Мотори постійного струму Амперка

У цій статті розглядаються мотори постійного струму (DC-мотори): їх пристрій та характеристики.

Поняття двигуна

Електромотор - пристрій для перетворення електричної енергії на механічну. Тобто, пристрій на який треба подати електричний струм, а натомість отримати обертання валу мотора.

Типовий двигун постійного струму зображений нижче.

Пристрій DC-мотора

Розберемося як влаштований двигун постійного струму на прикладі найпростішої моделі.

У нас є магнітне поле, що генерується полюсами магніту та металева рамка. На клеми «+» і «-» подається напруга живлення (Up) мотора і по рамці починає проходити постійний електричний струм (Ip). На будь-який провідник, яким проходить електричний струм, діє, так звана, сила Ампера (Fa), напрям якої залежить від напрямку струму вздовж провідника. Так як струм проходить від плюса до мінуса, виходить, що на одній стороні рамки струм спрямований зліва-направо, а з іншого - праворуч-ліворуч. Тому сила Ампера на протилежних сторонах рамки спрямовано різні сторони. Рамка починає обертатися. Якщо подати напругу живлення навпаки - напрям струму зміниться і рамка почне обертання в протилежний бік.

Характеристики двигунів постійного струму

Розглянемо основні характеристики двигуна на конкретному прикладі.

Електричні параметри

Робоча напруга — діапазон допустимих напруг живлення. Чим напруга живлення буде більшою, тим більше буде потужність мотора і швидкість обертання. Однак, нескінченно підвищувати напругу не можна, оскільки з кожним новим вольтом підвищується ризик того, що мотор перегорить.

Для наочності проведемо експеримент: будемопоступово підвищувати напругу живлення мотора, при цьому будемо контролювати споживаний струм мультиметром.

Перше, що впадає у вічі — у разі підвищення напруги від 3 до 9 У, струм змінюється від 40 до 60 мА. Виходить, що при збільшенні напруги в 3 рази струм споживання збільшився всього 2 рази.

Тепер згадаємо закон Ома:

Звідси видно, що при постійному опорі дроту струм у ланцюгу повинен збільшуватися в стільки ж разів, у скільки збільшується напруга. Тобто обмотка мотора (дротяна рамка) повинна мати змінний опір.

Розберемося із цим парадоксом. Нашу дротяну рамку постійно пронизує магнітне поле. Якщо рамка починає обертатися, то під дією магнітних сил, в ній виникає напруга, спрямована на протидію зовнішніх сил, тобто проти зовнішньої напруги, яку ми подаємо на мотор. Тому, в даному випадку, закон Ома треба розглядати так:

де E — зворотна електрорушійна сила (наведена магнітним полем напруга).

Чим швидше обертається мотор, тим більше значення зворотної електрорушійної сили, тим менше струм, що споживається мотором. Тому на холостому ходу мотор завжди споживає менший струм, ніж під навантаженням.

Номінальна напруга - найбільш підходяща напруга, для живлення мотора, при якому мотор здатний швидко обертатися, при цьому не перегріваючись.

Струм без навантаження - струм, споживаний мотором на холостому ходу. Оскільки, на холостому ходу двигун обертається з максимальною швидкістю, то споживаний струм в такому режимі роботи буде мінімальним для конкретної моделі двигуна.

Струм при блокуванні - Струм, споживаний мотором, при блокуванні валу мотора. Дана величина струму споживаннябуде максимальною. Оскільки блокування валу означає відсутність обертання, тому буде повністю відсутня зворотна електрорушійна сила. Насправді цю величину можна виміряти побічно, не блокуючи вал двигуна. Для цього достатньо скористатися законом Ома:

U - напруга живлення. Його значення нам відоме. R – опір обмотки мотора. Це значення можна виміряти мультиметром, підключивши його до клем мотора, як до звичайного резистори.

Наприклад, для нашого двигуна виміряємо опір обмотки R = 9.9 Ом. При напрузі живлення 6, отримуємо:

Механічні параметри

Діаметр вихідного валу - Діаметр рухомої осі мотора, яка здійснює обертання.

Передача - повна аналогія з автомобілем. Усередині мотора встановлена група шестерень, завдяки яким можна, у відомому співвідношенні, знизити швидкість обертання вала мотора, але, при цьому, збільшити його вихідну потужність.

Швидкість без навантаження - швидкість обертання валу мотора (кількість обертів за хвилину) на холостому ходу.

Мир, що крутить абомомент сили — векторна фізична величина, що характеризує обертальну дію сили на тверде тіло.

У нашому випадку дана величина є добутком двох параметрів: відстань від осі двигуна до точки прикріплення вантажу (см) та зусилля (кг). Якщо ви збираєте, наприклад, дриль, то дана величина повинна турбувати вас не сильно. Однак, якщо ви хочете прикріпити до вашого мотора втулку на вал, то треба пам'ятати, що при збільшенні діаметра втулки зменшується максимальне зусилля, яке може забезпечити мотор.