره‌های برقی، یادآوری موقعیت صندلی‌ها و کنترل دریچه‌های سیستم گرمایش را بر عهده دارند. اما تجهیزات جدیدتر حتی جالب‌تر هستند. سازندگان اکنون از موتورهای بدون جاروبک DC در سیستم‌های پیشرفته کمک راننده برای کارهایی مانند تراز دقیق رادار و تاشو خودکار آینه‌ها هنگام پارک استفاده می‌کنند. این اسب‌های کوچک کاری حتی می‌توانند دمای بسیار سختی را تحمل کنند و به‌طور قابل اعتمادی در دمای یخ‌زدنِ ۴۰- درجه سانتی‌گراد یا گرمای سوزان تا ۱۵۰ درجه کار کنند. این سطح از دوام، آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای شرایط آب‌وهوایی مختلف بدون خرابی تبدیل می‌کند.
موتورهای کوچک جریان مستقیم (DC) همه چیز را از آن ربات‌های صنعتی پیشرفته برای قرار دادن و برداشتن شیء تا پروژه‌های ساده آزمایشی با آردوینو به حرکت درمی‌آورند. برخی از این موتورهای کوچک بسیار ریز هم هستند و مدل‌هایی وجود دارند که تنها در فضایی به عرض ۶ میلی‌متر جا می‌شوند. از نظر انجام کار، نسخه‌های گیربکسی گشتاور را حدود ۲۰۰ برابر افزایش می‌دهند، بدین معنا که به راحتی می‌توانند وزنه‌هایی به اندازه ۵ کیلوگرم را در بازوی رباتی بلند کنند. موتورهای نوع پنکیکی نیز وجود دارند که بسیار سریع می‌چرخند و در کاربردهای سوراخ‌کاری برد مدار چاپی (PCB) به سرعت ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌رسند. اکثر پلتفرم‌های رباتیک متن باز امروزه با گزینه‌های ماژولار موتور DC و نقاط نصب استاندارد عرضه می‌شوند. این امر قطعاً زمان‌بندی کار را برای علاقه‌مندان و متخصصان تسهیل کرده است. ساخت نمونه اولیه با استفاده از این قطعات استاندارد حدود ۴۰ درصد کمتر از قبل طول می‌کشد، در مقایسه با ساخت راه‌حل‌های سفارشی از ابتدا
اخبار داغکپی رایت © 2025 توسط شرکت چانگوی ترانسمیشن (جیانگسو) کو، لمیتد — سیاست حریم خصوصی
EN
