Mennyi áramot tud termelni egy 12 V-os egyenáramú motor? (1-150 W)

Mennyi teljesítményt tud termelni egy 12 V-os egyenáramú motor

A 12V DC motor generátorként használt jellemzően között termel 1W és 150W az elektromos teljesítmény, a fizikai méretétől, a tekercs kialakításától és a pörgetés sebességétől függően. Egy kis hobbi méretű motor (például egy 130-as vagy 385-ös egység) még magas fordulatszámon is csak 1-15 W-ot ad le, míg egy nagyobb hajtóműves motor, például egy autótörlő vagy ablakmotor, a nagyobb nyomatékú tekercseknek köszönhetően jóval alacsonyabb fordulatszámon 20-50 W-ot.

A motor „12V” besorolása a tervezett üzemi feszültséget írja le, amikor motorként használják, nem pedig egy rögzített generátorkapacitást. Amikor generátorként fordítva forgatjuk, a tényleges feszültség és teljesítmény, amelyet termel, teljes mértékben a névleges fordulatszámhoz viszonyított forgási sebességétől, valamint a rákapcsolt terhelés ellenállásától függ.

A fizika az elektromosságot termelő egyenáramú motor mögött

Bármely egyenáramú motor működhet generátorként, mert ugyanaz a mágnes-tekercs elrendezés, amely forgást hoz létre, amikor az áram befolyik, feszültséget is termel, amikor a tengelyt kifelé fordítják. Ez a Faraday-féle elektromágneses indukció törvényének közvetlen alkalmazása.

Back-EMF és feszültség állandó

Minden egyenáramú motornak van egy feszültségállandója (Ke), V/PM-ben mérve, amely leírja, hogy mekkora feszültséget generál egységnyi fordulatszámonként. A 12 V-os motor névleges feszültsége 3000 ford./perc üresjárati fordulatszámon, Ke-értéke kb. 0,004 V/RPM (12 ÷ 3000), ami azt jelenti, hogy ha kívülről pontosan 3000 RPM-en forgatjuk, az közel 12 V-os szakadást generál.

Az áramerősség a csatlakoztatott terheléstől függ

A feszültség önmagában nem határozza meg a kimeneti teljesítményt; az aktuális ügyek is. Az átfolyó áramot a generált feszültség elosztja az áramkör teljes ellenállásával, beleértve a motor belső tekercsellenállását és a csatlakoztatott külső terhelést (akkumulátor, ellenállás, izzó).

A generált kimenetet meghatározó kulcstényezők

Négy változó együttesen határozza meg, hogy egy adott 12 V-os egyenáramú motor ténylegesen mennyi áramot termel egy valós összeállításban.

• Forgási sebesség (RPM) – a generált feszültség szinte lineárisan skálázódik fordulatszámmal, így a tengely fordulatszámának megkétszerezése nagyjából megkétszerezi a nyitott áramköri feszültséget
• Tekercsellenállás – a vastagabb réztekercsű motorok (a nagyobb, hajtóműves motorokban gyakori) kevesebb belső feszültséget veszítenek, és több hasznos teljesítményt adnak le a terhelésnek
• Mágneserő – az erősebb állandó mágnesek nagyobb feszültséget indukálnak fordulatszámonként, ezért a kefe nélküli és nagy nyomatékú egyenáramú motorok általában jobban teljesítenek, mint az azonos feszültségű olcsó hobbimotorok
• Terhelési ellenállás – a túl alacsony ellenállású terhelés túl sok áramot vesz fel és túlmelegíti a tekercseket, míg a túl nagy terhelés korlátozza az áramerősséget és elveszti a potenciális kimenetet

Generált feszültség és teljesítmény motorméret szerint

Az alábbi táblázat hozzávetőleges valós teljesítményt ad a szokásos 12 V-os névleges egyenáramú motorok esetében, amikor külsőleg generátorként pörgetik a névleges fordulatszámuk közelében.

A hajtóműves motorok általában felülmúlják a kis hajtómű nélküli hobbimotorokat annak ellenére, hogy sokkal lassabban forognak, mivel belső sebességváltójuk lehetővé teszi, hogy a motortekercsek hatékonyabb nyomaték/áram aránnyal működjenek, ahelyett, hogy pusztán a nyers fordulatszámra hagyatkoznának.

Egy adott motor várható teljesítményének kiszámítása

A fenti általános táblázatnál pontosabb becsléshez a motor adatlapján található három szám lehetővé teszi a kellően pontos számítást.

1. Keresse meg a névleges feszültséget és az üresjárati fordulatszámot a motor címkéjén vagy adatlapján (például 12 V 4000 RPM-nél)
2. Számítsa ki a feszültségállandót: Ke = névleges feszültség ÷ terhelés nélküli ford./perc (12 ÷ 4000 = 0,003 V/RPM)
3. A szakadási feszültség becsléséhez szorozza meg a Ke értéket a tényleges menetsebességgel (2000 RPM-es forgás körülbelül 6 V-ot ad)
4. Ossza el ezt a feszültséget az áramkör teljes ellenállásával (motor tekercsellenállás plusz terhelési ellenállás) az áram becsléséhez, majd szorozza meg a feszültséget az áramerősséggel.

Például egy 2 ohmos belső ellenállású, 6 V-os nyitott áramkört generáló motor, amely 4 ohmos terhelésre van csatlakoztatva, nagyjából húzna 1A (összesen 6 V ÷ 6 ohm), körülbelül 4 W-ot szállítva a terhelésnek, míg a fennmaradó 2 W hőveszteséget okoz a tekercsekben.

Miért alacsonyabb a generátor teljesítménye, mint a motor névleges teljesítménye?

A motor nyomtatott teljesítmény-besorolása azt írja le, hogy mennyi mechanikai teljesítményt képes átalakítani az elektromos bemenetből, ha motorként használják, nem pedig azt, hogy mennyi áramot termel generátorrá fordítva. Számos veszteség csökkenti a valós termelőteljesítményt e névleges érték alá.

Belső ellenállási veszteségek

Minden motor réztekercseinek olyan ellenállása van, amely a termelt áram egy részét hőként disszipálja, nem pedig a terheléshez juttatja, ami általában a 10-25% a kis egyenáramú motorok teljes termelt teljesítményéből.

Súrlódás és ecsetveszteségek

A kefés egyenáramú motorok további teljesítményt veszítenek a kefeérintkezős súrlódás és a csapágyellenállás miatt, ezért a kefe nélküli egyenáramú motorok általában 5-10%-kal több hasznos teljesítményt termelnek, mint a hasonló méretű és névleges kefés motorok.

Teljes hatékonysági tartomány

A legtöbb kis és közepes méretű, 12 V-os egyenáramú motor feszültséggel működik 60-80%-os hatásfok generátorként használva, ami azt jelenti, hogy egy 20 W-os motorteljesítményre tervezett motor ideális vezetési körülmények között reálisan 12-16 W felhasználható megtermelt villamos energiát szolgáltathat.

A 12V-os DC motor gyakorlati alkalmazásai generátorként

A 12 V-os egyenáramú motor fordított irányú generátorként való használata gyakori számos kisléptékű és barkácsolt áramtermelő rendszerben.

• Kis szélturbinák – a fogaskerekes vagy nagy nyomatékú egyenáramú motorokat szélhajtású propeller forgatja a 12 V-os akkumulátorok töltésére hálózaton kívüli elrendezésekben
• Kézi forgattyús vagy pedálos generátorok – a hajtókarhoz vagy kerékpárkerékhez csatlakoztatott közepes méretű hajtóműves motorok 10-30 W-ot tudnak termelni telefonok vagy kis lámpák töltéséhez
• Mikro-hidro-beállítások – egy vízikerék vagy kis turbina egy egyenáramú motort forgat, hogy egy patakból töltse fel az akkumulátort
• Oktatási és STEM projektek – a kis hobbimotorok az elektromágneses indukciós elveket demonstrálják egy LED megvilágításával, amikor kézzel pörgetik

Tippek a teljesítmény maximalizálásához, ha egyenáramú motort használ generátorként

Néhány praktikus beállítás jelentősen javítja, hogy egy 12 V-os egyenáramú motor mennyi felhasználható áramot szolgáltat generátorban.

• Válasszon hajtóműves vagy nagy nyomatékú motort a nagy fordulatszámú hobbimotor helyett, ha a menetsebesség természetesen alacsony, például kézi hajtókarokkal vagy kis széllapátokkal
• A terhelési ellenállást közelítse a motor belső tekercsellenállásához, mivel ez a kombináció általában biztosítja a legnagyobb felhasználható teljesítményátvitelt a terhelésre
• Kerülje a motor névleges fordulatszáma feletti meghajtását, mivel a generált feszültség meghaladhatja a 12 V-ot, és károsíthatja a csatlakoztatott elektronikát vagy túlmelegítheti a tekercseket.
• Akkumulátorok töltésekor adjon hozzá egy híd egyenirányítót és feszültségszabályozót, mivel a nyers generátor teljesítménye a sebességtől függően ingadozik, és kondicionálást igényel a biztonságos, stabil töltés érdekében
• Tartsa röviden a vezetékeket, és használjon megfelelő vastagságú vezetéket, mivel a vékony vagy hosszú vezetékek ellenállást növelnek, ami közvetlenül csökkenti a leadott teljesítményt

Ezekkel a beállításokkal még egy olcsó, 12 V-os hajtóműves egyenáramú motor is megbízhatóan működik 15-25W használható töltési teljesítmény egy kis barkácsgenerátorban, amely elegendő egy 12 V-os akkumulátor töltés fenntartásához, amely alapvető LED-világítást vagy kis elektronikát táplál.