Die kleinen Dinge, die ich über kleine Gleichstrommotoren nicht wusste

Wir haben alle ein kleines Spielzeug auseinandergenommen und einen dieser kleinen Dosenmotoren herausgezogen. „Damit! Ich kann alles machen!“ wir verkünden es, während wir es hochhalten. Zehn Minuten später, nachdem wir es ein paar Mal gedreht haben, landet es in der Schublade und wird nie wieder gesehen.

Es scheint immer so, als wären sie in allem enthalten, aber es ist eine dumme Aufgabe, sie in einem Projekt sinnvoll zum Funktionieren zu bringen. Wozu zum Teufel sind sie da? Wo lernen Menschen die schwarze Magie, die sie brauchen, um funktionieren zu können? Es ist ganz einfach, das Datenblatt für sie herauszuziehen. Die meisten von ihnen werden von der japanischen Mabuchi Motor Corporation hergestellt oder sind deren Nachahmung. Allein dieses Unternehmen ist für über 1,5 Milliarden Kleinmotoren pro Jahr verantwortlich.

In den technischen Daten finden Sie Dinge wie Laufgeschwindigkeit, Spannung, Stillstandsstrom und Stillstandsdrehmoment. Aber sie bieten alles andere als einen überzeugenden Anwendungsleitfaden oder eine Reihe grundlegender Annahmen, die ein Ingenieur vor der Verwendung treffen sollte. Dies ist keineswegs eine vollständige Liste, und die Elektrik wird fast vollständig übersprungen, da dieser Aspekt von Gleichstrommotoren unverhältnismäßig gut dokumentiert ist.

Zunächst ist zu beachten, dass sie eigentlich nicht dazu gedacht sind, irgendetwas direkt anzutreiben. Sie sollen durch ein Getriebe vom eigentlichen Antrieb getrennt werden. Dafür gibt es viele Gründe. Erstens drehen sie sich normalerweise sehr schnell, 6.000 – 15.000 U/min sind selbst für den kleinsten Motor nicht untypisch. Auch wenn das Datenblatt etwas Beeindruckendes hervorbringt, wie zum Beispiel, dass es sich um einen 3-Watt-Motor handelt, stimmt das nicht ganz. Vielmehr sind es 3 N*m/s pro 15.000 Umdrehungen pro Minute Motor. Oder nur 1,2 Milliwatt pro Umdrehung, was eine seltsame Art von Einheit ist, die ich nur zur Demonstration verwende, aber man hat das Gefühl, dass nicht viel „Pump“ verfügbar ist. Wenn man jedoch anfängt, viele Drehungen mithilfe eines Getriebezugs zu kombinieren, kann man trotz der Reibungsverluste eine echte Leistung herausholen.

Die einzigen Konsumgüter, die meiner Meinung nach regelmäßig gegen diese Regel verstoßen, sind sehr billige Kinderspielzeuge, die sowieso nicht für eine lange Lebensdauer ausgelegt sind, sowie elektrische Radiergummis und Kaffeerührer. Beide gehen davon aus, dass ihr Drehmomentbedarf niedrig und ihr Drehzahlbedarf hoch ist oder dass ein Motorausfall kein wirklicher Schaden für die Welt ist (zumindest kurzfristig).

Dies liegt daran, dass die Motoren nahezu augenblicklich drosseln. Die meisten dieser Motoren bestehen aus Hunderten von Schleifen aus sehr dünnem Lackdraht, die um einige punktgeschweißte oder auf andere Weise zusammengepresste Siliziumstahlplatten gewickelt sind. Das bedeutet, dass schon ein kleiner Hitzeeinfall von wenigen Millisekunden ausreichen könnte, um die 10 Mikrometer dicke Beschichtung, die die Spulen voneinander isoliert, durchzubrennen. In der Praxis gilt: Wenn Sie einen kleinen Motor ein paar Mal hintereinander abwürgen, können Sie ihn genauso gut wegwerfen, da Sie nicht mehr wissen können, wie hoch seine tatsächliche Leistungsbewertung ist. Ebenso können ständig schwierige Startvorgänge, Überspannung, Überstrom und andere Missbrauchsfälle den Motor schnell ruinieren. Da die von ihm erzeugte Energie auf viele Umdrehungen verteilt werden soll, ist der Motor einfach nicht dafür ausgelegt (und könnte auch nicht vernünftig gebaut werden), alles in einem dramatischen Stoß zu erzeugen.

Dies bringt mich zu einer weiteren kleinen Anmerkung zu diesen winzigen Motoren. Die meisten von ihnen verfügen nicht über die Kohlebürsten, die man von stärkeren Motoren erwarten würde. Meistens haben sie einen Kupferstreifen, der so geprägt ist, dass ein paar Finger gegen den Kommutator drücken. Diese Metallkontakte haben viele Vorteile und es geht nicht nur um Kosteneinsparungen, aber wenn Sie es nicht geschafft haben, „Elektrische Kontakte“ von Ragnar Holm zu lesen und es tatsächlich zu verstehen, sind sie schwer zu erklären. Es gibt alle Arten von Magie. Allein die Bildung des richtigen Oxidfilms auf der Oberfläche des Kommutators ist beispielsweise ein Kampf für sich.

Es ist ein seltsamer Kompromiss. Zum einen kann man mit den Metallkontakten den Motor günstiger machen. Metallkontakte haben außerdem eine viel geringere Reibung als Kohle- oder Graphitbürsten. Sie sind leiser und übertragen auch weniger Strom, was vielleicht schlecht erscheint, aber wenn Sie einen abgewürgten Motor mit haarähnlichen Strähnen haben, die die Pixies herumbefördern, ist das Letzte, was Sie tun möchten, so viel Strom wie möglich zu übertragen durch sie. Allerdings hält auch ein hauchdünnes Kupferblech nicht lange.

Es läuft also darauf hinaus, zumindest so wie ich es verstehe: Wenn der Motor während seiner gesamten Lebensdauer nur sehr schnelle, energiearme und hocheffiziente Bewegungsimpulse benötigt, dann sind die Metallstreifenbürsten perfekt. Wenn Sie den Motor über längere Zeiträume laufen lassen müssen und Geräusche kein Problem darstellen, ist die Version mit Kohlebürsten geeignet. Lassen Sie ihn aber nicht abwürgen. Es wird etwas mehr kosten.

Um eine weitere kleine mechanische Überlegung anzusprechen. Sie sind überhaupt nicht dafür ausgelegt, axiale Belastungen aufzunehmen, geschweige denn radiale Belastungen. Die meisten von ihnen verfügen über eine Kunststoff- oder Aluminiumbronzebuchse, die in ein einfaches Gehäuse aus gestanztem Stahl eingepresst ist. Wenn Sie also ein Getriebe für eines davon entwerfen, achten Sie darauf, so wenig Kraft wie möglich auf die Lagerflächen auszuüben. Wenn Sie schon einmal ein kleines Spielzeug zerlegt haben, ist Ihnen wahrscheinlich aufgefallen, dass der Motor in seiner Halterung ein wenig hin und her rutschen kann. Deshalb.

Da die meisten dieser Motoren einfach nicht dafür ausgelegt sind, auch nur annähernd ihre schriftlichen Maximalspezifikationen zu erreichen, ist es am besten anzunehmen, dass ihre Spezifikationen eine gut gemeinte, aber völlige Lüge sind. Die meisten Designs funktionieren mit den unteren 25 % der maximalen Zahl, die in der Tabelle angegeben ist. Wenn Sie den Motor irgendwo in der Nähe der Oberseite laufen lassen, wird er mit der Zeit garantiert kaputt gehen.

Dies sind nützliche und allgegenwärtige Motoren, aber im Gegensatz zu ihren stärkeren Verwandten haben sie ihre eigenen Herausforderungen zu bewältigen. Wenn man jedoch bedenkt, dass man sie pro Pfund günstiger als Süßigkeiten kaufen kann, gibt es einen guten Grund, sich mit ihnen vertraut zu machen.