¿Por qué un motor eléctrico es más eficiente con cargas más altas?

Primero, la eficiencia de un motor eléctrico es solo la potencia de salida dividida por la potencia de entrada. La potencia de entrada es su potencia de entrada eléctrica, que es VI. La potencia de salida es su potencia de salida mecánica, que es el par de velocidad.

Dado eso, podemos ver que la eficiencia de cada motor será del 0% sin carga (es decir, la velocidad máxima con un par 0). Luego, la eficiencia aumentará a medida que aumenta el par hasta que alcance un máximo y luego comenzará a disminuir hasta que se alcance el par de parada. En este punto, la eficiencia vuelve a ser 0% porque la velocidad será cero.

La otra forma de hacer su pregunta es ¿por qué la eficiencia es baja con cargas bajas? La fricción es la causa principal de la ineficiencia con cargas bajas. Las pérdidas debidas a la fricción son esencialmente constantes con respecto a la carga, por lo que con cargas bajas, la mayor parte de su potencia de entrada puede usarse para superar la fricción. A medida que aumenta la carga, la fricción juega un papel cada vez menor en la eficiencia general. Por supuesto, otras ineficiencias comienzan a ocurrir en cargas más grandes ($I^2R$pérdidas, pérdidas de cobre, pérdidas de carga parásitas, etc.), pero en un motor bien diseñado, la eficiencia alcanzará su punto máximo en el rango de carga del 80-100%.

Es la masa del rotor relativa a la masa de la carga.

No importa qué, un motor debe impulsar su propio rotor. Digamos que el rotor pesa 1 kilogramo. Si tuviera que impulsar una carga que también pesa un kilogramo, entonces el 50% de la energía está impulsando la carga y el 50% impulsando el rotor, por lo que no puede tener más del 50% de eficiencia. Si aumenta a 2 kilogramos como carga, entonces el rotor ahora es solo el 33% de la masa total, por lo que puede tener una eficiencia de hasta el 66%.

A medida que aumenta la carga, el rotor se convierte en una fracción cada vez más pequeña de la masa total impulsada, lo que significa que una mayor parte de la electricidad total gastada está realizando un trabajo útil.

La razón es el costo impulsado por la física. Un motor con una clasificación de par mayor requiere que se generen campos magnéticos más grandes.

Los campos magnéticos requieren más vueltas y/o una corriente más alta. Una corriente más alta requiere cables más grandes. En ambos casos el motor es más pesado. Si esos campos magnéticos no se utilizan al máximo, la energía para impulsar la masa adicional se desperdicia.

Por lo tanto, los motores están diseñados para funcionar en un rango de carga específico para ahorrar costos.

El motor más común, el motor de inducción, tiene muchas pérdidas que dependen del deslizamiento. El deslizamiento es la relación de velocidad del rotor del motor en comparación con la velocidad del campo magnético de su estator. Eso significa que cuanto más lento gira el rotor, mayor es el deslizamiento, y cuanto más se acerca al campo del estator, menor es el deslizamiento. Las pérdidas, como la pérdida de cobre, tienen una relación inversa con el deslizamiento, por lo que a medida que aumenta el deslizamiento, las pérdidas disminuyen.

¿Cómo afecta una carga esto? La carga del motor induce un par en la dirección opuesta que reduce la velocidad del rotor. Por lo tanto, el deslizamiento aumenta y las pérdidas se minimizan.