Kuinka paljon sähköä 12 V:n tasavirtamoottori voi tuottaa? (1 W - 150 W)

Kuinka paljon tehoa 12 V DC -moottori voi tuottaa

A 12V DC moottori generaattorina käytetty tuottaa tyypillisesti välillä 1W ja 150W sähkötehoa riippuen sen fyysisestä koosta, käämin rakenteesta ja kuinka nopeasti se pyörii. Pieni harrastuskokoinen moottori (kuten 130- tai 385-koon yksikkö) tuottaa vain 1-15 W jopa korkeilla kierrosluvuilla, kun taas isompi vaihdemoottori, kuten auton pyyhkimen tai ikkunan moottori, voi tuottaa 20-50 W paljon pienemmällä kierrosluvulla suurempien vääntömomenttikäämitysten ansiosta.

Moottorin arvo "12V" kuvaa sen suunniteltua käyttöjännitettä, kun sitä käytetään moottorina, ei kiinteää tuotantokapasiteettia. Generaattorina käänteisesti pyöritettynä sen tuottama todellinen jännite ja teho riippuvat täysin pyörimisnopeudesta suhteessa sen nimelliseen kierrokseen ja minkä tahansa siihen kytketyn kuorman vastuksesta.

Fysiikka sähköä tuottavan tasavirtamoottorin takana

Mikä tahansa tasavirtamoottori voi toimia generaattorina, koska sama magneetti-kelajärjestely, joka tuottaa pyörimisen virran tullessa sisään, tuottaa myös jännitettä, kun akselia käännetään ulospäin. Tämä on suora sovellus Faradayn sähkömagneettisen induktion laille.

Taka-EMF ja jännitevakio

Jokaisella tasavirtamoottorilla on jännitevakio (Ke), joka mitataan voltteina kierroslukua kohti, mikä kuvaa kuinka paljon jännitettä se tuottaa pyörimisnopeusyksikköä kohti. Moottorin, joka on mitoitettu 12 V:lle kuormittamattomalla nopeudella 3 000 RPM, Ke on noin 0,004 V/RPM (12 ÷ 3 000), mikä tarkoittaa, että sen pyörittäminen tarkalleen 3 000 RPM:llä ulkoisesti synnyttäisi lähes 12 V:n avoimen piirin.

Virta riippuu kytketystä kuormasta

Pelkkä jännite ei määritä lähtötehoa; ajankohtaiset asiat yhtä lailla. Virtaava virta asetetaan generoidulla jännitteellä jaettuna piirin kokonaisresistanssilla, mukaan lukien sekä moottorin sisäinen käämivastus että mikä tahansa kytketty ulkoinen kuorma (akku, vastus, hehkulamppu).

Keskeiset tekijät, jotka määrittävät tuotetun tuoton

Neljä muuttujaa yhdessä määräävät, kuinka paljon sähköä tietty 12 V DC -moottori todella tuottaa todellisessa asennuksessa.

• Pyörimisnopeus (RPM) – generoitu jännite skaalautuu lähes lineaarisesti kierrosluvun kanssa, joten akselin nopeuden kaksinkertaistaminen noin kaksinkertaistaa avoimen piirin jännitteen
• Käämin vastus – moottorit, joissa on paksummat kuparikäämit (yleistä suuremmissa vaihdemoottoreissa), menettävät vähemmän jännitettä sisäisesti ja antavat enemmän käyttötehoa kuormalle
• Magneetin vahvuus – vahvemmat kestomagneetit indusoivat enemmän jännitettä kierroslukua kohden, minkä vuoksi harjattomat ja suuren vääntömomentin tasavirtamoottorit ovat yleensä tehokkaampia kuin halvat harrastusmoottorit, joilla on sama jännite.
• Kuormitusvastus – liian pieni vastus kuormittaa liikaa virtaa ja ylikuumentaa käämit, kun taas liian suuri kuorma rajoittaa virtaa ja hukkaa potentiaalista tehoa

Luotu jännite ja teho moottorin koon mukaan

Alla oleva taulukko antaa likimääräisen todellisen tehon tavallisille 12 V:n nimellisille tasavirtamoottoreille, kun niitä pyöritetään ulkoisesti generaattorina lähellä nimellisnopeutta.

Vaihdemoottorit ovat yleensä suorituskyvyltään pienempiä kuin pienet vaihteettomat harrastusmoottorit, vaikka ne pyörivät paljon hitaammin, koska niiden sisäinen vaihteisto antaa moottorin käämien toimia tehokkaammalla vääntömomentti-virtasuhteella sen sijaan, että ne luottaisivat pelkästään raakakierroslukuihin.

Tietyn moottorin odotetun tehon laskeminen

Yllä olevaa yleistä taulukkoa tarkemman arvion saamiseksi kolme moottorin tiedoissa olevaa numeroa mahdollistavat kohtuullisen tarkan laskelman.

1. Etsi nimellisjännite ja kuormittamaton kierrosluku moottorin tarrasta tai teknisistä tiedoista (esimerkiksi 12 V nopeudella 4 000 RPM)
2. Laske jännitevakio: Ke = nimellisjännite ÷ kuormittamaton RPM (12 ÷ 4 000 = 0,003 V/RPM)
3. Kerro Ke todellisella ajonopeudellasi, jotta voit arvioida avoimen piirin jännitteen (pyöritys nopeudella 2000 RPM antaa noin 6 V)
4. Jaa tämä jännite piirin kokonaisresistanssilla (moottorin käämitysvastus plus kuormitusvastus) arvioidaksesi virran, ja kerro sitten jännite virralla tehoa varten

Esimerkiksi moottori, jossa on 2 ohmin sisäinen vastus, joka tuottaa 6 V:n avoimen piirin, kytkettynä 4 ohmin kuormaan, vetäisi karkeasti 1A (yhteensä 6V ÷ 6 ohmia), joka tuottaa noin 4W kuormaan, kun taas loput 2W menetetään lämpönä käämien sisällä.

Miksi generaattorin teho on alhaisempi kuin moottorin nimellisteho

Moottorin painettu teholuokitus kuvaa kuinka paljon mekaanista tehoa se voi muuntaa sähkösyötteestä, kun sitä käytetään moottorina, ei sitä, kuinka paljon sähköä se tuottaa, kun se käännetään generaattoriksi. Useat häviöt vähentävät todellista tuotantotehoa alle tämän nimellisarvon.

Sisäisen vastuksen menetykset

Jokaisen moottorin kuparikäämityksissä on vastus, joka haihduttaa osan tuotetusta tehosta lämpönä sen sijaan, että se toimittaisi sen kuormaan, mikä yleensä vastaa 10-25 % pienissä tasavirtamoottoreissa tuotetusta kokonaistehosta.

Kitka ja harjahäviöt

Harjatut tasavirtamoottorit menettävät lisätehoa harjakoskettimen kitkan ja laakerin vastuksen vuoksi, minkä vuoksi harjattomat DC-moottorit tuottavat yleensä 5-10 % enemmän käyttötehoa kuin vastaavan kokoiset ja mitoitetut harjatut moottorit.

Kokonaistehokkuusalue

Useimmat pienistä ja keskikokoisista 12 V DC -moottoreista toimivat 60-80% hyötysuhde generaattoreina käytettynä 20 W:n moottoriteho voi realistisesti tuottaa 12–16 W käyttökelpoista tuotettua sähköä ihanteellisissa ajo-olosuhteissa.

12V DC-moottorin käytännön sovellukset generaattorina

12 V DC -moottorin käyttäminen käänteisesti generaattorina on yleistä useissa pienimuotoisissa ja tee-se-itse-sähköntuotantojärjestelmissä.

• Pienet tuuliturbiinit - Vaihteistot tai suuren vääntömomentin tasavirtamoottorit pyöritetään tuulivetoisella potkurilla lataamaan 12 V akkuja verkon ulkopuolella
• Käsikampi- tai poljingeneraattorit – keskikokoiset vaihdemoottorit, jotka on kytketty kammeen tai polkupyörän pyörään, voivat tuottaa 10-30 W puhelimien tai pienten valojen lataamiseen
• Mikrohydro-asetukset – vesipyörä tai pieni turbiini pyörittää tasavirtamoottoria akkupankin lataamiseksi virrasta
• Koulutus- ja STEM-projektit – pienet harrastusmoottorit esittelevät sähkömagneettisen induktion periaatteita sytyttämällä LEDin käsin pyöritettäessä

Vinkkejä tehon maksimoimiseen käytettäessä tasavirtamoottoria generaattorina

Muutama käytännöllinen säätö parantaa merkittävästi sitä, kuinka paljon käyttökelpoista sähköä 12 V:n tasavirtamoottori tuottaa generaattoriasetuksissa.

• Valitse vaihdemoottori tai suurivääntömoottori korkean kierrosluvun harrastemoottorin sijaan, kun ajonopeus on luonnollisesti alhainen, kuten käsikammet tai pienet tuulen siivet
• Sovita kuormitusvastus lähellä moottorin sisäistä käämivastusta, koska tämä yhdistelmä tuottaa tyypillisesti suurimman käyttökelpoisen tehonsiirron kuormaan
• Vältä ajamasta moottoria paljon sen nimelliskierrosluvun yläpuolella, koska syntyvä jännite voi ylittää 12 V ja vahingoittaa kytkettyä elektroniikkaa tai ylikuumentaa käämit
• Lisää siltatasasuuntaaja ja jännitteensäädin, jos lataat akkuja, koska generaattorin raakateho vaihtelee nopeuden mukaan ja vaatii ilmastointia turvallisen ja vakaan latauksen varmistamiseksi
• Pidä johdot lyhyinä ja käytä riittävän paksua johtoa, koska ohut tai pitkä johdotus lisää vastusta, joka vähentää suoraan toimitettua tehoa

Näillä säädöillä jopa edullinen 12 V vaihteinen tasavirtamoottori voi toimia luotettavasti 15-25W käyttökelpoista lataustehoa pienessä tee-se-itse-generaattorissa, joka riittää ylläpitämään 12 V:n akkupankin latauksen, joka toimii perus-LED-valaistuksessa tai pienessä elektroniikassa.