小型 DC モーターについて私が知らなかった小さなこと

誰もが小さなおもちゃを分解して、小さな缶モーターを取り出したことがあるでしょう。 「これなら何でもできる！」 私たちはそれを高く掲げながら宣言します。 10分後、何度か回転させた後、引き出しに入れられ、二度と見られなくなります。

それらは常にあらゆるものに含まれているように見えますが、プロジェクト内でそれらを有効に機能させるのは愚かな用事です。 一体何のためにあるのでしょうか？ 人は自分を機能させるために必要な黒魔術をどこで学ぶのでしょうか? 仕様書を引き出すのは簡単です。 それらのほとんどは、日本のマブチモーター株式会社のモーターによって製造されているか、そのモーターを模倣して製造されています。 その会社だけでも年間 15 億個以上の小型モーターを担当しています。

仕様には、動作速度、電圧、失速電流、失速トルクなどが表示されます。 しかし、これらは、説得力のあるアプリケーション ガイドや、エンジニアが使用する前に行うべき基本的な前提条件以外のものを提供します。 これは決して完全なリストではなく、DC モーターの側面については不当に詳しく文書化されているため、電気系統についてはほぼ完全に省略しています。

最初に注意すべきことは、これらは実際には何かを直接駆動することを意図したものではないということです。 これらは歯車列によって実際の駆動から隔離されることを目的としています。 これには多くの理由があります。 1 つ目は、通常非常に高速に回転することです。最も小さなモーターでも 6,000 ～ 15,000 rpm は異常ではありません。 したがって、データシートには 3 ワットのモーターであるかのように印象的なことが記載されているかもしれませんが、それは正確には真実ではありません。 むしろ、毎分 15,000 回転のモーターあたり 3 N*m/s です。 または、1 回転あたりわずか 1.2 ミリワットです。これは、私がデモンストレーションのために使用しているだけの奇妙な種類の単位ですが、利用可能な「活力」があまりないように感じられます。 ただし、歯車列を使用して多くの回転を組み合わせると、摩擦損失があっても、そこから実際のパワーを引き出すことができます。

私が思いつく唯一の消費者製品で、定期的にこのルールを破っているのは、とにかく長持ちするように設計されていない非常に安価な子供用のおもちゃと、電動消しゴムとコーヒーマドラーです。 どちらも、トルクの必要性は低く、速度の必要性は高いこと、あるいはモーターの焼損は世界にとって（少なくとも短期的には）実質的な損失ではないことを当然のことと考えています。

これは、モーターの出力がほぼ瞬時に低下するためです。 これらのモーターのほとんどは、数百の非常に薄いエナメル線をシリコン鋼板に巻き付け、スポット溶接するか強制的に一緒に固定したものです。 これは、数ミリ秒の小さな熱事象でも、コイルを互いに絶縁している厚さ 10 マイクロメートルのコーティングを焼き切るのに十分である可能性があることを意味します。 実際的に言えば、小さなモーターが数回続けて失速した場合は、そのモーターの実際の性能評価がどの程度であるかを推測することはもうできないため、そのモーターを捨てたほうが良いでしょう。 同様に、常に困難な始動、過電圧、過電流、その他の乱用により、モーターがすぐに破損する可能性があります。 生成されるエネルギーは多くの回転にわたって分散されるように設計されているため、モーターは一度の劇的なプッシュですべてのエネルギーを生成するように設計されていません (合理的に構築することもできません)。

ここで、これらの小さなモーターに関するもう 1 つの小さなメモを思い出します。 それらのほとんどには、より強力なモーターに期待され始めるカーボンブラシがありません。 ほとんどの場合、整流子を数本の指で押すように打ち抜かれた銅のストリップが付いています。 これらの金属接点には多くの利点があり、すべてがコスト削減になるわけではありませんが、ラグナー・ホルムの「電気接点」をなんとか読んで実際に理解していない限り、説明するのは困難です。 あらゆる種類の魔法があります。 例えば整流子の表面に適切な酸化皮膜を形成するだけでも大変です。

奇妙なトレードオフだ。 たとえば、金属接点を使用するとモーターを安価にできます。 金属接点は、カーボンやグラファイトのブラシよりも摩擦がはるかに低くなります。 静かで、転送する電流も少なくて済みます。これは悪いことのように思えるかもしれませんが、妖精の周りに髪の毛のような束を転送して失速したモーターがある場合、できるだけ多くの電流を転送することは避けるべきです。彼らを通して。 しかし、紙のように薄い銅板もそれほど長くは持ちません。

したがって、少なくとも私が理解している限り、これは次のことになります。動作寿命にわたってモーターに必要なのは、非常に高速で低エネルギー、高効率の動作のバーストだけである場合、金属ストリップブラシは完璧です。 モーターを一度に長時間稼働させる必要があり、騒音が問題にならない場合は、カーボン ブラシ バージョンが機能しますが、停止させないでください。 もう少し費用がかかります。

もう 1 つ小さな機械的な考慮事項に触れます。 アキシアル荷重をまったく受けるように設計されておらず、実際にはラジアル荷重も受けることができません。 ほとんどの製品には、プラスチックまたはアルミニウム青銅のブッシングが付いており、シンプルな打ち抜き鋼製ボディに圧入されています。 したがって、これらのいずれか用にギアボックスを設計する場合は、座面にかかる力をできるだけ少なくするようにしてください。 小さなおもちゃを分解したことがある方は、モーターが取り付け部分で少し前後にスライドする可能性があることに気づいたかもしれません。 これが理由です。

最後に、これらのモーターのほとんどは、記載されている最大仕様に近いところで動作することを意図していないため、その仕様は善意による完全な嘘であると想定するのが最善です。 ほとんどのデザインは、スプレッドシートに書かれた最大値の下位 25% で機能します。 通常、モーターの上部付近を稼働させると、時間が経つと必ず故障します。

これらは便利でどこにでもあるモーターですが、より強力なモーターとは異なり、独自の課題を抱えています。 ただし、キャンディーよりも安価にポンド単位で購入できることを考えると、これらに慣れるのには十分な理由があります。