Jaký je výkon elektromotoru a jak jej určit: vzorce a příklady

Elektromotor je elektromechanické zařízení založené na elektromagnetismus, který umožňuje přeměnit elektrickou energii např. na pracovní popř mechanická energie. Tento proces je vratný a lze jej použít k výrobě elektřiny. Všechny tyto elektrické stroje jsou však reverzibilní a mohou být „motorem“ nebo „generátorem“ ve čtyřech kvadrantech roviny točivého momentu.

Raný vývoj

V roce 1821, po objevení fenoménu spojení mezi elektřinou a magnetismem, dánským chemikem Oerstedem, Ampereho větou a Biot-Savardovým zákonem, sestrojil anglický fyzik Michael Faraday dvě zařízení, která nazval „elektromagnetická rotace“: nepřetržitý kruhový pohyb magnetické síly kolem drátu je skutečnou ukázkou prvního elektrický motor.

V roce 1822 sestrojil Peter Barlow něco, co by se dalo považovat za první elektromotor v historii: Barlow Wheel. Toto zařízení je jednoduchý kovový kotouč, vyříznutý do hvězdy, jehož konce jsou ponořeny do kelímku obsahujícího rtuť, aby poskytl tekoucí proud. Vytváří však pouze sílu schopnou ji otočit a zabránit jejímu praktickému využití.

První experimentálně použitý spínač vynalezl v roce 1832 William Sturgeon. První stejnosměrný motor vyrobený pro komerční účely byl vynalezen Thomasem Davenportem v roce 1834 a patentován v roce 1837. Tyto motory nezaznamenaly žádný průmyslový rozvoj kvůli tehdejší vysoké ceně baterií.

DC motor

Spínané stejnosměrné zařízení má sadu rotujících vinutí navinutých na kotvě namontované na otočném hřídeli. Hřídel má také komutátor, trvalý otočný elektrický spínač, který periodicky mění tok proudu ve vinutí rotoru, když se hřídel otáčí. Každý stejnosměrný můstkový motor má tedy střídavý proud protékající rotujícími vinutími. Proud protéká jedním nebo více páry kartáčů nesených na spínači; kartáče připojují externí zdroj energie k rotační kotvě.

Rotační kotva se skládá z jedné nebo více cívek drátu navinutých kolem vrstveného feromagnetického jádra. Proud z kartáče protéká komutátorem a jedním vinutím kotvy, čímž se stává dočasným magnetem (elektromagnetem). Magnetické pole generované kotvou interaguje se stacionárním magnetickým polem generovaným buď PM nebo jiným vinutím (budicí cívkou) jako součást rámu motoru.

Síla mezi dvěma magnetickými poli má tendenci otáčet hřídelí motoru. Spínač přepíná napájení cívek, když se rotor otáčí, čímž se magnetické póly nikdy úplně nezarovnají magnetické póly pole statoru, takže rotor se nikdy nezastaví (jako střelka kompasu), ale spíše se otáčí, dokud je výživa.

Zatímco většina spínačů je válcová, některé jsou ploché disky s více segmenty (obvykle alespoň třemi) namontovanými na izolátoru.

Větší kartáče jsou žádoucí pro větší kontaktní plochu kartáčů, aby se maximalizoval výkon motoru, ale menší kartáče žádoucí pro nízké hmotnosti, aby se maximalizovala rychlost, při které může motor pracovat bez nadměrného odskoku a jiskřící kartáče. Tužší kartáčové pružiny lze také použít pro generování kartáčů dané hmotnosti při vyšší rychlosti, ale na úkor vyšších třecích ztrát a opotřebení urychlovaného kartáče a komutátoru. Proto konstrukce stejnosměrného motoru zahrnuje kompromis mezi výkonem, rychlostí a účinností / opotřebením.

Konstrukce stejnosměrných motorů:

• Obvod kotvy je vinutí, nese zatěžovací proud, který může být pevnou nebo rotující částí motoru nebo generátoru.
• Polní obvod je soubor vinutí, které vytvářejí magnetické pole, takže v elektrických strojích může existovat elektromagnetická indukce.
• Komutace. Mechanická technika, ve které lze dosáhnout usměrnění nebo kde lze získat stejnosměrný proud.

Existují čtyři hlavní typy stejnosměrných motorů:

1. Navinutý elektromotor.
2. Stejnosměrný elektromotor.
3. Kombinovaný motor.
4. PM motor.

Základní kalkulační ukazatele

Jak zjistit výkon elektromotoru v článku, ukážeme později na příkladu s počátečními údaji.

Dobrý vědecký projekt nekončí u návrhu energetického zařízení. Je velmi důležité vypočítat výkon elektromotoru a různé elektrické a mechanické parametry. vaše zařízení a vypočítat vzorec pro výkon elektromotoru pomocí neznámých a užitečných hodnot vzorce.

K výpočtu motoru použijeme mezinárodní soustavu jednotek (SI). Jedná se o moderní metrický systém, oficiálně přijatý v elektrotechnice.

Jedním z nejdůležitějších fyzikálních zákonů je základní Ohmův zákon. Uvádí, že proud procházející vodičem je přímo úměrný použitému napětí a je vyjádřen jako:

I = V/R

kde I je proud v ampérech (A);

V je použité napětí ve voltech (V);

R - odpor, v ohmech (Ω).

Tento vzorec lze použít v mnoha situacích. Odpor vašeho motoru můžete vypočítat měřením odběru proudu a přiloženého napětí. Pro jakýkoli daný odpor (u motorů je to v podstatě odpor cívky) tento vzorec vysvětluje, že proud lze řídit přiloženým napětím.

Spotřebovaný elektrický výkon motoru se určuje podle následujícího vzorce:

Pin = I * V

kde Pin je příkon, měřený ve wattech (W);

I je proud měřený v ampérech (A);

V je použité napětí měřené ve voltech (V).

Jak zjistit výstupní výkon

Motory mají dělat nějakou práci a existují dvě důležité hodnoty, které určují, jak výkonný je. Jedná se o rychlost a sílu otáčení motoru. Mechanický výkon motoru lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Pout = τ * ω

kde Pout je výstupní výkon měřený ve wattech (W);

τ je moment síly měřený v newtonmetrech (N • m);

ω je úhlová rychlost měřená v radiánech za sekundu (rad / s).

Je snadné vypočítat úhlovou rychlost, pokud znáte otáčky motoru v otáčkách za minutu:

ω = otáčky za minutu * 2 * P / 60

kde ω je úhlová rychlost (rad / s);

rpm - rychlost otáčení v otáčkách za minutu;

П - matematická konstanta (3.14);

60 je počet sekund za minutu.

Pokud je motor 100% účinný, veškerá elektrická energie se přemění na mechanickou energii. Takové motory však neexistují. Dokonce i přesné malé průmyslové motory mají maximální účinnost 50-60%.

Měření točivého momentu motoru je náročné. To vyžaduje speciální drahé vybavení. Ale je možné to udělat sami pomocí speciálních informací a vzorců.

Indikátory mechanické účinnosti

Účinnost motoru se vypočítá jako mechanický výkon dělený elektrickým příkonem:

E = Pout / Pin

proto,

Pout = špendlík * E

po substituci dostaneme:

T * ω = I * V * E

T * otáčky za minutu * 2 * P / 60 = I * V * E

a vzorec pro výpočet momentu síly bude:

T = (I * V * E * 60) / (ot./min * 2 * P)

Pro určení výkonu motoru je nutné jej připojit k zátěži, aby generoval krouticí moment. Změřte proud, napětí a otáčky. Nyní můžete vypočítat moment síly pro toto zatížení při této rychlosti, za předpokladu, že znáte účinnost motoru.

Odhadovaná 15procentní účinnost představuje maximální účinnost motoru, ke které dochází pouze při určité rychlosti. Účinnost může být cokoli mezi nulou a maximem; v našem příkladu pod 1000 ot./min mohou být otáčky suboptimální, takže pro výpočty můžete použít 10% účinnost (E = 0,1).

Příklad: rychlost 1000 ot/min, napětí 6 V a proud 220 mA (0,22 A):

T = (0,22 * 6 * 0,1 * 60) / (1000 * 2 * 3,14) = 0,00126 N • m

V důsledku toho se obvykle vyjadřuje v millinewtonech krát metrech (mN • m). 1000 mN • m až 1 N • m, takže vypočtený točivý moment je 1,26 mN • m. Dal by se dále převést na (g-cm) vynásobením výsledku 10,2, a. E. Točivý moment je 12,86 g-cm.

V našem příkladu je příkon motoru 0,22 A x 6 V = 1,32 W, mechanický výstupní výkon je 1 000 ot./min x 2 x 3,14 x 0,00126 N • m / 60 = 0,132 W.

Točivý moment motoru se mění s rychlostí. Maximální rychlost bez zatížení a nulový točivý moment. Zátěž dodává mechanickou odolnost. Motor začne odebírat více proudu, aby překonal tento odpor a otáčky se sníží. Když k tomu dojde, moment síly je maximální.

Jak přesný je výpočet točivého momentu, se určí následovně. Zatímco napětí, proud a rychlost lze měřit přesně, účinnost motoru nemusí být správná. Záleží na přesnosti vaší montáže, poloze snímače, tření, vyrovnání motorů a os generátorů atd.

Rychlost, točivý moment, výkon a účinnost nejsou konstantní hodnoty. Obvykle výrobce uvádí následující údaje ve speciálních tabulkách.

Lineární motory

Lineární motor je v podstatě indukční motor, jehož rotor se „rozvine“ tak, že místo tvoření rotační síla rotujícím elektromagnetickým polem, vytváří lineární sílu po své délce nastavením elektromagnetického offsetová pole.

Akustický hluk

Akustický hluk a vibrace Elektromotory obvykle pocházejí ze tří zdrojů:

• mechanické zdroje (například z ložisek);
• aerodynamické zdroje (například díky ventilátorům namontovaným na hřídeli);
• magnetické zdroje (například v důsledku magnetických sil, jako jsou Maxwellovy síly a magnetostrikce působící na struktury statoru a rotoru).

Poslední zdroj, který může být zodpovědný za hluk motoru, se nazývá elektricky buzený akustický hluk.