محاسبه جریان مصرفی موتور DC

محاسبه جریان مصرفی موتور DC یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی یک سیستم الکترومکانیکی است، زیرا بر انتخاب منبع تغذیه، درایور موتور و سیستم خنک‌کنندگی تاثیر دارد.

برای محاسبه جریان مصرفی، باید دو حالت کاملاً متفاوت را در نظر بگیرید:

۱. جریان بدون بار (No-Load Current) – I₀

این جریان بسیار کم است و فقط برای غلبه بر اصطکاک داخلی موتور (جاروبک‌ها، بلبرینگ‌ها و مقاومت هوا) مصرف می‌شود. این مقدار را معمولاً از دیتاشیت (Datasheet) موتور می‌توان یافت.

۲. جریان تحت بار (Load Current) – I

این جریان اصلی‌ترین مورد است و با توجه به گشتاور خروجی موتور محاسبه می‌شود. هرچه بار روی موتور بیشتر باشد (یعنی گشتاور بیشتری تقاضا کند)، جریان مصرفی نیز بیشتر می‌شود.

فرمول اصلی و پایه (بر اساس قانون فیزیک)

جریان مصرفی موتور از رابطه زیر به دست می‌آید:

I = T / (Kₜ × η)

• I: جریان مصرفی بر حسب آمپر (A)

• T: گشتاور خروجی بر حسب نیوتن متر (N.m) (گشتاوری که موتور باید برای غلبه بر بار تولید کند)

• Kₜ: ثابت گشتاور (Torque Constant) موتور بر حسب N.m/A (این مقدار در دیتاشیت موتور ذکر شده است)

• η: راندمان موتور (عددی بین ۰ تا ۱، مثلاً ۰.۸ برای ۸۰٪ راندمان)

مشکل اصلی: ثابت Kₜ و راندمان (η) معمولاً برای موتورهای ارزان قیمت و عمومی در دسترس نیست.

روش عملی و کاربردی (برای موتورهای معمولی)

از آنجایی که مقادیر Kₜ و η برای بسیاری از موتورها نامشخص است، بهترین و مطمئن‌ترین راه، استفاده از یک متر مولتی‌متر (Multimeter) است.

وسایل مورد نیاز:

• منبع تغذیه (مثلاً آداپتور ۱۲V)

• مولتی‌متر

• یک بار متغیر (مثلاً یک دیمر برای اعمال بار به موتور)

روش کار:

1. مولتی‌متر را روی حالت اندازه‌گیری جریان (A) قرار دهید.

2. مولتی‌متر را به صورت سری با موتور در مدار قرار دهید (یعنی یک سر سیم مثبت منبع تغذیه به ورودی مثبت مولتی‌متر، و خروجی مثبت مولتی‌متر به پایه مثبت موتور).

3. جریان بدون بار: موتور را بدون هیچ بار خارجی روشن کنید. عدد نشان داده شده روی مولتی‌متر، جریان بدون بار (I₀) است.

4. جریان تحت بار: حالا به موتور بار اعمال کنید (مثلاً با دست شفت آن را بگیرید تا نچرخد یا بار مکانیکی به آن وصل کنید). عددی که در این حالت مولتی‌متر نشان می‌دهد، ماکزیمم جریان مصرفی (Stall Current) موتور تحت آن بار است. این عدد برای انتخاب صحیح درایور و منبع تغذیه بسیار مهم است.

روش تخمینی (بر اساس توان)

اگر توان موتور را می‌دانید، می‌توانید جریان را تقریب بزنید:

I ≈ P / (V × η)

• P: توان نامی موتور بر حسب وات (W)

• V: ولتاژ کاری موتور بر حسب ولت (V)

• η: راندمان موتور (اگر نامشخص است، برای موتورهای کوچک حدود ۰.۶ تا ۰.۷۵ در نظر بگیرید)

مثال: یک موتور ۱۲ ولتی با توان ۲۰ وات و راندمان ۷۰٪:

I ≈ 20 W / (12 V × 0.7) ≈ 20 / 8.4 ≈ 2.38 A

جمع‌بندی و نکات نهایی برای انتخاب قطعات

1. منبع تغذیه: منبع تغذیه شما باید بتواند حداقل ۱.۵ تا ۲ برابر جریان بدون بار (I₀) را تأمین کند. برای اطمینان بیشتر، بهتر است بتواند جریان استال (ماکزیمم جریان) را نیز برای مدت کوتاهی تحمل کند.

2. درایور موتور (مثلاً L298N): درایور موتور شما باید بتواند بیشتر از جریان استال موتور را تحمل کند. مثلاً اگر جریان استال موتور ۳A است، از درایوری استفاده کنید که حداقل ۳A پشتیبانی می‌کند.

3. فیوز: همیشه در مدار موتور از یک فیوز با آمپر مناسب (کمی بیشتر از جریان عادی کار) استفاده کنید تا از سوختن موتور و مدار در برابر قفل شدن شفت جلوگیری شود.

4. کابل‌ها: قطر سیم‌های به کار رفته باید برای عبور جریان موتور مناسب باشد تا داغ نشوند.

خلاصه:

• برای مقاصد حرفه‌ای: به دیتاشیت موتور مراجعه کنید و از فرمول I = T / Kₜ استفاده کنید.

• برای مصارف معمولی و آموزشی: استفاده از مولتی‌متر مطمئن‌ترین روش است. جریان بدون بار و جریان تحت بار را اندازه بگیرید و سیستم خود را بر اساس ماکزیمم جریان اندازه‌گیری شده طراحی کنید.