¿Cómo se relacionan la corriente y el voltaje con el par y la velocidad de un motor sin escobillas?

La relación entre las características eléctricas de un motor y el rendimiento mecánico puede calcularse como tal (nota: este es el análisis para un motor de CC con escobillas ideal, pero parte de esto aún debe aplicarse a un motor de CC sin escobillas no ideal).

Un motor de CC se puede aproximar como un circuito con una resistencia y una fuente de tensión de retorno. La resistencia modela la resistencia intrínseca de los devanados del motor. El back-emf modela el voltaje generado por la corriente eléctrica en movimiento en el campo magnético (básicamente, un motor eléctrico de CC puede funcionar como un generador). También es posible modelar la inductancia inherente del motor agregando un inductor en serie, sin embargo, en su mayor parte ignoré esto y asumí que el motor se encuentra en estado casi estable eléctricamente, o la respuesta de tiempo del motor está dominada por la respuesta de tiempo de los sistemas mecánicos en lugar de la respuesta temporal de los sistemas eléctricos. Esto suele ser cierto, pero no necesariamente siempre cierto.

El generador produce un EMF inverso proporcional a la velocidad del motor:

$$ V_ {emf} = k_i * \ omega $$

Donde:

$$ k_i = \ text {una constante.} $$ $$ \ omega = \ text {la velocidad del motor en} \ \ text {rad} / \ text {s} $$

Lo ideal es que a velocidad de parada no haya una fem de retorno, y sin la velocidad de carga, la fem de atrás es igual a la fuente de voltaje de la fuente.

La corriente que fluye a través del motor se puede calcular:

$$ I = (V_S - V_ {emf}) / R = (V_S - k_i * \ omega) / R $$ $$ V_S = \ text {fuente de voltaje} $$ $$ R = \ text {resistencia eléctrica del motor} $$

Ahora consideremos el lado mecánico del motor. El par generado por el motor es proporcional a la cantidad de corriente que fluye a través del motor:

$$ \ tau = k_t * I $$

$$ k_t = \ text {una constante} $$ $$ \ tau = \ text {torque} $$

Usando el modelo eléctrico anterior, puede verificar que a la velocidad de parada el motor tiene la corriente máxima que fluye a través de él y, por lo tanto, el par máximo. Además, a la velocidad sin carga, el motor no tiene par ni corriente que fluya a través de él.

¿Cuándo el motor produce la mayor potencia? Bueno, el poder se puede calcular de dos maneras:

Energía eléctrica: $$ P_e = V_S * I $$

Potencia mecánica: $$ P_m = \ tau * \ omega $$

Si los traza, encontrará que, para un motor de CC ideal, la potencia máxima llega a la mitad de la velocidad sin carga.

Entonces, considerando todas las cosas, ¿cómo se acumula el voltaje del motor?

Para el mismo motor, idealmente, si aplica el doble de voltaje, duplicará la velocidad sin carga, duplicará el par de torsión y cuadruplicará la potencia. Esto es, por supuesto, asumiendo que el motor de CC no se quema, alcanza un estado que viola este modelo de motor ideal simplista, etc.

Sin embargo, entre los diferentes motores es imposible saber cómo funcionarán los dos motores en comparación con el otro solo en función de la clasificación de voltaje. Entonces, ¿qué necesitas para comparar dos motores diferentes?

Lo ideal sería conocer la tensión nominal y la corriente de bloqueo para poder diseñar su electrónica de manera adecuada y conocer la velocidad sin carga y el par de parada para poder calcular el rendimiento mecánico de su motor. También es posible que desee ver la clasificación actual del motor (algunos motores pueden dañarse si los detiene durante demasiado tiempo). Este análisis también descuida un poco el aspecto de eficiencia del motor. Para un motor perfectamente eficiente, \ $ k_i = k_t \ $, o mejor dicho \ $ P_e = P_m \ $. Esto haría que los cálculos de potencia que utilizan las dos ecuaciones sean iguales (es decir, la potencia eléctrica es igual a la potencia mecánica). Sin embargo, los motores reales no son perfectamente eficientes. Algunos están cerca, otros no.

p.s. En mis cálculos utilicé la velocidad del motor como \ $ \ text {rad} / \ text {s} \ $. Esto se puede convertir a Hz o \ $ \ text {rev} / \ text {s} \ $ dividiendo por \ $ 2 \ pi \ $ ..

Después de 4 años de uso y estudio de vehículos eléctricos, descubrí que la "capacidad de graduación" (capacidad para elevar una pendiente de grado específico) depende del par motor y el par depende de la corriente.

El voltaje, en cambio, "regula" la velocidad con la que un motor puede funcionar.

La cantidad de corriente que un motor puede tolerar cuando se aplica un voltaje depende de la cantidad de grosor de los cables de las bobinas (más gruesa = mayor corriente = mayor par), debido a la resistencia interna de las bobinas (cuanto mayor es la resistencia, mayor es el calor producido). , hasta que los cables se derritan).

Considerando un motor de 1000W:

• si proporciona 100V / 10A, podrá alcanzar una alta velocidad, pero no podrá subir mucho la pendiente.

• si proporciona 10V / 100A, se moverá muy lentamente, pero podrá escalar pendientes de alto grado (suponiendo que el motor pueda tolerar 100A).

La corriente máxima que un motor puede tolerar se denomina "corriente nominal", que es mucho más baja que la "corriente de bloqueo" del motor, es decir, la corriente que fluye en los cables del motor cuando se aplica voltaje y el motor se mantiene detenido. El motor NO PUEDE tolerar su propia corriente de bloqueo, que pronto derretirá los cables. Es por eso que la electrónica limita la corriente máxima al valor nominal actual.

Los motores eléctricos pueden diseñarse en un rango bastante amplio de voltaje y corriente para la misma velocidad y torsión. El solo hecho de comparar la tensión de operación prevista de dos motores no le dice mucho acerca de lo que esos motores pueden hacer en última instancia. Los motores diseñados para alta potencia tienden a funcionar a voltajes más altos, pero eso se debe principalmente a que la corriente puede estar dentro de un límite razonable.

Para comparar dos motores para un trabajo en particular, debe mirar los parámetros de salida. Estos serán el par, el rango de velocidad y la potencia.

En cualquier motor, el principio básico es muy simple:

• la velocidad de rotación es proporcional al voltaje aplicado
• el par es proporcional a la corriente tirada

Un motor de 100 voltios es un motor que puede tomar un máximo de 100 voltios, y un motor de 50 voltios un máximo de 50 voltios. Como el motor de 100 voltios puede tomar más voltios, si todo lo demás es igual, puede darle una velocidad máxima más alta.

Pero la diferencia de voltaje no afecta el par. Para obtener más torque para subir una colina, necesita suministrar más corriente a su motor. Un motor que puede tomar más corriente (y un controlador de batería y motor que puede suministrar más corriente) le dará más torque para ayudarlo a subir la pendiente.

El rendimiento mecánico de un motor, por supuesto, dependerá principalmente de su construcción física, no necesariamente de su voltaje nominal. Los motores de alta potencia funcionarán con voltajes más altos, pero eso no le dice mucho.

No voy a detallar los detalles, pero hay una buena regla general para usar cuando se desea estimar los parámetros de un motor por aspecto. Un motor largo alcanzará rpms más altos y un motor ancho podrá entregar más torque. Quizás pueda imaginar cómo funciona esto: un motor ancho tendrá un rotor ancho, por lo que las fuerzas de los campos magnéticos en el interior crearán un par mayor.

Entonces, si tienes dos motores de longitud idéntica, pero uno de ellos es más ancho, puedes esperar que el más ancho pueda generar un par más alto.

En términos muy básicos (la respuesta de helloworld tiene la parte científica cubierta):

La potencia es voltaje * corriente (P = IV). Para una potencia dada, digamos 1000 vatios / 1 kW, puede diseñar un motor de 10 V que use 100 A o un motor de 100 V que use 10 A para la misma potencia nominal :

10 V * 100 A = 1000 watts
100 V * 10 A = 1000 watts

Su siguiente consideración es cómo se acumulan las diversas eficiencias: para cada parte del tren de fuerza habrá una forma óptima de construir cada parte que ofrezca la mejor eficiencia al precio. Por ejemplo, si eligió la opción de 10 V, necesita una gran cantidad de cables pesados grandes (o barras colectoras) para manejar 100 A, mientras que 10 A fluirá felizmente por cables pequeños muy delgados.

Sin embargo, tal vez sea más difícil construir una unidad de control / cargador que funcione a 100 V que a 10 V (sin duda es más seguro para el usuario promedio si no hay altos voltajes para que puedan meter los dedos).

Por lo tanto, hay un acto de malabarismo que debe realizarse para determinar cómo se acumula el sistema: por cada vatio de potencia que pones, ¿cuánta energía útil puedes obtener del otro lado?

Es un poco como la diferencia entre un gran vago V8 y un grito turbo motor , ambos pueden generar el mismo poder, pero cada uno es una respuesta muy diferente al problema.

El voltaje y la corriente son los componentes esenciales de la potencia, como la capacidad para realizar trabajo . Hacer el trabajo por medio de una máquina de hilar requiere una fuerza de acción rotatoria: un torque . La velocidad a la que procede el trabajo (tiempo de introducción) y la medición se convierte en potencia. Más potencia: aumente la corriente, el voltaje o ambos.

Todo lo que tienes que pensar es la potencia nominal y el voltaje nominal. Si el voltaje que aplica es alto (debe estar dentro del rango de voltaje), puede tomar menos corriente y menos par, lo que de hecho se puede encontrar en la curva de velocidad-par para un voltaje fijo.

El voltaje es proporcional a la velocidad y el par es proporcional a la corriente. La corriente máxima que podría tomar es la corriente nominal y el par correspondiente se puede encontrar en la curva del par de velocidad (como sabe la velocidad del voltaje (rpm = k * v)) donde k es la constante de velocidad del motor).