Jak zmierzyć maksymalną masę, jaką może przenieść silnik prądu stałego?

10

Pracujemy nad sterowanym komputerowo projektem pojazdu elektrycznego opartym na podwoziu ATV.

Kiedy szukałem silnika prądu stałego do poruszania się tym pojazdem (który szacuje się na 350 kg), znalazłem silnik elektryczny na wózku inwalidzkim. Jest to silnik o mocy 500 W 108 obr./min 24 V DC i ma swój własny mechanizm różnicowy. Sprzedawca powiedział mi, że może on przenosić do 540 kg. Nie wiem na czym opiera się ta liczba.

Mam również silnik prądu stałego o napięciu 500 W 1500 obr./min. 24 V. Jeśli zmniejszę obroty i zwiększę moment obrotowy przy takim samym przełożeniu silnika elektrycznego wózka inwalidzkiego za pośrednictwem reduktorów, to czy może on wzrosnąć do 540 kg? Czy też maksymalna masa, jaką silnik może poruszać, zależy od innych czynników? Jak mogę to zmierzyć?

Z góry dziękuję.

Kerem Zaman
źródło
5
Nie mierzysz tego przed obliczeniem . To podstawowa fizyka. Masz przedmiot o określonej wadze, aby zmienić jego prędkość, potrzebujesz energii. Do pokonania jest także tarcie, aby utrzymać określoną prędkość. Potrzebna energia pochodzi z silnika. Silniki o większej mocy mogą zużywać tę samą ilość energii w krótszym czasie. Więc: studiuj fizykę i wykonuj obliczenia.
Bimpelrekkie
8
Aha: nigdy nie ufaj sprzedawcy. Oczywiście silnik może przesunąć 540 kg, to ile może się poruszać, nie zależy od silnika, ale od tarcia, jakie ma ciężar w otoczeniu. W przestrzeni kosmicznej możesz przesuwać 540 kg palcem .
Bimpelrekkie
1
Silnik, który obraca obrotową restaurację na szczycie Space Needle w Seattle, jest rzędu silnika o mocy jednego HP. Zapewniam cię, że restauracja waży ponad 540 kg. Na twoje pytanie nie można odpowiedzieć, nie wiedząc, jak szybko chcesz, aby rzecz się obracała i jakie siły działają, aby ją spowolnić .
Eric Lippert
1
Mówiąc inaczej: Tesla Model S ma 270000 W mocy, ponad 500 razy więcej niż masz.
MSalters
1
Daj mi dźwignię i miejsce, aby stać, a ja poruszę światem. To samo można powiedzieć o przekładni.
Steve

Odpowiedzi:

21

„Sprzedawca powiedział mi ...” LOL! Gdyby fizyka była jego rzeczą, prawdopodobnie nie byłby sprzedawcą. W każdym razie jego zadaniem jest sprzedaż, niezależnie od tego, czy sprawisz, że urządzenie będzie działać, czy nie.

Pierwszą rzeczą, którą musisz zdecydować, jest to, ile mocy potrzebuje silnik. Następnie możesz martwić się momentem obrotowym i prędkością. Można je wymieniać między sobą, ale nie można oszukiwać fizyki, która wymaga pewnej mocy do niektórych zadań.

Istnieją dwa kryteria dla użytkownika końcowego, na które należy zwrócić uwagę, aby zdecydować o mocy. Oto, jak szybko chcesz być w stanie przyspieszyć i jaka minimalna prędkość chcesz być w stanie wjechać na przyzwoite wzgórze. Jako przykładu użyję kryterium wzgórza.

Powiedzmy, że chcesz być w stanie podnieść 20 MPH w górę o 20%. Ocena 20% oznacza, że ​​idziesz 1 część na każde 5 naprzód. Ponieważ jedyną wykonywaną pracą fizyczną jest wzrost, problem sprowadza się do podniesienia 350 kg prosto przy 4 MPH. 4 MPH wynosi 1,8 m / s, a tutaj na ziemi 350 kg waży 3,43 kN. Zużyta moc to zatem:

  (1,8 m / s) (3,43 kN) = 6,13 kW

Oczywiście trzeba będzie pokonać tarcie, więc w tym przykładzie chcesz mieć około 10 kW. Ponieważ 500 W nie jest nawet blisko, musisz albo określić znacznie niższą wydajność, albo uzyskać znacznie większy silnik (i źródło zasilania, aby je zasilić).

Odwróćmy to i zobaczmy, co może zrobić 500 W.

  (500 W) / (3,43 kN) = 146 mm / s

Tak szybko 500 W może podnieść całą jednostkę prosto do góry. Przykładowo, stosując to do klasy 20%, może poruszać się z prędkością 5 razy większą lub 730 mm / s lub 1,63 MPH. W rzeczywistości wystąpi tarcie i inne straty, więc prawdopodobnie nie więcej niż 500 mm / s = 1,1 MPH.

Dodano informacje o momencie obrotowym

Powinieneś zacząć od mocy opisanej powyżej. Gdy już zdecydujesz, ile mocy musi zużyć silnik, stajesz wobec kompromisu momentu obrotowego / prędkości. Możesz dowiedzieć się, jakiego momentu obrotowego / prędkości potrzebujesz na kołach, ale zwykle będzie to zbyt wolny i zbyt wysoki moment obrotowy, aby rozsądny silnik elektryczny mógł wytwarzać bezpośrednio. W rezultacie nastąpi pewne zazębienie między wałem koła a wałem silnika. Ponieważ i tak już jest przekładnia, wybierz dobry silnik, a następnie odpowiednio zaprojektuj przełożenie, a nie na odwrót.

Aby spojrzeć na to z perspektywy, przyjrzyjmy się wymaganemu momentowi obrotowemu i prędkości, aby podnieść klasę o 20% przy 20 MPH, jak opisano powyżej. Powiedzmy, że koła mają średnicę 500 mm, a więc promień 250 mm, a więc obwód 1,57 m. 20 MPH wynosi 8,9 m / s, więc koło musi się obracać przy 5,7 Hz. Prawdopodobnie nie uzyskasz odpowiedniego silnika o szczytowej mocy i wydajności przy 5,7 Hz (342 obr./min). Prawdopodobnie uzyskasz przełożenie 5x do 10x, w zależności od najlepszego dostępnego silnika, jaki znajdziesz.

Załóżmy na przykład, że zdecydowałeś, że potrzebujesz silnika o mocy 10 kW. Może to wynosić 60 Hz (3600 obr./min) i 26,5 Nm, 20 Hz i 80 Nm lub szereg innych kombinacji, które dają 10 kW. Odpowiednie silniki będą dostępne tylko w ograniczonej kombinacji, a przekładnia i tak prawdopodobnie zostanie zaprojektowana na zamówienie. Wybierz silnik, a następnie pozwól mu dyktować przełożenie.

Olin Lathrop
źródło
Dziękuję za odpowiedź, ale wciąż mam w głowie pewne znaki zapytania: kiedy moment jest ważny? Ponadto, jak zmieniają się obliczenia dla prostej poziomej drogi, czy to samo, co w przypadku podnoszenia prosto w górę? Przepraszam za brak wiedzy z zakresu fizyki.
Kerem Zaman
Dzięki odpowiedniej skrzyni biegów możesz zmienić moment obrotowy w dowolny sposób. Będziesz potrzebował określonego momentu obrotowego koła, aby w określonym czasie wznieść się lub przyspieszyć (i pokonać tarcie i opór powietrza przy wyższych prędkościach). W przykładzie Olin Lathrops moment obrotowy koła wynosiłby promień koła 3,43kN *. Obroty przy 500 W wynosiłyby (146 mm / obwód koła) * 60. Tak więc z kołem o średnicy 30 cm potrzebujesz momentu obrotowego 514 Nm i uzyskasz 58,4 obr / min przy maksymalnej mocy silnika. Sprawdź arkusz danych silnika dla krzywej prędkości obrotowej / momentu obrotowego / mocy.
Michael
@Kerem: Zaktualizowałem moją odpowiedź, aby omówić moment obrotowy, co w zasadzie również powiedział Michael.
Olin Lathrop
Dzięki za dodanie. Głupiutko zapomniałem pomnożyć mój promień przez 2pi dla obwodu i nie mogę już edytować.
Michael
Warto wspomnieć, że używasz mechanicznej mocy wyjściowej w swoich równaniach, przy czym silniki mogą być określone pod względem mocy elektrycznej (wejściowej). Rzeczywiste silniki są dalekie od 100% sprawności, więc znaczna część wejściowej energii elektrycznej zostanie rozproszona jako ciepło z powodu rezystancyjnego ogrzewania i tarcia.
Mels