DC モーターを発電機としてどのように使用できるか: 実際の用途、選択、性能

引き出しのどこかに、壊れたおもちゃ、扇風機、または古いプリンターから救出された、仕事を待っている小さな DC モーターがあります。ジェネレーターとして逆方向に実行することもできると読みましたが、それが本当に正しいかどうか、またそれを適切に実行する方法を知りたいと考えています。

短い答え: はい、トリックは必要ありません。永久磁石 DC モーターと永久磁石 DC 発電機は同じ機械であり、反対側からのみ説明します。私たちは 1988 年から余姚でマイクロ DC モーターを製造してきましたが、小型風力タービンの配線をする学生から手回し充電オプションを追加するエンジニアまで、発電機に関する質問が常に寄せられます。ここが実際に重要なことです。

DCモーターが発電機として使用できる理由

DC マシン内のエネルギー変換は対称的です。磁場の中にあるコイルに電流を流すとコイルが横に押され、ローターが回転します。代わりに同じローターを回すと、コイルが磁界を通過し、コイルを結ぶ磁束が変化し、端子間に電圧が発生します。これは、これまでに製造されたすべての発電機で行われることとまったく同じことを行うファラデーの誘導法則です。

ブラシ付き DC モーターを非常に便利にしているのは、その整流子です。各コイルが N 極の下を通過し、次に S 極の下を通過するため、アーマチュアの内部では誘導電圧が交流になります。整流子は正確な瞬間に外部への接続を交換するため、2 つの端子は固定された極性を維持します。これは機械的な整流器であり、これがブラシ付きモーターが単一の電子部品なしで DC を供給する理由です。

優れた点は、1 つの数字が 2 つの役割を果たしているということです。モーターが 1 ボルトあたりどれだけ速く回転するかを示す電圧定数は、1 回転あたりにどれだけの電圧を生成するかも示します。定格 12 V、無負荷 6,000 rpm のモーターは、他の何かによって 6,000 rpm まで回転すると、約 12 V を生成します。

ブラシ付きかブラシレスか: ワイヤーから何が出るのか

どちらのファミリーも発電できますが、供給する電力が異なり、その違いによって回路の残りの部分がどれだけの仕事をしなければならないかが決まります。

ブラシ付き DC モーターは直流電流を供給します

シャフトを回転させると DC が端子に現れ、整流による波紋がその上に乗ります。 2 本のワイヤーだけで、他に何も必要なく、マルチメーターがすぐに測定値を表示します。

ブラシレス DC モーターは三相交流を供給します

ブラシレス モーターでは、巻線がステーター内に配置され、磁石が回転するため、シャフトが回転すると、ステーター リード線に三相電圧が誘導されます。この電圧は、一般的な BLDC では台形、PMSM では正弦波になります。このエネルギーを機械的に整流するものは何もないため、そのエネルギーでバッテリーを充電するには、三相ブリッジと平滑コンデンサ、またはアクティブ整流をサポートするコントローラーが必要です。

モーターを段階的に発電機に変える

ほとんどの人は、既にベンチにあるモーターから始めますが、それは完全に良いアプローチです。おもちゃや携帯用機器に使用される小型のブラシ付きモーターは、永久磁石が含まれており、わずか数百 rpm で読み取り可能な電圧を生成するため、初めての風力タービンや手回し実験には古典的な選択肢です。

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1. 適切なマシンから始めてください。永久磁石が付いている必要があります。玩具、扇風機、プリンターのブラシ付き永久磁石モーターが適格であり、ブラシレス モーターも同様です。誘導および巻線フィールド機械は同じように動作しません。
2. 電子機器の接続を外します。モーターにドライバーボード、スピードコントローラー、またはバッテリーパックが付属している場合は、それらを分離してください。生のモーター端子が必要です。
3. シャフトを原動機に結合します。シャフトを安定して回転させるものであれば、手回しクランク、プロペラ、水車、タービンでも問題ありません。
4. 開放電圧を測定します。マルチメーターをブラシ付きモーターの場合は DC ボルト、ブラシレスモーターの場合は AC ボルトに設定し、手で回転させて速度に応じた測定値を確認します。
5. 1rpmあたりのボルト数に注目してください。既知の速度で回転し、電圧を記録すると、他のすべてのサイズを決定するために必要な定数が得られます。
6. 必要に応じて修正します。ブラシレスモーター用の三相ブリッジとコンデンサー。ブラシ付きコンデンサの場合は、通常、端子間のコンデンサで十分です。バッテリに電力を供給している場合は、ブロッキング ダイオードを加えます。
7. 荷重を加えて再度測定してください。巻線抵抗を流れる電流には常にボルトがかかるため、電圧の低下が予想されます。
8. 熱とブラシのアーク放電に注意してください。モーターが高温になると、流すことができる以上の電流が流れてしまいます。

実際にどれくらいの電圧と電力が得られるでしょうか?

電圧は速度に応じてほぼ直線的に変化するため、計算が簡単になります。定格電圧を無負荷速度で割ると、発電機の定数が得られます。一般的なマイクロモーターの場合、常に 1,000 rpm あたり 1 ～ 3 ボルトの電圧がかかります。これが、数千 rpm で回転するタービンがモーターの定格電圧に達する一方で、レイジー ハンド クランクが 1 ～ 2 ボルトを生成する理由です。

開放電圧は楽観的な数値です。電流が流れるとすぐに、端子電圧は電流と巻線抵抗の積だけ低下します。小型モーターでは電機子抵抗が数オームである可能性があるため、1 アンペアを引くと数ボルトのコストがかかる可能性があります。負荷を接続して再度測定します。それが回路で実際に見られる図です。

パワーはトルクに続きます。発電機が供給する電流はシャフトに加えられるトルクに比例するため、低速で弱い原動機を使用すると、ほとんど電流が流れずに電圧が得られます。大まかな目安として、定格速度のかなりの割合で駆動される小型のブラシ付きモーターは、入力した機械動力の半分から 4 分の 3 程度を返し、残りは巻線抵抗、ブラシ ドロップ、ベアリングの摩擦、鉄損になります。

発電機の役割に応じたモーターの選択

発電専用のモーターを選択する場合は、ラベルの番号を確認せずに、いくつかの特性を確認してください。

• 例外なく永久磁石です。フェライトまたは希土類の磁石は励起磁場を無料で提供するため、これほど小さな機械での発電が可能になります。
• 巻線抵抗が低いため、銅の熱に変換される機械的入力が少なくなります。
• 軽い風やハンドクランクが原動力である場合、滑らかなアーマチュアが少ない力で回転を開始するため、低い無負荷電流と穏やかなコギング。
• あなたのドライブに合った速度評価。電圧は回転数とともに上昇するため、モーターが高速であれば、有効な出力に達するまでに必要な回転数は少なくなります。
• 考え抜かれて使用されたギアボックス。通常の動作では、ギアモーターは速度とトルクを引き換えにします。世代では、余分な摩擦と損失を受け入れる限り、それを逆に実行して、遅い水車がモーターシャフトをはるかに速く回転させることができます。

回転しやすく、無負荷時に消費電流が少ないモーターは、最も優しい発電機となる傾向があります。これが、当社が省エネのブラシ付きデザインをカタログに掲載し続ける理由の 1 つです。エネルギーが逆方向に流れる場合、それらは予測どおりに動作し、損失が低いため、巻線ではなく回路に多くの労力が費やされます。

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人を陥れる間違い

• どのモーターでも動作することが期待されます。影付き極または三相誘導モーターは、外部励起がなければ有用な出力を生成しません。
• 回転が遅すぎます。電圧は速度に比例するため、ゆっくりクランクしてもほとんど何も得られません。
• ブラシレスモーターの補正忘れ。三相交流がバッテリー端子に供給されると、何かが損傷する可能性があります。
• 元のコントローラーを接続したままにします。独自の出力ステージを介してドライバーをバックフィードすることが、うまく終わることはほとんどありません。
• ブラシの磨耗は無視します。ブラシは消耗品であり、モーターを時々使用するよりも継続的に発電する方が負担がかかります。
• 原動機に過負荷がかかる。電流はトルクに比例するため、発電機に負荷がかかると、発電機を駆動するタービンが失速する可能性があります。
• 開放電圧を信頼します。これは動作電圧ではありません。数値を考慮して設計する前に、負荷がかかった状態で測定してください。

実際の製品ではすでにモーターが発電機として機能している

回生ブレーキは、量産形式ではモーターを発電機として使用します。電気自動車が速度を落とすとき、コードレスドリルがトリガーを放すとき、ロボットアームが減速するとき、コントローラーは機械をブレーキとして機能させ、回収されたエネルギーをパックに押し戻します。ロボット工学ではこれは日常的なことであり、同じ関節がロボットを駆動します。 産業用ロボット 当社は、各サイクルの一部を消費ではなく生成に費やすモーターを供給しています。

このようなアプリケーションには、何千もの方向変更を問題なく許容できるモーターが必要です。当社のロボット シリーズのスムーズに動作するブラシ付きデザインはまさにそのために作られています。

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小規模では、手回しの懐中電灯やラジオ、ゼンマイトーチ、小型風力タービン、マイクロ水力発電装置、エアロバイク、ドア、改札口、自動販売機からのエネルギー収集などで発電が行われています。これらはいずれも専用のジェネレーターを必要としません。永久磁石モーター、適切なギア比または速度の一致、および出力が DC でなければならない整流器が必要です。

シャフトを回す前の最後の言葉

当社は 1988 年以来マイクロ DC モーターを製造してきました。つまり、非常に多くのモーターが、時には設計により、時には偶然により、回路の発電側に使用されるのを見てきました。 1 つのモーターで駆動および発電する必要がある製品に取り組んでいる場合は、ご希望の電圧、速度、トルク、デューティ サイクルをお知らせください。標準的なブラシ付きモデル、ブラシレス設計、またはギア付きユニットのいずれであるかにかかわらず、オプションを絞り込むお手伝いをいたします。

これらのモーターが実際の機器でどのように動作するかを最初に確認したい場合は、 最も一般的なブラシ DC モーターの用途 まずはここから始めるのが良いでしょう。