Wie hängen Strom und Spannung mit Drehmoment und Drehzahl eines bürstenlosen Motors zusammen?

Die Beziehung zwischen den elektrischen Eigenschaften eines Motors und der mechanischen Leistung kann als solche berechnet werden (Hinweis: Dies ist die Analyse für einen idealen DC-Bürstenmotor, aber einiges davon sollte immer noch für einen nicht idealen bürstenlosen DC-Motor gelten).

Ein Gleichstrommotor kann als Schaltung mit einem Widerstand und einer Gegen-EMK-Spannungsquelle angenähert werden. Der Widerstand modelliert den Eigenwiderstand der Motorwicklungen. Die Gegen-EMK modelliert die Spannung, die durch den sich bewegenden elektrischen Strom im Magnetfeld erzeugt wird (im Grunde kann ein Gleichstrom-Elektromotor als Generator fungieren). Es ist auch möglich, die Eigeninduktivität des Motors durch Hinzufügen einer Induktivität in Reihe zu modellieren. Ich habe dies jedoch größtenteils ignoriert und angenommen, dass sich der Motor elektrisch in einem quasi stationären Zustand befindet oder das Zeitverhalten des Motors vom Zeitverhalten dominiert wird der Mechanik anstelle des Zeitverhaltens der Elektrik. Dies ist normalerweise wahr, aber nicht unbedingt immer wahr.

Der Generator erzeugt eine Gegen-EMK proportional zur Drehzahl des Motors:

Woher:

Idealerweise gibt es bei Stillstandsgeschwindigkeit keine Gegen-EMK, und bei keiner Leerlaufgeschwindigkeit ist die Gegen-EMK gleich der Antriebsquellenspannung.

Der durch den Motor fließende Strom kann dann berechnet werden:

Betrachten wir nun die mechanische Seite des Motors. Das vom Motor erzeugte Drehmoment ist proportional zur Strommenge, die durch den Motor fließt:

Mit dem obigen elektrischen Modell können Sie überprüfen, ob der Motor bei der Stillstandsdrehzahl den maximalen Strom durchfließt und somit das maximale Drehmoment. Außerdem hat der Motor bei Leerlaufdrehzahl kein Drehmoment und es fließt kein Strom durch ihn.

Wann bringt der Motor die meiste Leistung? Nun, die Leistung kann auf zwei Arten berechnet werden:

Elektrische Energie:

Mechanische Kraft:

Wenn Sie diese aufzeichnen, werden Sie feststellen, dass bei einem idealen Gleichstrommotor die maximale Leistung bei der halben Leerlaufdrehzahl liegt.

Also alles in allem, wie stapelt sich die Motorspannung?

Wenn Sie für denselben Motor idealerweise die doppelte Spannung anlegen, verdoppeln Sie die Leerlaufdrehzahl, verdoppeln das Drehmoment und vervierfachen die Leistung. Dies setzt natürlich voraus, dass der Gleichstrommotor nicht durchbrennt, einen Zustand erreicht, der gegen dieses vereinfachte ideale Motormodell verstößt usw.

Bei verschiedenen Motoren ist es jedoch unmöglich, nur anhand der Nennspannung zu sagen, wie sich zwei Motoren im Vergleich zueinander verhalten werden. Was brauchen Sie also, um zwei verschiedene Motoren zu vergleichen?

Idealerweise möchten Sie die Nennspannung und den Stillstandsstrom kennen, damit Sie Ihre Elektronik entsprechend auslegen können, und Sie möchten die Leerlaufdrehzahl und das Stillstandsdrehmoment kennen, damit Sie die mechanische Leistung Ihres Motors berechnen können. Möglicherweise möchten Sie auch die aktuelle Nennleistung des Motors sehen (einige Motoren können beschädigt werden, wenn Sie sie zu lange blockieren!). Auch bei dieser Betrachtung wird der Effizienzaspekt des Motors etwas vernachlässigt. Für einen perfekt effizienten Motor$k_i = k_t$, oder eher$P_e = P_m$. Dies würde dazu führen, dass die Leistungsberechnungen unter Verwendung der beiden Gleichungen gleich sind (dh elektrische Leistung gleich mechanischer Leistung). Echte Motoren sind jedoch nicht perfekt effizient. Einige sind nah dran, andere nicht.

ps In meinen Berechnungen habe ich die Motordrehzahl als verwendet$\text{rad}/\text{s}$. Dies kann in Hzoder umgewandelt werden$\text{rev}/\text{s}$durch dividieren durch$2\pi$..

Nach 4 Jahren Nutzung und Studium von Elektrofahrzeugen fand ich heraus, dass die "Steigfähigkeit" (Fähigkeit, eine Steigung mit einer bestimmten Steigung zu heben) vom Motordrehmoment und das Drehmoment vom Strom abhängt.

Die Spannung "regelt" stattdessen, wie schnell ein Motor laufen kann: Die maximale Geschwindigkeit, die ein Motor erreichen kann, ist die Geschwindigkeit, bei der der Motor eine Spannung (genannt "elektromotorische Gegenkraft") erzeugt, die gleich der Spannung ist, die er von der Batterie erhält (ohne Berücksichtigung Leistungsverluste und Reibung zur Vereinfachung).

Wie viel Strom ein Motor verträgt, wenn eine Spannung angelegt wird, hängt davon ab, wie dick die Spulendrähte sind (dicker = höherer Strom = höheres Drehmoment) aufgrund des Innenwiderstands der Spulen (je höher der Widerstand, desto höher die erzeugte Wärme bis Drähte schmelzen).

Betrachten Sie einen 1000-W-Motor:

• Mit 100 V / 10 A können Sie hohe Geschwindigkeiten erreichen, aber keine große Steigung überwinden.

• Mit 10 V/100 A bewegen Sie sich sehr langsam, können aber hochgradige Steigungen erklimmen (vorausgesetzt, der Motor verträgt 100 A).

Der maximale Strom, den ein Motor tolerieren kann, wird als "Nennstrom" bezeichnet, der viel niedriger ist als der "Stillstandsstrom" des Motors, dh der Strom, der in den Motorleitungen fließt, wenn Spannung angelegt wird und der Motor angehalten wird. Der Motor kann seinen eigenen Stillstandsstrom NICHT tolerieren, der bald Drähte schmelzen wird. Deshalb begrenzt die Elektronik den Maximalstrom auf den Nennstromwert.

Bei jedem Motor ist das Grundprinzip sehr einfach:

• Die Drehzahl ist proportional zur angelegten Spannung
• Drehmoment ist proportional zum gezogenen Strom

Ein 100-Volt-Motor ist ein Motor, der maximal 100 Volt aufnehmen kann, und ein 50-Volt-Motor maximal 50 Volt. Da der 100-Volt-Motor mehr Volt aufnehmen kann, kann er Ihnen, wenn alles andere gleich ist, eine höhere Höchstgeschwindigkeit geben.

Der Spannungsunterschied hat jedoch keinen Einfluss auf das Drehmoment. Um mehr Drehmoment zu bekommen, um einen Hügel hinauf zu fahren, müssen Sie Ihren Motor mit mehr Strom versorgen. Ein Motor, der mehr Strom aufnehmen kann (und eine Batterie und eine Motorsteuerung, die mehr Strom liefern können), gibt Ihnen mehr Drehmoment, um Ihnen beim Bergauffahren zu helfen.

Elektromotoren können über einen ziemlich großen Spannungs- und Strombereich für die gleiche Drehzahl und das gleiche Drehmoment ausgelegt werden. Der Vergleich der beabsichtigten Betriebsspannung zweier Motoren sagt nicht viel darüber aus, was diese Motoren letztendlich leisten können. Motoren, die für hohe Leistung ausgelegt sind, arbeiten tendenziell bei höheren Spannungen, aber das ist meistens so, dass der Strom innerhalb einer vernünftigen Grenze liegen kann.

Um zwei Motoren für eine bestimmte Aufgabe zu vergleichen, müssen Sie sich die Ausgangsparameter ansehen. Dies sind das Drehmoment, der Drehzahlbereich und die Leistung.

Die mechanische Leistung eines Motors hängt natürlich hauptsächlich von seiner physischen Bauweise ab, nicht unbedingt von seiner Nennspannung. Hochleistungsmotoren werden mit höheren Spannungen betrieben, aber das sagt nicht viel aus.

Ich werde nicht auf die Einzelheiten eingehen, aber es gibt eine gute Faustregel, die Sie verwenden können, wenn Sie die Parameter eines Motors nach Aussehen schätzen möchten. Ein langer Motor erreicht höhere Drehzahlen und ein breiter Motor kann mehr Drehmoment liefern. Sie können sich vielleicht vorstellen, wie das funktioniert - ein breiter Motor hat einen breiten Rotor, sodass die Kräfte der Magnetfelder im Inneren ein größeres Drehmoment erzeugen.

Wenn Sie also zwei Motoren mit identischer Länge haben, aber einer davon breiter ist, können Sie davon ausgehen, dass der breitere in der Lage ist, ein höheres Drehmoment zu erzeugen.

Alles, woran Sie denken müssen, ist die Nennleistung und die Nennspannung. Wenn die von Ihnen angelegte Spannung hoch ist (muss innerhalb des Spannungsbereichs liegen), kann sie weniger Strom und weniger Drehmoment aufnehmen, was tatsächlich aus der Drehzahl-Drehmoment-Kurve für eine feste Spannung ermittelt werden kann.

Die Spannung ist proportional zur Drehzahl und das Drehmoment ist proportional zum Strom. Der maximale Strom, den er aufnehmen kann, ist der Nennstrom und das entsprechende Drehmoment kann aus der Drehzahl-Drehmoment-Kurve ermittelt werden (wie Sie die Drehzahl aus der Spannung kennen (U / min = k * v)), wobei k die Drehzahlkonstante des Motors ist).

In sehr einfachen Worten (die Antwort von helloworld hat den wissenschaftlichen Teil abgedeckt):

Leistung ist Spannung * Strom (P=IV). Für eine bestimmte Leistung, z. B. 1000 Watt / 1 kW, können Sie einen 10-V-Motor entwerfen, der 100 A verbraucht, oder einen 100-V-Motor, der 10 A für die gleiche Nennleistung verbraucht:

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

Ihre nächste Überlegung ist, wie sich die verschiedenen Wirkungsgrade kumulieren - für jedes Teil des Antriebsstrangs gibt es eine optimale Art, jedes Teil zu bauen, das den besten Wirkungsgrad für den Preis bietet. Wenn Sie sich beispielsweise für die 10-V-Option entschieden haben, benötigen Sie viele große, schwere Drähte (oder Sammelschienen), um 100 A zu bewältigen, während 10 A glücklich durch ziemlich dünne kleine Drähte fließen.

Möglicherweise ist es jedoch schwieriger, eine Steuereinheit / ein Ladegerät zu bauen, das bei 100 V als bei 10 V funktioniert (es ist sicherlich sicherer für den durchschnittlichen Benutzer, wenn keine Hochspannungen herumtreten, in die er seine Finger stecken kann).

Es muss also ein Jonglierakt durchgeführt werden, um herauszufinden, wie sich das System stapelt - wie viel nützliche Energie können Sie für jedes Watt Leistung, das Sie einspeisen, am anderen Ende herausholen?

Es ist ein bisschen wie der Unterschied zwischen einem großen faulen V8 und einem kreischenden Turbomotor , beide können die gleiche Leistung bringen, aber jeder ist eine ganz andere Antwort auf das Problem.

Spannung und Strom sind die wesentlichen Komponenten der Leistung, auch bekannt als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten . Um mit Spinnmaschinen Arbeit zu verrichten, ist eine rotatorisch wirkende Kraft – ein Drehmoment – ​​erforderlich . Die Geschwindigkeit, mit der die Arbeit fortschreitet (Einführungszeit) und die Messung wird zur Leistung. Mehr Leistung - entweder Strom oder Spannung oder beides erhöhen.