Jak prąd i napięcie są powiązane z momentem obrotowym i prędkością silnika bezszczotkowego?

Wiem, że pojazdy elektryczne mają różne osiągi w zależności od akumulatora i silnika, ale nie jest jasne, w jaki sposób powiązane są urządzenia elektryczne i mechaniczne.

Czy ktoś może pomóc?

Czy silnik o napięciu 100 V podnosi się na zboczach lepiej niż silnik o napięciu 50 V?

Związek między charakterystyką elektryczną silnika a osiągami mechanicznymi można obliczyć jako taki (uwaga: jest to analiza idealnego szczotkowanego silnika prądu stałego, ale niektóre z nich powinny nadal dotyczyć nie idealnego bezszczotkowego silnika prądu stałego).

Silnik prądu stałego może być aproksymowany jako obwód z rezystorem i źródłem napięcia wtórnego. Rezystor modeluje rezystancję wewnętrzną uzwojenia silnika. Back-emf modeluje napięcie generowane przez poruszający się prąd elektryczny w polu magnetycznym (w zasadzie silnik elektryczny na prąd stały może działać jako generator). Możliwe jest również modelowanie wewnętrznej indukcyjności silnika przez dodanie cewki szeregowej, jednak w większości zignorowałem to i założyłem, że silnik jest w quasi-stałym stanie elektrycznym, lub odpowiedź czasowa silnika jest zdominowana przez odpowiedź czasową układów mechanicznych zamiast reakcji czasowej układów elektrycznych. Jest to zwykle prawda, ale niekoniecznie zawsze prawda.

Generator wytwarza wsteczny EMF proporcjonalny do prędkości silnika:

$$V_{emf} = k_i * \omega$$

Gdzie:

ω = prędkość silnika w rad /

$$k_i = \text{a constant.}$$ $$\omega = \text{the motor speed in}\ \text{rad}/\text{s}$$

Idealnie przy prędkości przeciągnięcia nie ma tylnego emf, a przy braku prędkości bez obciążenia tylny emf jest równy napięciu źródła napędu.

Prąd przepływający przez silnik można następnie obliczyć:

$$I = (V_S - V_{emf}) / R = (V_S - k_i * \omega) / R$$ R = $$V_S = \text{source voltage}$$ $$R = \text{motor electrical resistance}$$

Rozważmy teraz mechaniczną stronę silnika. Moment obrotowy wytwarzany przez silnik jest proporcjonalny do ilości prądu przepływającego przez silnik:

$$\tau = k_t * I$$

τ =

$$k_t = \text{a constant}$$ $$\tau = \text{torque}$$

Za pomocą powyższego modelu elektrycznego można sprawdzić, czy przy prędkości utknięcia silnik przepływa przez niego maksymalny prąd, a tym samym maksymalny moment obrotowy. Ponadto przy prędkości bez obciążenia silnik nie ma momentu obrotowego i nie płynie przez niego prąd.

Kiedy silnik wytwarza największą moc? Moc można obliczyć na dwa sposoby:

Moc elektryczna:

$$P_e = V_S * I$$

Moc mechaniczna:

$$P_m = \tau * \omega$$

Jeśli je wykreślisz, przekonasz się, że dla idealnego silnika prądu stałego maksymalna moc osiąga połowę prędkości bez obciążenia.

Biorąc wszystko pod uwagę, w jaki sposób napięcie silnika się zwiększa?

W przypadku tego samego silnika, najlepiej, jeśli zastosujesz podwójne napięcie, podwoisz prędkość bez obciążenia, podwoisz moment obrotowy i poczwórnie zwiększysz moc. Zakłada się to oczywiście, że silnik prądu stałego nie spala się, osiąga stan, który narusza ten uproszczony idealny model silnika itp.

Jednak między różnymi silnikami nie można powiedzieć, w jaki sposób dwa silniki będą działać w porównaniu do siebie na podstawie tylko napięcia znamionowego. Czego potrzebujesz, aby porównać dwa różne silniki?

$k_i = k_t$$P_e = P_m$

$\text{rad}/\text{s}$Hz$\text{rev}/\text{s}$$2\pi$ ..

Po 4 latach użytkowania i badania pojazdów elektrycznych doszedłem do wniosku, że „zdolność pokonywania wzniesień” (zdolność do zwiększania nachylenia określonego stopnia) zależy od momentu obrotowego silnika, a moment obrotowy zależy od prądu.

Napięcie zamiast tego „reguluje” szybkość, z jaką silnik może pracować: maksymalna prędkość, jaką silnik może osiągnąć, to prędkość, z jaką silnik wytwarza napięcie (zwane „siłą przeciwelektromotoryczną”), która jest równa napięciu, które otrzymuje z akumulatora (nie uwzględniając straty mocy i tarcia dla uproszczenia).

To, ile prądu silnik może tolerować po przyłożeniu napięcia, zależy od grubości grubych drutów cewek (grubszy = większy prąd = wyższy moment obrotowy), ze względu na wewnętrzny opór cewki (im wyższy opór, tym wyższe wytwarzane ciepło, aż do drutów topnieć).

Biorąc pod uwagę silnik o mocy 1000 W:

• zapewniając 100 V / 10 A będziesz w stanie osiągnąć dużą prędkość, ale nie będziesz w stanie podnieść dużego zbocza.

• przy napięciu 10 V / 100 A będziesz poruszać się bardzo wolno, ale będziesz w stanie wspinać się na zbocza o wysokiej jakości (zakładając, że silnik może tolerować 100 A).

Maksymalny prąd, który silnik może tolerować, nazywa się „prądem znamionowym”, który jest znacznie niższy niż „prąd utknięcia” silnika, tj. Prąd płynący w przewodach silnika, gdy napięcie jest przyłożone i silnik jest zatrzymany. Silnik NIE MOŻE tolerować własnego prądu utyku, który wkrótce stopi druty. Dlatego elektronika ogranicza maksymalny prąd do wartości prądu znamionowego.

W każdym silniku podstawowa zasada jest bardzo prosta:

• prędkość obrotowa jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia
• moment obrotowy jest proporcjonalny do pobieranego prądu

Silnik o napięciu 100 woltów jest silnikiem, który może pobierać maksymalnie 100 woltów, a silnik o napięciu 50 woltów maksymalnie 50 woltów. Ponieważ silnik 100 woltów może przyjąć więcej woltów, jeśli wszystko inne jest równe, może zapewnić wyższą prędkość maksymalną.

Ale różnica napięcia nie wpływa na moment obrotowy. Aby uzyskać większy moment obrotowy podczas pokonywania wzniesień, musisz dostarczyć silnikowi więcej prądu. Silnik, który może pobierać więcej prądu (oraz akumulator i sterownik silnika, który może dostarczać więcej prądu), da ci większy moment obrotowy, aby pomóc ci podjechać pod górę.

Silniki elektryczne mogą być projektowane w dość szerokim zakresie napięć i prądów dla tej samej prędkości i momentu obrotowego. Samo porównanie zamierzonego napięcia roboczego dwóch silników nie mówi wiele o tym, co te silniki mogą ostatecznie zrobić. Silniki zaprojektowane dla dużej mocy zwykle pracują przy wyższych napięciach, ale jest to głównie dlatego, że prąd może być w rozsądnym limicie.

Aby porównać dwa silniki dla konkretnego zadania, musisz spojrzeć na parametry wyjściowe. Będą to moment obrotowy, zakres prędkości i moc.

Wydajność mechaniczna silnika będzie oczywiście zależeć głównie od jego budowy fizycznej, niekoniecznie od napięcia nominalnego. Silniki dużej mocy będą działać przy wyższych napięciach, ale to niewiele mówi.

Nie będę szczegółowo omawiał szczegółów, ale istnieje dobra praktyczna zasada, której można użyć, gdy chcesz oszacować parametry silnika na podstawie wyglądu. Długi silnik osiągnie wyższe obroty, a szeroki silnik będzie w stanie zapewnić większy moment obrotowy. Być może można sobie wyobrazić, jak to działa - szeroki silnik będzie miał szeroki wirnik, więc siły pól magnetycznych w środku wytworzą większy moment obrotowy.

Tak więc, jeśli masz dwa silniki o tej samej długości, ale jeden z nich jest szerszy, możesz oczekiwać, że szerszy będzie w stanie wygenerować wyższy moment obrotowy.

W bardzo podstawowych terminach (odpowiedź helloworld obejmuje trochę nauki):

Moc to napięcie * prąd (P = IV). Dla danej mocy, powiedzmy 1000 watów / 1 kW, możesz zaprojektować silnik 10 V, który wykorzystuje 100 A lub silnik 100 V, który wykorzystuje 10 A dla tej samej mocy nominalnej :

10 V * 100 A = 1000 watts
100 V * 10 A = 1000 watts

Następnym zagadnieniem jest zestawienie różnych wydajności - dla każdej części układu napędowego będzie jakiś optymalny sposób budowy każdej części, który zapewni najlepszą wydajność w stosunku do ceny. Na przykład, jeśli wybrałeś opcję 10 V, potrzebujesz dużo dużych ciężkich drutów (lub szyn) do obsługi 100 A, podczas gdy 10 A popłynie szczęśliwie po dość chudych małych drutach.

Być może jednak trudniej jest zbudować jednostkę sterującą / ładowarkę, która działa przy 100 V niż przy 10 V (na pewno jest to bezpieczniejsze dla przeciętnego użytkownika, jeśli nie ma tam wysokich napięć, w które mogliby wbić palce).

Tak więc należy dokonać żonglowania, aby ustalić, w jaki sposób układa się system - ile energii użytecznej możesz wydostać z drugiego końca na każdy wat włożonej mocy?

To trochę jak różnica między dużym, leniwym V8 a krzyczącym silnikiem turbo , oba mogą wytwarzać tę samą moc, ale każda z nich jest zupełnie inną odpowiedzią na problem.

Napięcie i prąd są podstawowymi składnikami mocy, czyli zdolności do wykonywania pracy . Wykonanie pracy za pomocą wirujących maszyn wymaga siły działającej obrotowo - momentu obrotowego . Szybkość, z jaką praca przebiega (wprowadzić czas), a pomiar staje się mocą. Większa moc - zwiększ prąd lub napięcie albo jedno i drugie.

Musisz tylko pomyśleć o mocy znamionowej i napięciu znamionowym. Jeśli stosowane napięcie jest wysokie (musi mieścić się w zakresie napięcia), wówczas może przyjąć mniejszy prąd i mniejszy moment obrotowy, co rzeczywiście można znaleźć na podstawie krzywej prędkości i momentu obrotowego dla stałego napięcia.

Napięcie jest proporcjonalne do prędkości, a moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu. Maksymalny prąd, jaki może przyjąć, to prąd znamionowy, a odpowiedni moment obrotowy można znaleźć na podstawie krzywej momentu obrotowego prędkości (jak znasz prędkość od napięcia (rpm = k * v)), gdzie k jest stałą prędkości silnika).