Jaka jest moc silnika elektrycznego i jak ją określić: wzory i przykłady

Silnik elektryczny to urządzenie elektromechaniczne oparte na elektromagnetyzmu, który pozwala na zamianę energii elektrycznej np. na pracę lub energia mechaniczna. Proces ten jest odwracalny i można go wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Jednak wszystkie te maszyny elektryczne są odwracalne i mogą być „silnikiem” lub „generatorem” w czterech ćwiartkach płaszczyzny momentu obrotowego.

Wczesne wydarzenia

W 1821 r., po odkryciu przez duńskiego chemika Oersteda zjawiska związku elektryczności z magnetyzmem, twierdzenia Ampere'a i prawa Biota-Savarda, angielski fizyk Michael Faraday zbudował dwa urządzenia, które nazwał „obrotem elektromagnetycznym”: ciągły ruch kołowy siły magnetycznej wokół drutu jest faktyczną demonstracją pierwszego silnik elektryczny.

W 1822 roku Peter Barlow zbudował coś, co można uznać za pierwszy silnik elektryczny w historii: Koło Barlowa. To urządzenie jest prostym metalowym dyskiem, wyciętym w gwiazdę, którego końce są zanurzone w kubku zawierającym rtęć, aby zapewnić przepływający strumień. Tworzy jednak tylko siłę zdolną go obrócić, uniemożliwiając jego praktyczne wykorzystanie.

Pierwszy eksperymentalnie używany przełącznik został wynaleziony w 1832 roku przez Williama Sturgeona. Pierwszy silnik prądu stałego wyprodukowany do celów komercyjnych został wynaleziony przez Thomasa Davenporta w 1834 roku i opatentowany w 1837 roku. Silniki te nie przeszły żadnego rozwoju przemysłowego ze względu na wysoki koszt akumulatorów w tamtym czasie.

Silnik prądu stałego

Przełączany aparat prądu stałego ma zestaw wirujących uzwojeń nawiniętych na twornik zamontowany na obracającym się wale. Wał posiada również komutator, stały obrotowy przełącznik elektryczny, który okresowo zmienia przepływ prądu w uzwojeniach wirnika podczas obracania się wału. W ten sposób każdy silnik mostkowy prądu stałego ma prąd przemienny przepływający przez obracające się uzwojenia. Prąd przepływa przez jedną lub więcej par szczotek umieszczonych na przełączniku; szczotki łączą zewnętrzne źródło zasilania z obracającą się armaturą.

Obracająca się zwora składa się z jednej lub więcej cewek drutu owiniętych wokół laminowanego rdzenia ferromagnetycznego. Prąd ze szczotki przepływa przez komutator i jedno uzwojenie twornika, czyniąc go tymczasowym magnesem (elektromagnesem). Pole magnetyczne generowane przez twornik oddziałuje ze stacjonarnym polem magnetycznym generowanym przez PM lub inne uzwojenie (cewka pola) jako część ramy silnika.

Siła pomiędzy dwoma polami magnetycznymi ma tendencję do obracania wału silnika. Przełącznik przełącza zasilanie na cewki, gdy wirnik obraca się, zapobiegając całkowitemu wyrównaniu biegunów magnetycznych z biegunów magnetycznych pola stojana, dzięki czemu wirnik nigdy się nie zatrzymuje (jak igła kompasu), a raczej obraca się, gdy jest odżywianie.

Podczas gdy większość przełączników jest cylindryczna, niektóre to płaskie dyski z wieloma segmentami (zwykle co najmniej trzema) zamontowanymi na izolatorze.

Większe szczotki są pożądane dla większego obszaru styku szczotek, aby zmaksymalizować moc silnika, ale mniejsze szczotki pożądane dla małych mas, aby zmaksymalizować prędkość, przy której silnik może pracować bez nadmiernego odbicia i iskrzące szczotki. Sztywniejsze sprężyny szczotkowe mogą również służyć do generowania szczotek o danej masie z większą prędkością, ale kosztem większych strat tarcia i zużycia przyspieszonej szczotki i komutatora. Dlatego projekt silnika prądu stałego wymaga kompromisu między mocą wyjściową, prędkością i sprawnością/zużyciem.

Konstrukcja silników prądu stałego:

• Obwód twornika jest uzwojeniem, przenosi prąd obciążenia, który może być stałą lub obrotową częścią silnika lub generatora.
• Obwód pola to zestaw uzwojeń, które wytwarzają pole magnetyczne, dzięki czemu indukcja elektromagnetyczna może istnieć w maszynach elektrycznych.
• Komutacja. Technika mechaniczna, w której można uzyskać rektyfikację lub uzyskać prąd stały.

Istnieją cztery główne typy silników prądu stałego:

1. Silnik elektryczny z bocznikiem.
2. Silnik elektryczny prądu stałego.
3. Połączony silnik.
4. Silnik PM.

Podstawowe wskaźniki obliczeniowe

Jak sprawdzić moc silnika elektrycznego w artykule, zostanie pokazane później, na przykładzie z danymi początkowymi.

Dobry projekt naukowy nie kończy się na zaprojektowaniu aparatury energetycznej. Bardzo ważne jest obliczenie mocy silnika elektrycznego oraz różnych parametrów elektrycznych i mechanicznych. swoje urządzenie i oblicz wzór na moc silnika elektrycznego przy użyciu nieznanych i przydatnych wartości formuły.

Do obliczenia silnika użyjemy Międzynarodowego Układu Jednostek Jednostek (SI). Jest to nowoczesny system metryczny, oficjalnie przyjęty w elektrotechnice.

Jednym z najważniejszych praw fizyki jest fundamentalne prawo Ohma. Twierdzi, że prąd płynący przez przewodnik jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia i wyraża się jako:

I = V / R

gdzie ja jest prądem, w amperach (A);

V to przyłożone napięcie w woltach (V);

R - rezystancja, w omach (Ω).

Ta formuła może być stosowana w wielu sytuacjach. Możesz obliczyć rezystancję silnika, mierząc pobór prądu i przyłożone napięcie. Dla dowolnej danej rezystancji (w silnikach jest to w zasadzie rezystancja cewki), ten wzór wyjaśnia, że ​​prąd może być kontrolowany przez przyłożone napięcie.

Zużytą moc elektryczną silnika określa następujący wzór:

Pin = I * V

gdzie Pin to moc wejściowa mierzona w watach (W);

I to prąd mierzony w amperach (A);

V to przyłożone napięcie mierzone w woltach (V).

Jak sprawdzić moc wyjściową?

Silniki mają trochę pracy, a są dwie ważne wartości, które decydują o jego mocy. To jest prędkość i siła obrotowa silnika. Moc mechaniczną silnika można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Pout = τ * ω

gdzie Pout to moc wyjściowa mierzona w watach (W);

τ jest momentem siły mierzonym w niutonometrach (N • m);

ω to prędkość kątowa mierzona w radianach na sekundę (rad/s).

Znając prędkość obrotową silnika w obr/min łatwo obliczyć prędkość kątową:

ω = obr./min * 2 * P / 60

gdzie ω jest prędkością kątową (rad / s);

rpm - prędkość obrotowa w obrotach na minutę;

П - stała matematyczna (3.14);

60 to liczba sekund na minutę.

Jeżeli silnik jest w 100% sprawny, cała energia elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną. Jednak takie silniki nie istnieją. Nawet precyzyjne małe silniki przemysłowe mają maksymalną sprawność 50-60%.

Pomiar momentu obrotowego silnika jest wyzwaniem. Wymaga to specjalnego drogiego sprzętu. Ale można to zrobić samemu dzięki specjalnym informacjom i formułom.

Wskaźniki sprawności mechanicznej

Sprawność silnika jest obliczana jako moc mechaniczna podzielona przez moc elektryczną:

E = Pout / Pin

W związku z tym,

Pout = Pin * E

po podstawieniu otrzymujemy:

T * ω = I * V * E

T * obr./min * 2 * P / 60 = I * V * E

a wzór na obliczenie momentu siły będzie następujący:

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

Aby określić moc silnika, konieczne jest podłączenie go do obciążenia w celu wygenerowania momentu obrotowego. Zmierz prąd, napięcie i obroty. Teraz możesz obliczyć moment siły dla tego obciążenia przy tej prędkości, zakładając, że znasz sprawność silnika.

Szacowana 15-procentowa sprawność reprezentuje maksymalną sprawność silnika, która występuje tylko przy określonej prędkości. Wydajność może wynosić od zera do maksimum; w naszym przykładzie poniżej 1000 obr/min może występować prędkość nieoptymalna, więc do obliczeń można użyć wydajności 10% (E = 0,1).

Przykład: prędkość 1000 obr/min, napięcie 6 V i prąd 220 mA (0,22 A):

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

W rezultacie jest zwykle wyrażany w milinewtonach razy metry (mN • m). 1000 mN • m do 1 N • m, więc obliczony moment obrotowy wynosi 1,26 mN • m. Można go dalej przeliczyć na (g-cm) mnożąc wynik przez 10,2 i. mi. Moment obrotowy wynosi 12,86 g-cm.

W naszym przykładzie moc wejściowa silnika wynosi 0,22 A x 6 V = 1,32 W, mechaniczna moc wyjściowa 1000 obr/min x 2 x 3,14 x 0,00126 N • m / 60 = 0,132 W.

Moment obrotowy silnika zmienia się wraz z prędkością. Maksymalna prędkość bez obciążenia i zerowy moment obrotowy. Obciążenie zwiększa odporność mechaniczną. Silnik zaczyna pobierać więcej prądu, aby pokonać ten opór, a prędkość spada. Kiedy tak się dzieje, moment siły osiąga maksimum.

Jak dokładne obliczenia momentu obrotowego są określane w następujący sposób. Chociaż napięcie, prąd i prędkość można dokładnie zmierzyć, sprawność silnika może nie być prawidłowa. Zależy to od dokładności montażu, pozycji czujnika, tarcia, wyrównania silników i osi generatora itp.

Prędkość, moment obrotowy, moc i sprawność nie są wartościami stałymi. Zazwyczaj producent podaje następujące dane w specjalnych tabelach.

Silniki liniowe

Silnik liniowy to zasadniczo silnik indukcyjny, którego wirnik „rozwija się”, tak że zamiast tworzyć siła obrotowa przez wirujące pole elektromagnetyczne, wytwarza siłę liniową wzdłuż swojej długości poprzez ustawienie elektromagnetycznego pola przesunięcia.

Hałas akustyczny

Hałas akustyczny i wibracje Silniki elektryczne zwykle pochodzą z trzech źródeł:

• źródła mechaniczne (na przykład z łożysk);
• źródła aerodynamiczne (np. dzięki wentylatorom zamontowanym na wale);
• źródła magnetyczne (na przykład z powodu sił magnetycznych, takich jak siły Maxwella i magnetostrykcji działających na konstrukcje stojana i wirnika).

Ostatnim źródłem, które może być odpowiedzialne za hałas silnika, jest elektrycznie wzbudzony hałas akustyczny.