מהו כוחו של מנוע חשמלי וכיצד לקבוע אותו: נוסחאות ודוגמאות

מנוע חשמלי הוא מכשיר אלקטרומכני המבוסס על אלקטרומגנטיות, המאפשרת לך להמיר אנרגיה חשמלית, למשל, לעבודה או אנרגיה מכנית. תהליך זה הוא הפיך וניתן להשתמש בו לייצור חשמל. עם זאת, כל המכונות החשמליות הללו הן הפיכות ויכולות להיות "מנוע" או "גנרטור" בארבעת הרביעים של מישור המומנט.

התפתחויות מוקדמות

בשנת 1821, לאחר גילוי תופעת הקשר בין חשמל למגנטיות, על ידי הכימאי הדני אורסטד, משפט אמפר וחוק ביוט-סווארד, בנה הפיזיקאי האנגלי מייקל פאראדיי. שני מכשירים, אותם הוא כינה "סיבוב אלקטרומגנטי": התנועה המעגלית המתמשכת של הכוח המגנטי סביב החוט היא הדגמה ממשית של הראשון מנוע חשמלי.

בשנת 1822 בנה פיטר בארלו את מה שיכול להיחשב למנוע החשמלי הראשון בהיסטוריה: גלגל בארלו. התקן זה הוא דיסק מתכת פשוט, חתוך לכוכב, וקצותיו טובלים בכוס המכילה כספית כדי לספק זרם זורם. עם זאת, הוא יוצר רק כוח המסוגל להפוך אותו, ולמנוע את השימוש המעשי בו.

המתג הראשון שנעשה בו שימוש ניסיוני הומצא בשנת 1832 על ידי ויליאם סטרג'ון. המנוע DC הראשון שיוצר למטרות מסחריות הומצא על ידי תומס דבנפורט ב-1834 ורשם פטנט ב-1837. מנועים אלו לא חוו כל התפתחות תעשייתית עקב העלות הגבוהה של הסוללות באותה תקופה.

מנוע DC

למכשיר DC מיתוג יש קבוצה של פיתולים מסתובבים הכרוכים על אבזור המותקן על פיר מסתובב. לציר יש גם commutator, מתג חשמלי סיבובי קבוע שמשנה מעת לעת את זרימת הזרם בפיתולי הרוטור בזמן שהציר מסתובב. לפיכך, לכל מנוע גשר DC יש זרם חילופין שזורם דרך הפיתולים המסתובבים. הזרם זורם דרך זוג אחד או יותר של מברשות הנישאות על המתג; המברשות מחברות את מקור הכוח החיצוני לאבזור המסתובב.

אבזור מסתובב מורכב מסליל אחד או יותר של תיל הכרוך סביב ליבה פרומגנטית למינציה. הזרם מהמברשת זורם דרך הקומוטטור ופיתול אבזור אחד, מה שהופך אותו למגנט זמני (אלקטרומגנט). השדה המגנטי שנוצר על ידי האבזור מקיים אינטראקציה עם השדה המגנטי הנייח שנוצר על ידי ה-PM או מפיתול אחר (סליל שדה) כחלק ממסגרת המנוע.

הכוח בין שני השדות המגנטיים נוטה לסובב את ציר המנוע. המתג מעביר כוח לסלילים כשהרוטור מסתובב, ומונע מהקטבים המגנטיים להתיישר אי פעם עם קטבים מגנטיים של שדה הסטטור, כך שהרוטור לעולם לא עוצר (כמו מחט מצפן), אלא מסתובב בזמן שהוא תְזוּנָה.

בעוד שרוב המתגים הם גליליים, חלקם הם דיסקים שטוחים עם מספר מקטעים (בדרך כלל לפחות שלושה) המורכבים על מבודד.

רצויות מברשות גדולות יותר עבור שטח מגע גדול יותר במברשת כדי למקסם את כוח המנוע, אך מברשות קטנות יותר רצוי עבור מסות נמוכות על מנת למקסם את המהירות שבה המנוע יכול לפעול ללא ריבאונד מוגזם ו מברשות נוצצות. קפיצי מברשת נוקשים יותר יכולים לשמש גם ליצירת מברשות במסה נתונה במהירות גבוהה יותר, אך על חשבון הפסדי חיכוך גבוהים יותר ובלאי של המברשת המואצת והקומוטטור. לכן, העיצוב של מנוע DC כרוך בהחלפה בין תפוקת כוח, מהירות ויעילות/בלאי.

עיצוב מנועי DC:

• מעגל האבזור הוא מתפתל, הוא נושא את זרם העומס, שיכול להיות חלק קבוע או מסתובב של המנוע או הגנרטור.
• מעגל שדה הוא קבוצה של פיתולים היוצרים שדה מגנטי כך שאינדוקציה אלקטרומגנטית יכולה להתקיים במכונות חשמליות.
• הַחלָפָה. טכניקה מכנית שבה ניתן להשיג תיקון, או שבה ניתן להשיג זרם ישר.

ישנם ארבעה סוגים עיקריים של מנועי DC:

1. מנוע חשמלי משולב.
2. מנוע חשמלי DC.
3. מנוע משולב.
4. מנוע PM.

מדדי חישוב בסיסיים

כיצד לגלות את כוחו של המנוע החשמלי במאמר יוצג מאוחר יותר, באמצעות דוגמה עם נתונים ראשוניים.

פרויקט מדעי טוב לא מסתכם בתכנון מכשיר כוח. חשוב מאוד לחשב את הספק המנוע החשמלי ואת הפרמטרים החשמליים והמכאניים השונים. המכשיר שלך וחשב את הנוסחה להספק המנוע החשמלי באמצעות ערכים לא ידועים ושימושיים נוסחאות.

נשתמש במערכת היחידות הבינלאומית (SI) כדי לחשב את המנוע. זוהי המערכת המטרית המודרנית, שאומצה רשמית בהנדסת חשמל.

אחד מחוקי הפיזיקה החשובים ביותר הוא החוק היסודי של אוהם. הוא קובע כי הזרם דרך מוליך עומד ביחס ישר למתח המופעל ומתבטא כ:

I = V / R

כאשר I הוא הזרם, באמפר (A);

V הוא המתח המופעל, בוולט (V);

R - התנגדות, באוהם (Ω).

ניתן להשתמש בנוסחה זו במצבים רבים. אתה יכול לחשב את ההתנגדות של המנוע שלך על ידי מדידת יציאת הזרם והמתח המופעל. עבור כל התנגדות נתונה (במנועים זו בעצם התנגדות הסליל), נוסחה זו מסבירה שניתן לשלוט בזרם על ידי המתח המופעל.

הכוח החשמלי הנצרך של המנוע נקבע על ידי הנוסחה הבאה:

Pin = I * V

כאשר Pin הוא הספק המבוא, נמדד בוואט (W);

I הוא הזרם הנמדד באמפר (A);

V הוא המתח המופעל, הנמדד בוולט (V).

כיצד לגלות את כוח המוצא

המנועים אמורים לעשות קצת עבודה, ויש שני ערכים חשובים שקובעים עד כמה הוא חזק. זוהי מהירות וכוח הסיבוב של המנוע. ניתן לחשב את התפוקה המכנית של המנוע באמצעות הנוסחה הבאה:

פוט = τ * ω

כאשר Pout הוא הספק המוצא, נמדד בוואט (W);

τ הוא רגע הכוח, הנמדד בניוטון מטרים (N • m);

ω היא המהירות הזוויתית, הנמדדת ברדיאנים לשנייה (רד / s).

קל לחשב את המהירות הזוויתית אם אתה יודע את מהירות המנוע בסל"ד:

ω = סל"ד * 2 * P / 60

כאשר ω היא המהירות הזוויתית (rad / s);

סל"ד - מהירות סיבוב בסיבובים לדקה;

П - קבוע מתמטי (3.14);

60 הוא מספר השניות בדקה.

אם המנוע יעיל ב-100%, כל האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה מכנית. עם זאת, מנועים כאלה אינם קיימים. אפילו למנועים תעשייתיים קטנים מדויקים יש יעילות מקסימלית של 50-60%.

מדידת המומנט של מנוע היא מאתגרת. זה דורש ציוד יקר מיוחד. אבל אפשר לעשות את זה בעצמך עם מידע מיוחד ונוסחאות.

מדדי יעילות מכנית

יעילות המנוע מחושבת כתפוקה מכנית חלקי קלט חשמלי:

E = Pout / Pin

לָכֵן,

פוטה = סיכה * E

לאחר החלפה נקבל:

T * ω = I * V * E

T * rpm * 2 * P / 60 = I * V * E

והנוסחה לחישוב מומנט הכוח תהיה:

T = (I * V * E * 60) / (סל"ד * 2 * P)

כדי לקבוע את כוחו של המנוע, יש צורך לחבר אותו לעומס כדי ליצור מומנט. למדוד זרם, מתח וסל"ד. כעת אתה יכול לחשב את רגע הכוח עבור עומס זה במהירות זו, בהנחה שאתה יודע את יעילות המנוע.

היעילות המוערכת של 15 אחוז מייצגת את יעילות המנוע המרבית המתרחשת רק במהירות מסוימת. היעילות יכולה להיות כל דבר בין אפס למקסימום; בדוגמה שלנו מתחת ל-1000 סל"ד עשויה להיות מהירות לא אופטימלית, אז לחישובים אתה יכול להשתמש ביעילות של 10% (E = 0.1).

דוגמה: מהירות 1000 סל"ד, מתח 6 וולט וזרם 220 mA (0.22 A):

T = (0.22 * 6 * 0.1 * 60) / (1000 * 2 * 3.14) = 0.00126 N • מ'

כתוצאה מכך, הוא מתבטא בדרך כלל במיליניוטון כפול מטר (mN • m). 1000 mN • m עד 1 N • m, כך שהמומנט המחושב הוא 1.26 mN • m. ניתן להמיר אותו עוד יותר ל- (g-cm) על ידי הכפלת התוצאה ב-10.2, ו. ה. המומנט הוא 12.86 גרם-ס"מ.

בדוגמה שלנו, הספק הכניסה של המנוע הוא 0.22 A x 6 V = 1.32 W, הספק המוצא המכני הוא 1000 סל"ד x 2 x 3.14 x 0.00126 N • m / 60 = 0.132 W.

מומנט המנוע משתנה עם המהירות. ללא עומס מהירות מרבית ומומנט אפס. העומס מוסיף התנגדות מכנית. המנוע מתחיל למשוך יותר זרם כדי להתגבר על התנגדות זו והמהירות יורדת. כשזה קורה, רגע הכוח נמצא במקסימום.

עד כמה מדויק חישוב המומנט נקבע כדלקמן. אמנם ניתן למדוד מתח, זרם ומהירות במדויק, אך ייתכן שיעילות המנוע לא תהיה נכונה. זה תלוי בדיוק של ההרכבה שלך, מיקום החיישן, החיכוך, יישור המנועים והסרנים של הגנרטור וכו'.

מהירות, מומנט, כוח ויעילות אינם ערכים קבועים. בדרך כלל היצרן מספק את הנתונים הבאים בטבלאות מיוחדות.

מנועים לינאריים

מנוע ליניארי הוא בעצם מנוע אינדוקציה, שהרוטור שלו "מתגלגל" כך שבמקום ליצור כוח סיבובי על ידי שדה אלקטרומגנטי מסתובב, הוא יוצר כוח ליניארי לאורכו על ידי הגדרת אלקטרומגנטי שדות היסט.

רעש אקוסטי

רעש ורטט אקוסטיים מנועים חשמליים נובעים בדרך כלל משלושה מקורות:

• מקורות מכניים (למשל, ממיסבים);
• מקורות אווירודינמיים (לדוגמה, הודות למאווררים המורכבים על הפיר);
• מקורות מגנטיים (לדוגמה, עקב כוחות מגנטיים כגון כוחות מקסוול ומגנטוסטיריון הפועלים על מבני הסטטור והרוטור).

המקור האחרון שיכול להיות אחראי לרעש המנוע נקרא רעש אקוסטי מעורר חשמלי.