Silniki miniaturowe DC

Małe silniczki elektryczne są szeroko stosowane w zabawkach elektrycznych i elektronicznych, drobnym sprzęcie AGD, urządzeniach RTV oraz sprzęcie komputerowym. W większości przypadków ich uruchomienie jest możliwe za pomocą bardzo prostych układów elektronicznych, co pozwala na sterowanie prędkością i kierunkiem obrotów silnika bez użycia rozbudowanych kontrolerów scalonych, niezbędnych w przypadku pracy z silnikami krokowymi oraz bezszczotkowymi (BLDC). Typowy, mały silniczek elektryczny spotykany np. w zdalnie sterowanych samochodach lub prostych robotach edukacyjnych, może być dzięki temu łatwo wymieniony na nowy egzemplarz, jeżeli oryginalny napęd uległ uszkodzeniu. Dokonując naprawy warto jednak zwrócić uwagę na parametry serwisowanego urządzenia, gdyż nie każdy model – nawet pomimo podobnych wymiarów i geometrii – będzie pasował do określonego zastosowania.

Silniki DC, a inne rodzaje napędów elektrycznych

Najczęściej spotykane silniczki do zabawek to napędy komutatorowe (szczotkowe), często nazywane po prostu silnikami prądu stałego (DC) z magnesem trwałym. Ich działanie opiera się na samoczynnej komutacji uzwojeń rotora (wirnika), czyli – innymi słowy – na przełączaniu napięcia w wyniku obrotu zestawu styków (komutatora) pomiędzy parą sprężystych blaszek stykowych (tzw. szczotek). Cykliczne przełączanie uzwojeń powoduje nieustanne zmiany pola magnetycznego, które oddziałuje z polem magnesów stałych, znajdujących się w wewnątrz korpusu silnika (stojana). Siły magnetyczne powodują wymuszenie obrotu rotora. Z konstrukcji silnika DC wynika sposób sterowania – wartość napięcia pozwala wpływać na prędkość i moment obrotowy, zaś jego polaryzacja ustala kierunek obrotów. W najprostszym przypadku układ sterowania silnikiem może zatem zawierać… pojedynczy przełącznik mechaniczny lub tranzystor, pracujący w roli klucza – w takiej konfiguracji pracuje zresztą spora grupa najprostszych zabawek elektrycznych bądź niewielkich wentylatorów i pompek wody lub powietrza, w których nie ma potrzeby przełączania kierunku obrotów rotora.

Sterowanie prędkością silnika DC

Wspomniane wcześniej sterowanie napięciem zasilania silnika może odbywać się na dwa sposoby. Pierwszy z nich – liniowa regulacja napięcia stałego, np. za pomocą przestrajanego potencjometrem stabilizatora LM317 – stanowi przykład szczególnie nieefektywnego sterowania mocą napędu, gdyż wiąże się z dużymi stratami energii (moc niezużyta przez silnik musi zostać rozproszona przez stabilizator w postaci ciepła). Znacznie lepszą metodą, pozwalającą wysterować mini silnik elektryczny w szerokim zakresie prędkości obrotowych, jest zastosowanie modulacji PWM i klucza (przełącznika) w postaci tranzystora bipolarnego lub (lepiej) polowego typu MOSFET. Tranzystor jest otwierany z określoną częstotliwością i zamykany po upływie pewnego czasu, którego długość – odniesiona do okresu przebiegu sterującego – nazywana jest współczynnikiem wypełnienia. Wielkość ta, wyrażana w procentach, może zatem wynosić od zera (brak impulsu sterującego, czyli całkowite wyłączenie tranzystora) do 100 % (impuls trwający przez cały okres, czyli… stałe napięcie na bramce lub bazie tranzystora). Jeżeli zatem impuls otwiera tranzystor przez połowę czasu równego okresowi przebiegu sterującego, to współczynnik wypełnienia będzie równy dokładnie 50 %. Oznacza to także, że nasz silniczek elektryczny będzie pracował (w przybliżeniu) z połową swojej mocy maksymalnej dla danej wartości napięcia zasilania.

Jaki wybrać silniczek elektryczny do zabawek ?

Podstawowym parametrem każdego niewielkiego silnika DC jest jego napięcie znamionowe, często jednak podawane nie jako pojedyncza wartość, ale zakres dopuszczalnych napięć roboczych. Wynika to z faktu, iż silniki prądu stałego mogą pracować w szerokim przedziale napięć, ograniczonym od dołu przez minimalne napięcie niezbędne do rozruchu wirnika, a od góry – przez dopuszczalną moc, traconą przez uzwojenia. Przekroczenie napięcia maksymalnego może doprowadzić do przegrzania i – w efekcie – spalenia uzwojeń silnika, co w przypadku małych silników elektrycznych stanowi nieodwracalne uszkodzenie (operacja tzw. przewijania uzwojeń jest możliwa tylko w przypadku większych silników, których konstrukcja pozwala na bezpieczne serwisowanie).

Zazwyczaj producenci silników podają także nominalny prąd zasilania podczas biegu jałowego (tj. bez obciążenia mechanicznego osi), a nierzadko można także znaleźć informację nt. prądu, pobieranego przez uzwojenia w czasie zablokowania wału napędowego. Nieco rzadziej są natomiast udostępniane informacje o nominalnym momencie obrotowym, określającym siłę, wywieraną przez wał silnika na ramieniu o określonej długości (stąd podstawowa jednostka momentu obrotowego, czyli niutonometr – N*m). Warto jednak wiedzieć, że w przypadku wielu zabawek osiągany przez sam silnik elektryczny mały moment obrotowy, może być podwyższony (kosztem prędkości) za pomocą przekładni zębatej, ślimakowej bądź pasowej.