¿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 se puede calcular como tal (nota: este es el análisis para un motor de CC con escobillas ideal, pero parte del mismo aún debería 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 contraelectromotriz. 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 está en un estado casi estable eléctricamente, o que el tiempo de respuesta del motor está dominado por el tiempo de respuesta de los sistemas mecánicos en lugar del tiempo de respuesta de los sistemas eléctricos. Esto suele ser cierto, pero no necesariamente siempre es cierto.

El generador produce una fuerza contraelectromotriz proporcional a la velocidad del motor:

Dónde:

Idealmente, a la velocidad de calado no hay fuerza contraelectromotriz, y sin velocidad sin carga, la fuerza contraelectromotriz es igual al voltaje de la fuente impulsora.

Entonces se puede calcular la corriente que fluye a través 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:

Usando el modelo eléctrico anterior, puede verificar que a la velocidad de bloqueo 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 produce el motor la mayor potencia? Bueno, la potencia se puede calcular de dos maneras:

Energía eléctrica:

Potencia mecánica:

Si los traza, encontrará que para un motor de CC ideal, la potencia máxima se obtiene 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 y cuadruplicará la potencia. Esto supone, por supuesto, que el motor de CC no se quema, alcanza un estado que viola este modelo de motor ideal simplista, etc.

Sin embargo, entre diferentes motores es imposible saber cómo se comportarán dos motores en comparación entre sí basándose únicamente en la clasificación de voltaje. Entonces, ¿qué necesitas para comparar dos motores diferentes?

Idealmente, desearía conocer la clasificación de voltaje y la corriente de bloqueo para poder diseñar su electrónica de manera adecuada y desearía conocer la velocidad sin carga y el par de bloqueo 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 para por mucho tiempo!). Este análisis también descuida un poco el aspecto de eficiencia del motor. Para un motor perfectamente eficiente,$k_i = k_t$, o mejor$P_e = P_m$. Esto haría que los cálculos de potencia utilizando las dos ecuaciones fueran 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.

ps En mis cálculos usé la velocidad del motor como$\text{rad}/\text{s}$. Esto se puede convertir Hzo$\text{rev}/\text{s}$dividiendo por$2\pi$..

Después de 4 años usando y estudiando vehículos eléctricos, descubrí que la "capacidad de ascenso" (capacidad de subir una pendiente de grado específico) depende del par motor y el par depende de la corriente.

En cambio, el voltaje "regula" qué tan rápido puede funcionar un motor: la velocidad máxima que puede alcanzar un motor es la velocidad a la que el motor genera un voltaje (llamado "fuerza contraelectromotriz") que es igual al voltaje que recibe de la batería (sin tener en cuenta pérdidas de potencia y fricciones por simplicidad).

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

Considerando un motor de 1000W:

• suministrando 100V/10A podrá alcanzar alta velocidad pero no podrá subir mucha pendiente.

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

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 parado. 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 de corriente nominal.

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. Dado que el motor de 100 voltios puede tomar más voltios, si todo lo demás es igual, puede brindarle una velocidad máxima más alta.

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

Los motores eléctricos se pueden diseñar en un rango bastante amplio de voltaje y corriente para la misma velocidad y par. Simplemente comparar el voltaje de funcionamiento previsto de dos motores no dice mucho sobre lo que esos motores pueden hacer en última instancia. Los motores diseñados para alta potencia tienden a funcionar con voltajes más altos, pero eso es principalmente para que la corriente pueda estar dentro de un límite razonable.

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

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

No daré más detalles sobre los detalles, pero hay una buena regla general para usar cuando desea estimar los parámetros de un motor a simple vista. Un motor largo alcanzará rpm más altas y un motor ancho podrá entregar más torque. Tal vez 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.

Por lo tanto, si tiene dos motores de longitud idéntica, pero uno de ellos es más ancho, puede esperar que el más ancho pueda generar un par más alto.

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

El voltaje es proporcional a la velocidad y el torque 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 de par de velocidad (como sabe la velocidad del voltaje (rpm = k * v)) donde k es la constante de velocidad del motor).

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 watts / 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 próxima consideración es cómo se acumulan las diversas eficiencias: para cada parte del tren de potencia habrá una forma óptima de construir cada parte que brinde la mejor eficiencia por el precio. Por ejemplo, si eligió la opción de 10 V, necesita muchos cables grandes y pesados ​​(o barras colectoras) para manejar 100 A, mientras que 10 A fluirán felizmente por cables pequeños bastante delgados.

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

Entonces, se debe hacer un acto de malabarismo para averiguar cómo se acumula el sistema: por cada vatio de potencia que ingresa, ¿cuánta energía útil puede obtener del otro extremo?

Es un poco como la diferencia entre un gran V8 perezoso y un motor turbo que grita , ambos pueden generar la misma potencia, pero cada uno es una respuesta muy diferente al problema.

El voltaje y la corriente son los componentes esenciales de la potencia, también conocida como la capacidad de realizar un trabajo . Para hacer trabajo por medio de maquinaria giratoria se requiere una fuerza de acción rotatoria: un par . La velocidad a la que procede el trabajo (introducir tiempo) y se hace la medida de potencia. Más potencia: aumente la corriente, el voltaje o ambos.