Qual è la potenza di un motore elettrico e come determinarla: formule ed esempi

Un motore elettrico è un dispositivo elettromeccanico basato su elettromagnetismo, che consente di convertire l'energia elettrica, ad esempio, in lavoro o energia meccanica. Questo processo è reversibile e può essere utilizzato per generare elettricità. Tuttavia, tutte queste macchine elettriche sono reversibili e possono essere un "motore" o un "generatore" nei quattro quadranti del piano di coppia.

Primi sviluppi

Nel 1821, dopo la scoperta del fenomeno della connessione tra elettricità e magnetismo, da parte del chimico danese Oersted, del teorema di Ampere e della legge di Biot-Savard, il fisico inglese Michael Faraday costruì due dispositivi, che chiamò "rotazione elettromagnetica": il moto circolare continuo della forza magnetica attorno al filo è una dimostrazione concreta del primo motore elettrico.

Nel 1822, Peter Barlow costruì quello che potrebbe essere considerato il primo motore elettrico della storia: la Barlow Wheel. Questo dispositivo è un semplice disco di metallo, tagliato a forma di stella, e le cui estremità sono immerse in una tazza contenente mercurio per fornire un flusso fluente. Tuttavia, crea solo una forza in grado di trasformarlo, impedendone l'uso pratico.

Il primo interruttore utilizzato sperimentalmente fu inventato nel 1832 da William Sturgeon. Il primo motore a corrente continua prodotto per scopi commerciali fu inventato da Thomas Davenport nel 1834 e brevettato nel 1837. Questi motori non ebbero alcuno sviluppo industriale a causa dell'alto costo delle batterie dell'epoca.

motore a corrente continua

Un apparato DC commutato ha una serie di avvolgimenti rotanti avvolti su un'armatura montata su un albero rotante. L'albero ha anche un commutatore, un interruttore elettrico rotante permanente che cambia periodicamente il flusso di corrente negli avvolgimenti del rotore mentre l'albero ruota. Pertanto, ogni motore a ponte CC ha una corrente alternata che scorre attraverso gli avvolgimenti rotanti. La corrente scorre attraverso una o più coppie di spazzole portate sull'interruttore; le spazzole collegano la fonte di alimentazione esterna all'armatura rotante.

Un'armatura rotante è costituita da una o più bobine di filo avvolto attorno a un nucleo ferromagnetico laminato. La corrente dalla spazzola scorre attraverso il commutatore e un avvolgimento dell'indotto, rendendolo un magnete temporaneo (elettromagnete). Il campo magnetico generato dall'armatura interagisce con il campo magnetico stazionario generato dal PM o da un altro avvolgimento (bobina di campo) come parte del telaio del motore.

La forza tra i due campi magnetici tende a far ruotare l'albero motore. L'interruttore commuta l'alimentazione alle bobine mentre il rotore gira, impedendo ai poli magnetici di allinearsi completamente con poli magnetici del campo statorico, in modo che il rotore non si fermi mai (come l'ago di una bussola), ma ruoti mentre è nutrizione.

Mentre la maggior parte degli interruttori sono cilindrici, alcuni sono dischi piatti con più segmenti (di solito almeno tre) montati su un isolante.

Spazzole più grandi sono desiderabili per un'area di contatto della spazzola più ampia per massimizzare la potenza del motore, ma spazzole più piccole auspicabile per masse ridotte al fine di massimizzare la velocità alla quale il motore può funzionare senza eccessiva estensione e spazzole scintillanti. Molle a spazzola più rigide possono anche essere utilizzate per generare spazzole di una data massa a una velocità maggiore, ma a spese di maggiori perdite per attrito e usura sulla spazzola accelerata e sul commutatore. Pertanto, la progettazione del motore CC prevede un compromesso tra potenza erogata, velocità ed efficienza/usura.

Progettazione di motori DC:

• Il circuito dell'armatura è un avvolgimento, trasporta la corrente di carico, che può essere una parte fissa o rotante del motore o del generatore.
• Un circuito di campo è un insieme di avvolgimenti che creano un campo magnetico in modo che l'induzione elettromagnetica possa esistere nelle macchine elettriche.
• Commutazione. Una tecnica meccanica in cui si può ottenere la rettifica, o dove si può ottenere una corrente continua.

Esistono quattro tipi principali di motori CC:

1. Motore elettrico Shunt-wound.
2. Motore elettrico a corrente continua.
3. Motore combinato.
4. motore PM.

Indicatori di calcolo di base

Come scoprire la potenza di un motore elettrico nell'articolo verrà mostrato più avanti, usando un esempio con i dati iniziali.

Un buon progetto scientifico non si limita alla progettazione di un apparato di potenza. È molto importante calcolare la potenza del motore elettrico e i vari parametri elettrici e meccanici. il tuo dispositivo e calcola la formula per la potenza del motore elettrico utilizzando valori sconosciuti e utili formule.

Useremo il Sistema Internazionale di Unità (SI) per calcolare il motore. Questo è il moderno sistema metrico, adottato ufficialmente nell'ingegneria elettrica.

Una delle leggi più importanti della fisica è la legge fondamentale di Ohm. Afferma che la corrente attraverso un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione applicata ed è espressa come:

io = V / R

dove I è la corrente, in ampere (A);

V è la tensione applicata, in volt (V);

R è la resistenza, in ohm (Ω).

Questa formula può essere utilizzata in molte situazioni. Puoi calcolare la resistenza del tuo motore misurando l'assorbimento di corrente e la tensione applicata. Per ogni data resistenza (nei motori questa è fondamentalmente la resistenza della bobina), questa formula spiega che la corrente può essere controllata dalla tensione applicata.

La potenza elettrica consumata dal motore è determinata dalla seguente formula:

Pin = I * V

dove Pin è la potenza in ingresso, misurata in watt (W);

I è la corrente misurata in ampere (A);

V è la tensione applicata, misurata in volt (V).

Come scoprire la potenza di uscita

I motori dovrebbero fare un po' di lavoro e ci sono due valori importanti che determinano quanto sia potente. Questa è la velocità e la forza di rotazione del motore. La potenza meccanica del motore può essere calcolata utilizzando la seguente formula:

broncio = τ * ω

dove Pout è la potenza in uscita, misurata in watt (W);

è il momento della forza, misurato in Newton metri (N • m);

è la velocità angolare, misurata in radianti al secondo (rad/s).

È facile calcolare la velocità angolare se si conosce la velocità del motore in giri/min:

ω = giri/min * 2 * P / 60

dove è la velocità angolare (rad/s);

rpm - velocità di rotazione in giri al minuto;

П - costante matematica (3.14);

60 è il numero di secondi in un minuto.

Se il motore è efficiente al 100%, tutta l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica. Tuttavia, tali motori non esistono. Anche i piccoli motori industriali di precisione hanno un'efficienza massima del 50-60%.

La misurazione della coppia di un motore è impegnativa. Ciò richiede attrezzature costose speciali. Ma è possibile farlo da soli con informazioni e formule speciali.

Indicatori di efficienza meccanica

L'efficienza del motore è calcolata come la potenza meccanica divisa per l'assorbimento elettrico:

E = Broncio / Pin

quindi,

Pout = Pin * E

dopo la sostituzione otteniamo:

T * ω = I * V * E

T * giri/min * 2 * P / 60 = I * V * E

e la formula per calcolare il momento della forza sarà:

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

Per determinare la potenza del motore è necessario collegarlo al carico per generare una coppia. Misura corrente, tensione e giri/min. Ora puoi calcolare il momento della forza per questo carico a questa velocità, supponendo che tu conosca l'efficienza del motore.

L'efficienza stimata del 15% rappresenta l'efficienza massima del motore che si verifica solo a una velocità specifica. L'efficienza può essere qualsiasi cosa tra zero e massimo; nel nostro esempio al di sotto dei 1000 giri/min potrebbe esserci una velocità non ottimale, quindi per i calcoli è possibile utilizzare un'efficienza del 10% (E = 0,1).

Esempio: velocità 1000 giri/min, tensione 6 V e corrente 220 mA (0,22 A):

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

Di conseguenza, è solitamente espresso in millinewton per metri (mN • m). 1000 mN • ma 1 N • m, quindi la coppia calcolata è 1,26 mN • m. Potrebbe essere ulteriormente convertita in (g-cm) moltiplicando il risultato per 10,2 e. e. La coppia è di 12,86 g-cm.

Nel nostro esempio, la potenza in ingresso del motore è 0,22 A x 6 V = 1,32 W, la potenza in uscita meccanica è 1000 giri/min x 2 x 3,14 x 0,00126 N • m / 60 = 0,132 W.

La coppia del motore cambia con la velocità. Velocità massima a vuoto e coppia nulla. Il carico aggiunge resistenza meccanica. Il motore inizia ad assorbire più corrente per superare questa resistenza e la velocità diminuisce. Quando ciò accade, il momento della forza è al massimo.

L'accuratezza del calcolo della coppia è determinata come segue. Mentre tensione, corrente e velocità possono essere misurate con precisione, l'efficienza del motore potrebbe non essere corretta. Dipende dalla precisione dell'assemblaggio, dalla posizione del sensore, dall'attrito, dall'allineamento dei motori e degli assi del generatore, ecc.

Velocità, coppia, potenza ed efficienza non sono valori costanti. Di solito il produttore fornisce i seguenti dati in tabelle speciali.

Motori lineari

Un motore lineare è essenzialmente un motore a induzione, il cui rotore si "srotola" in modo che invece di creare forza di rotazione da un campo elettromagnetico rotante, crea una forza lineare lungo la sua lunghezza impostando un campo elettromagnetico campi di compensazione.

Rumore acustico

Rumore acustico e vibrazioni I motori elettrici di solito derivano da tre fonti:

• fonti meccaniche (ad esempio da cuscinetti);
• fonti aerodinamiche (ad esempio, grazie alle ventole montate sull'albero);
• sorgenti magnetiche (ad esempio dovute a forze magnetiche come le forze di Maxwell e la magnetostrizione che agiscono sulle strutture dello statore e del rotore).

L'ultima fonte che può essere responsabile del rumore del motore è chiamata rumore acustico eccitato elettricamente.