Les petites choses que je ne savais pas sur les petits moteurs à courant continu

Nous avons tous démonté un petit jouet et sorti l'un de ces petits moteurs. "Avec ça ! Je peux tout faire !" nous proclamons en le tenant haut. Dix minutes plus tard, après l'avoir fait tourner quelques fois, il rentre dans le tiroir pour ne plus jamais être revu.

On a toujours l'impression qu'ils sont dans tout, mais les faire fonctionner utilement dans un projet est une course folle. À quoi diable servent-ils ? Où les gens apprennent-ils la magie noire nécessaire pour les faire fonctionner ? Il est assez facile de sortir la fiche technique pour eux. La plupart d'entre eux sont fabriqués par ou sont fabriqués pour imiter les moteurs de la Mabuchi Motor Corporation du Japon. Cette entreprise à elle seule est responsable de plus de 1,5 milliard de petits moteurs par an.

Dans les spécifications, vous trouverez des éléments tels que la vitesse de fonctionnement, la tension, le courant de décrochage et le couple de décrochage. Mais ils offrent tout sauf un guide d'application convaincant ou un ensemble d'hypothèses de base qu'un ingénieur doit faire avant d'en utiliser un. Ce n'est en aucun cas une liste complète, et un saut sur l'électricité presque complètement car cet aspect des moteurs à courant continu est déraisonnablement bien documenté.

La première chose à noter est qu'ils ne sont vraiment pas destinés à conduire quoi que ce soit directement. Ils sont destinés à être isolés de l'entraînement réel par un train d'engrenages. C'est pour beaucoup de raisons. La première est qu'ils tournent généralement très vite, 6 000 à 15 000 tr/min n'est pas atypique, même pour le plus petit moteur. Donc, même si la fiche technique peut jeter quelque chose d'impressionnant comme s'il s'agissait d'un moteur de 3 watts, ce n'est pas tout à fait vrai. Il s'agit plutôt de 3 N*m/s pour 15 000 rotations par minute du moteur. Ou à peine 1,2 milliwatt par rotation, ce qui est une sorte d'unité étrange que j'utilise juste pour la démonstration, mais cela vous donne l'impression qu'il n'y a pas une tonne de "oomph" disponible. Cependant, si vous commencez à combiner de nombreuses rotations à l'aide d'un train d'engrenages, vous pouvez commencer à en tirer une réelle puissance, même avec les pertes par frottement.

Les seuls articles de consommation auxquels je peux penser qui enfreignent régulièrement cette règle sont les jouets pour enfants très bon marché, qui ne sont de toute façon pas conçus pour durer longtemps, et ces gommes à effacer et agitateurs à café. Tous deux tiennent pour acquis que leurs besoins en couple sont faibles et leurs besoins en vitesse élevés, ou que la panne du moteur n'est pas une perte réelle pour le monde (du moins à court terme).

C'est parce que les moteurs se détarent presque instantanément. La plupart de ces moteurs sont des centaines de boucles de fil émaillé très fin enroulé autour de plaques d'acier au silicium soudées par points ou autrement contraintes ensemble. Cela signifie que même un petit événement de chaleur de quelques millisecondes pourrait suffire à brûler le revêtement de 10 micromètres d'épaisseur isolant les bobines les unes des autres. En pratique, si vous calez un petit moteur plusieurs fois de suite, autant le jeter, car il n'est plus possible de deviner quelle est sa cote de performance réelle. De même, des démarrages constamment difficiles, des surtensions, des surintensités et d'autres abus peuvent rapidement endommager le moteur. Parce que l'énergie qu'il produit est censée se répartir sur de nombreuses rotations, le moteur n'est tout simplement pas conçu (et ne pourrait pas être raisonnablement construit) pour tout produire en une seule poussée spectaculaire.

Cela m'amène à une autre petite note sur ces minuscules moteurs. La plupart d'entre eux n'ont pas les balais de charbon que l'on attend des moteurs les plus puissants. La plupart du temps, ils ont une bande de cuivre qui a été estampée pour que quelques doigts appuient contre le commutateur. Il y a beaucoup d'avantages à ces contacts métalliques et ce n'est pas que de la réduction des coûts, mais à moins que vous n'ayez réussi à lire "Electrical Contacts" de Ragnar Holm et que vous l'ayez réellement compris, ils sont difficiles à expliquer. Il y a toutes sortes de magie. Par exemple, le simple fait de former le bon type de film d'oxyde sur la surface du collecteur est une bataille en soi.

C'est un échange étrange. Vous pouvez rendre le moteur moins cher avec les contacts métalliques, par exemple. Les contacts métalliques ont également un frottement beaucoup plus faible que les balais en carbone ou en graphite. Ils sont plus silencieux et ils transfèrent également moins de courant, ce qui peut sembler une mauvaise chose, mais si vous avez un moteur bloqué avec des brins ressemblant à des cheveux transférant les lutins autour de la dernière chose que vous voudriez faire est de transférer autant de courant que possible à travers eux. Cependant, une fine feuille de cuivre ne durera pas très longtemps non plus.

Donc, cela se résume à ceci, du moins si je comprends bien: si des rafales de mouvement très rapide, à faible énergie et à haut rendement sont tout ce qui est requis du moteur pendant sa durée de vie, alors les brosses à bande métallique sont parfaites. Si vous devez faire fonctionner le moteur pendant de longues périodes à la fois et que le bruit n'est pas un problème, la version à balais de charbon fonctionnera, mais ne la calez pas. Cela coûtera un peu plus cher.

Pour toucher une autre petite considération mécanique. Ils ne sont pas conçus pour supporter une charge axiale, ni même une charge radiale. La plupart d'entre eux ont une bague en plastique ou en bronze d'aluminium, ajustée par pression dans un simple corps en acier estampé. Donc, si vous concevez une boîte de vitesses pour l'un d'entre eux, assurez-vous de mettre le moins de force possible sur les surfaces d'appui. Si vous avez déjà démonté un petit jouet, vous avez probablement remarqué que le moteur peut glisser un peu d'avant en arrière dans son montage. C'est pourquoi.

Enfin, comme la plupart de ces moteurs ne sont tout simplement pas destinés à fonctionner à proximité de leurs spécifications maximales écrites, il est préférable de supposer que leurs spécifications sont un mensonge bien intentionné mais complet. La plupart des conceptions fonctionnent avec les 25 % inférieurs du nombre maximum écrit sur la feuille de calcul. Faire fonctionner le moteur n'importe où près du sommet est généralement garanti pour le briquer au fil du temps.

Ce sont des moteurs utiles et omniprésents, mais contrairement à leurs cousins ​​​​plus puissants, ils ont leur propre ensemble de défis à relever. Cependant, étant donné que vous pouvez les acheter à la livre pour moins cher que les bonbons, il y a une bonne raison de se familiariser avec eux.