Як визначити потужність електродвигуна і розрахунок його ефективності

Електричний двигун являє собою електромеханічний пристрій, засноване на електромагнетизмі, що дозволяє перетворювати електричну енергію, наприклад, в робочу або механічну енергію. Цей процес є оборотним і може бути використаний для вироблення електроенергії. Однак всі ці електричні машини є оборотними і можуть бути «двигуном» або «генератором» в чотирьох квадрантах площини з обертовим моментом.

ранні розробки

У 1821 році, після відкриття феномена зв'язку електрики і магнетизму, датським хіміком Ерстед, теореми Ампера і закону Біо – Савара, англійський фізик Майкл Фарадей побудував два апарати, які він назвав «електромагнітне обертання»: безперервне круговий рух магнітної сили навколо дроти – це фактична демонстрація першого електродвигуна.

У 1822 році Пітер Барлоу побудував те, що можна вважати першим електродвигуном в історії: «колесо Барлоу». Це пристрій являє собою простий металевий диск, нарізаний зіркою, і кінці якого занурюються в чашку, яка містить ртуть, що забезпечує поточний потік. Однак він створює тільки силу, здатну її повертати, не допускаючи її практичного застосування.

Перший експериментально використовуваний комутатор був винайдений в 1832 році Вільямом Стерджоном. Перший двигун постійного струму, виготовлений з метою продажу, був винайдений Томасом Давенпортом в 1834 році і запатентований в 1837 році. Ці двигуни не зазнали ніякого промислового розвитку через високу вартість батарей в той час.

Електродвигун з DC

Комутований апарат постійного струму має набір обертових обмоток, намотаних на якір, встановлений на обертовому валу. На валу також є комутатор, довготривалий поворотний електричний вимикач, який періодично змінює потік струму в обмотках ротора при обертанні вала. Таким чином, кожен бруківці мотор постійного струму має змінний струм, що проходить через обертові обмотки. Струм протікає через одну або кілька пар щіток, які несуть на комутаторі; щіточки з'єднують зовнішнє джерело електроенергії з обертової арматурою.

Обертається арматура складається з однієї або декількох котушок дроту, намотаною навколо ламінованого феромагнітного сердечника. Струм від щітки протікає через комутатор і одну обмотку якоря, роблячи його тимчасовим магнітом (електромагнітом). Магнітне поле, створюване якорем, взаємодіє зі стаціонарним магнітним полем, створюваним або PM, або інший обмоткою (польовий котушкою), як частина каркаса двигуна.

Сила між двома магнітними полями має тенденцію обертати вал двигуна. Комутатор перемикає живлення на котушки при повороті ротора, утримуючи магнітні полюси, від коли-небудь повністю збігається з магнітними полюсами поля статора, так що ротор ніколи не зупиняється (як стрілка компаса), а скоріше обертається поки є харчування.

Хоча більшість комутаторів є циліндричними, деякі з них представляють собою плоскі диски, що складаються з декількох сегментів (як правило, не менше трьох), встановлених на ізоляторі.

Великі щітки бажані для більшої площі контакту щітки, для максимізації потужності двигуна, але невеликі щіточки бажані для малої маси, щоб максимізувати швидкість, з якою двигун може працювати, без надмірного відскоку і іскріння щіток. Більш жорсткі пружини для щіток також можуть використовуватися для створення щіток заданої маси на більш високій швидкості, але за рахунок великих втрат через тертя і зносу прискореної щітки і комутатора. Тому конструкція електродвигуна постійного струму тягне за собою компроміс між вихідною потужністю, швидкістю та ефективністю / зносом.

Конструкція двигунів з DC:

• Схема арматури – обмотка, в ній переноситься струм навантаження, який може бути нерухомою або обертається частиною двигуна або генератора.
• Польова схема – набір обмоток, що створюють магнітне поле, так що електромагнітна індукція може існувати в електричних машинах.
• Комутація. Механічна техніка, в якій може бути досягнута ректифікація, або завдяки чому може бути отриманий постійний струм.

Існує чотири основних типів електродвигунів постійного струму:

1. Електродвигун з шунтовой намотуванням.
2. Електродвигун постійного струму.
3. Комбінований двигун.
4. Двигун PM.

Базові розрахункові показники

Про те, як дізнатися потужність електродвигуна в статті буде показано далі, на прикладі з вихідними даними.

Хороший науковий проект не зупиняється на конструюванні силового апарату. Дуже важливо зробити розрахунок потужності електродвигуна і різні електричні і механічні параметри вашого апарату і розрахувати формулу потужності електродвигуна використовуючи невідомі значення і корисні формули.

Для розрахунку електродвигуна ми будемо використовувати Міжнародну систему одиниць (СІ). Це сучасна метрична система, офіційно прийнята в електротехніці.

Одним з найважливіших законів фізики є основний закон Ома. Він стверджує, що струм через провідник прямо пропорційний прикладеній напрузі і виражається як:

I = V / R

де I – струм, в амперах (A);

V – прикладена напруга, в вольтах (V);

R – опір, в Омасі (Ω).

Ця формула може використовуватися в багатьох випадках. Ви можете розрахувати опір вашого двигуна, вимірявши, споживаний струм і прикладена напруга. Для будь-якого заданого опору (в двигунах це в основному опір котушки), ця формула пояснює, що струм можна контролювати прикладеним напругою.

Потужність двигуна визначається за такою формулою:

Pin = I * V

де Pin – вхідна потужність, виміряна в ватах (Вт);

I – струм, який вимірюється в амперах (A);

V – прикладена напруга, виміряна в вольтах (V).

Як дізнатися вихідну потужність

Двигуни як передбачається, виконують якусь роботу, і два важливих значення, які визначають, наскільки він потужний. Це швидкість і сила повороту двигуна. Вихідна механічна потужність двигуна може бути розрахована за наступною формулою:

Pout = τ * ω

де Pout – вихідна потужність, виміряна в ватах (Вт);

τ – момент сили, який вимірюється в метрах Ньютона (N • м);

ω – кутова швидкість, виміряна в радіанах в секунду (рад / с).

Легко розрахувати кутову швидкість, якщо ви знаєте швидкість обертання двигуна в об / хв:

ω = rpm * 2 * П / 60

де ω – кутова швидкість (рад / с);

об / хв – швидкість обертання в оборотах в хвилину;

П – математична константа (3.14);

60 – кількість секунд в хвилині.

Якщо двигун має 100% ККД, вся електрична енергія перетворюється в механічну енергію. Однак таких двигунів не існує. Навіть прецизійні малі промислові двигуни, мають максимальну ефективність 50-60%.

Вимірювання момент сили двигуна є складним завданням. Для цього потрібне спеціальне дороге устаткування. Але це можливо зробити і самому володіючи спеціальною інформацією і формулами.

Показники механічної ефективності

Ефективність двигуна розраховується як механічна вихідна потужність, поділена на електричну вхідну потужність:

E = Pout / Pin

Pout = Pin * E

після підстановки ми отримуємо:

Т * ω = I * V * E

Т * rpm * 2 * П / 60 = I * V * E

і формула для розрахунку моменту сили буде дорівнює:

Т = (I * V * E * 60) / (об / хв * 2 * П)

Щоб визначити потужність двигуна необхідно підключити його до навантаження, для освіти моменту сили. Виміряйте струм, напруга і об / хв. Тепер ви можете розрахувати момент сили для цього навантаження з цією швидкістю, припускаючи, що ви знаєте ефективність двигуна.

Оціночна 15-відсоткова ефективність являє собою максимальну ефективність двигуна, яка відбувається тільки з певною швидкістю.Ефективність може бути яка завгодно між нулем і максимумом; в нашому прикладі нижче 1000 об / хв може бути неоптимальна швидкість, тому для розрахунків ви можете використовувати 10% ККД (E = 0,1).

Приклад: швидкість 1000 об / хв, напруга 6 В, а струм 220 мА (0,22 А):

Т = (0,22 * 6 * 0,1 * 60) / (1000 * 2 * 3,14) = 0,00126 Н • м

Як результат, зазвичай він виражається в мілліньютонах помножені на метри (мН • м). Тисячі мН • м в 1 Н • м, тому розрахований крутний момент становить 1,26 мН • м. Його можна було б перетворити далі в (г-см), помноживши результат на 10,2, і. е. Момент, що крутить становить 12,86 г-см.

У нашому прикладі вхідна потужність двигуна становить 0,22 A x 6 V = 1,32 Вт, механічна потужність виходу становить 1000 об / хв x 2 × 3,14 × 0,00126 Н • м / 60 = 0,132 Вт.

Момент сили двигуна змінюється зі швидкістю. При відсутності навантаження максимальна швидкість і нульовий крутний момент. Навантаження додає механічне опір. Мотор починає споживати більше струму для подолання цього опору, і швидкість зменшується. Коли це відбувається, момент сили максимальний.

Наскільки точний розрахунок крутного моменту, визначається наступним чином. У той час як напруга, струм і швидкість можуть бути точно виміряні, ефективність двигуна може бути неправильною. Це залежить від точності вашої збірки, положення датчика, тертя, вирівнювання моторів і осей генератора і т. Д.

Швидкість, крутний момент, потужність і ефективність не є постійними значеннями. Зазвичай виробник надає наступні дані в спеціальних таблицях.

лінійні двигуни

Лінійний двигун по суті є асинхронним двигуном, ротор якого «розгортається», так що замість створення обертальної сили обертовим електромагнітним полем, він створює лінійну силу уздовж своєї довжини шляхом установки електромагнітного поля зсуву.

акустичний шум

Акустичний шум і вібрації електродвигунів зазвичай виникає з трьох джерел:

• механічні джерела (наприклад, через підшипників);
• аеродинамічні джерела (наприклад, завдяки вентиляторів, встановленим на валу);
• магнітні джерела (наприклад, через магнітних сил, таких як сили Максвелла і магнітострикції, що діють на структури статора і ротора).

Останній джерело, який може відповідати за шум електродвигунів, називається електрично-збудженим акустичним шумом.