Koľko elektriny dokáže vyrobiť 12V jednosmerný motor? (1W až 150W)

Koľko energie dokáže vygenerovať 12V jednosmerný motor

A 12V DC motor používa ako generátor zvyčajne vyrába medzi 1W a 150W elektrickej energie v závislosti od jeho fyzickej veľkosti, konštrukcie vinutia a rýchlosti otáčania. Malý motor hobby veľkosti (ako jednotka veľkosti 130 alebo 385) generuje iba 1-15 W aj pri vysokých otáčkach za minútu, zatiaľ čo motor s väčším prevodom, ako je motor stieračov alebo okien, môže generovať 20-50 W pri oveľa nižších otáčkach vďaka vinutiu s vyšším krútiacim momentom.

Menovité napätie motora "12 V" popisuje jeho navrhnuté prevádzkové napätie pri použití ako motor, nie pevnú generujúcu kapacitu. Keď sa točí v opačnom smere ako generátor, skutočné napätie a výkon, ktorý produkuje, úplne závisia od rýchlosti otáčania vzhľadom na jeho menovité otáčky za minútu a od odporu akéhokoľvek zaťaženia, ktoré je k nemu pripojené.

Fyzika za jednosmerným motorom generujúcim elektrinu

Akýkoľvek jednosmerný motor môže fungovať ako generátor, pretože rovnaké usporiadanie magnetu a cievky, ktoré vytvára rotáciu, keď prúd prúdi dovnútra, tiež vytvára napätie, keď sa hriadeľ otáča zvonka. Ide o priamu aplikáciu Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie.

Back-EMF a napäťová konštanta

Každý jednosmerný motor má napäťovú konštantu (Ke), meranú vo voltoch na otáčky za minútu, ktorá popisuje, aké napätie generuje na jednotku rýchlosti otáčania. Motor dimenzovaný na 12 V pri otáčkach naprázdno 3 000 ot./min má Ke približne 0,004 V/ot./min (12 ÷ 3 000), čo znamená, že externé otáčanie presne na 3 000 ot./min by generovalo takmer 12 V otvorený obvod.

Prúd závisí od pripojenej záťaže

Samotné napätie neurčuje výstupný výkon; aktuálne záležitosti rovnako. Prúd, ktorý preteká, je nastavený generovaným napätím vydeleným celkovým odporom v obvode, vrátane vnútorného odporu vinutia motora a akejkoľvek externej záťaže (batéria, odpor, žiarovka), ktorá je pripojená.

Kľúčové faktory, ktoré určujú generovaný výstup

Štyri premenné spolu určujú, koľko elektriny daný 12V jednosmerný motor skutočne vygeneruje v reálnom nastavení.

• Rýchlosť otáčania (RPM) – generované napätie sa mení takmer lineárne s otáčkami, takže zdvojnásobenie otáčok hriadeľa zhruba zdvojnásobí napätie naprázdno
• Odpor vinutia – motory s hrubším medeným vinutím (bežné u väčších motorov s prevodovkou) strácajú interne menšie napätie a dodávajú záťaži viac využiteľného výkonu
• Sila magnetu – silnejšie permanentné magnety indukujú viac napätia na otáčky, čo je dôvod, prečo bezkomutátorové motory a jednosmerné motory s vysokým krútiacim momentom vo všeobecnosti prekonávajú lacné hobby motory s rovnakým napätím
• Odpor záťaže – záťaž, ktorá má príliš nízky odpor, odoberá nadmerný prúd a prehrieva vinutia, zatiaľ čo príliš vysoká záťaž obmedzuje prúd a plytvá potenciálnym výstupom

Generované napätie a výkon podľa veľkosti motora

Nižšie uvedená tabuľka uvádza približný reálny výkon pre bežné veľkosti 12V jednosmerných motorov pri externom roztočení ako generátor blízko ich menovitej rýchlosti.

Prevodové motory majú tendenciu prekonávať malé neprevodové hobby motory napriek tomu, že sa otáčajú oveľa pomalšie, pretože ich vnútorná prevodovka umožňuje vinutiu motora pracovať s efektívnejším pomerom krútiaceho momentu k prúdu, než sa spoliehať iba na surové otáčky.

Ako vypočítať očakávaný výkon konkrétneho motora

Pre presnejší odhad ako vo všeobecnej tabuľke vyššie umožňujú tri čísla z údajového listu motora primerane presný výpočet.

1. Nájdite menovité napätie a otáčky bez zaťaženia na štítku motora alebo údajovom liste (napríklad 12 V pri 4 000 ot./min.)
2. Vypočítajte napäťovú konštantu: Ke = menovité napätie ÷ otáčky naprázdno (12 ÷ 4 000 = 0,003 V/ot./min.)
3. Vynásobte Ke svojou skutočnou rýchlosťou jazdy, aby ste odhadli napätie v otvorenom obvode (točenie pri 2 000 ot./min. dáva približne 6 V)
4. Vydeľte toto napätie celkovým odporom obvodu (odpor vinutia motora plus odpor záťaže), aby ste odhadli prúd, a potom vynásobte napätie prúdom pre výkon

Ako príklad, motor s 2-ohmovým vnútorným odporom generujúcim 6V otvorený okruh, pripojený k 4-ohmovej záťaži, by čerpal zhruba 1A (spolu 6V ÷ 6 ohmov), dodáva približne 4W do záťaže, zatiaľ čo zvyšné 2W sa stratia ako teplo vo vinutí.

Prečo je výkon generátora nižší ako menovitý výkon motora

Vytlačené hodnotenie výkonu motora popisuje, koľko mechanickej energie dokáže premeniť z elektrického vstupu, keď sa používa ako motor, nie koľko elektriny vyrobí, keď sa obráti na generátor. Niekoľko strát znižuje skutočný výrobný výkon pod túto nominálnu hodnotu.

Straty vnútorného odporu

Medené vinutia každého motora majú odpor, ktorý rozptýli časť generovanej energie vo forme tepla, a nie ju dodáva do záťaže, zvyčajne 10 – 25 % celkového generovaného výkonu v malých jednosmerných motoroch.

Straty trením a štetcom

Kartáčované jednosmerné motory strácajú dodatočnú energiu na kontaktné trenie kefy a odpor ložísk, čo je dôvod, prečo bezuhlíkové jednosmerné motory vo všeobecnosti generujú o 5 až 10 % viac využiteľného výkonu ako kartáčované motory podobnej veľkosti a výkonu.

Celkový rozsah účinnosti

Väčšina malých až stredne veľkých 12V jednosmerných motorov pracuje pri Účinnosť 60-80%. pri použití ako generátory, čo znamená, že motor s výkonom 20 W môže reálne dodať 12 – 16 W využiteľnej vyrobenej elektriny za ideálnych jazdných podmienok.

Praktické aplikácie 12V DC motora ako generátora

Použitie 12V jednosmerného motora v opačnom smere ako generátora je bežné v niekoľkých malých zariadeniach a zostavách na výrobu energie pre domácich majstrov.

• Malé veterné turbíny – jednosmerné motory s prevodom alebo vysokým krútiacim momentom sú roztáčané vetrom poháňanou vrtuľou na nabíjanie 12V batérií v nastaveniach mimo siete
• Ručné kľukové alebo pedálové generátory – stredne veľké prevodové motory pripojené ku kľuke alebo bicyklu dokážu generovať 10-30W na nabíjanie telefónov alebo malých svetiel
• Mikro-hydraulické nastavenia – vodné koleso alebo malá turbína roztáča jednosmerný motor, aby sa dobíjala batéria z prúdu
• Vzdelávacie a STEM projekty – malé hobby motory demonštrujú princípy elektromagnetickej indukcie rozsvietením LED pri ručnom roztočení

Tipy na maximalizáciu výkonu pri použití jednosmerného motora ako generátora

Niekoľko praktických úprav výrazne zlepšuje, koľko využiteľnej elektriny dodáva 12V jednosmerný motor v nastavení generátora.

• Vyberte si motor s prevodovkou alebo motor s vysokým krútiacim momentom pred hobby motorom s vysokými otáčkami, keď je rýchlosť jazdy prirodzene nízka, ako napríklad s ručnými kľukami alebo malými lopatkami vetra
• Prispôsobte odpor záťaži vnútornému odporu vinutia motora, pretože táto kombinácia zvyčajne poskytuje najvyšší využiteľný prenos energie na záťaž
• Vyhnite sa jazde motora vysoko nad jeho menovité otáčky, pretože generované napätie môže presiahnuť 12 V a poškodiť pripojenú elektroniku alebo prehrievať vinutia
• Pri nabíjaní batérií pridajte mostíkový usmerňovač a regulátor napätia, pretože hrubý výkon generátora kolíše s rýchlosťou a potrebuje úpravu pre bezpečné a stabilné nabíjanie
• Udržujte krátke káble a používajte dostatočne hrubý drôt, pretože tenké alebo dlhé káble zvyšujú odpor, ktorý priamo znižuje dodávaný výkon

S týmito úpravami dokáže spoľahlivo dodať aj lacný 12V jednosmerný motor s prevodovkou 15-25W použiteľného nabíjacieho výkonu v malom zostave generátora pre domácich majstrov, ktorý stačí na udržanie nabitia na 12V batériovej banke napájajúcej základné LED osvetlenie alebo drobnú elektroniku.