¿Cómo se relacionan la corriente y el voltaje con el par y la velocidad de un motor sin escobillas?

Sé que los vehículos eléctricos tienen diferentes rendimientos dependiendo de la batería y el motor, pero no está claro cómo se relacionan las unidades eléctricas y mecánicas.

¿Alguien puede ayudarme?

¿Un motor de 100V se elevará contra pendientes mejor que un motor de 50V?

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 de esto 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 voltaje de retroalimentación. 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 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 estado casi estacionario eléctricamente, o la respuesta de tiempo del motor está dominada por la respuesta de tiempo de los sistemas mecánicos en lugar de la respuesta de tiempo de los sistemas eléctricos. Esto suele ser cierto, pero no necesariamente siempre es cierto.

El generador produce un EMF posterior proporcional a la velocidad del motor:

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

Dónde:

ω = la velocidad del motor en rad /

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

Idealmente a la velocidad de pérdida no hay fem posterior, y sin la velocidad sin carga, la fem posterior es igual al voltaje de la fuente de activación.

La corriente que fluye por el motor se puede calcular:

V S = tensión de fuente R =

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

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:

$$\tau = k_t * I$$

τ =

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

Usando el modelo eléctrico anterior, puede verificar que a la velocidad de parada 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 y no fluye corriente a través de él.

¿Cuándo produce el motor la mayor potencia? Bueno, la potencia se puede calcular de dos maneras:

Energía eléctrica:

$$P_e = V_S * I$$

Potencia mecánica:

$$P_m = \tau * \omega$$

Si traza estos, encontrará que para un motor DC ideal, la potencia máxima llega a la mitad de la velocidad sin carga.

Entonces, considerando todo, ¿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 funcionarán dos motores en comparación entre sí basándose únicamente en la clasificación de voltaje. Entonces, ¿qué necesitas para comparar dos motores diferentes?

$k_i = k_t$$P_e = P_m$

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

Después de 4 años usando y estudiando vehículos eléctricos, descubrí que la "pendiente" (capacidad de elevar una pendiente de pendiente específica) 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 (denominado "fuerza contraelectromotriz") que es igual al voltaje que recibe de la batería (sin tener en cuenta pérdidas de potencia y fricciones para simplificar).

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 = corriente más alta = mayor par), debido a la resistencia interna de las bobinas (cuanto mayor es la resistencia, mayor es el calor producido, hasta que los cables derretir).

Considerando un motor de 1000W:

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

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

La corriente máxima que un motor puede tolerar se denomina "corriente nominal", que es mucho más baja que la "corriente de parada" del motor, es decir, la corriente que fluye en los cables del motor cuando se aplica voltaje y el motor se detiene. 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 extraída

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 darle una velocidad máxima más alta.

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

Los motores eléctricos pueden diseñarse en un rango bastante amplio de voltaje y corriente para la misma velocidad y par de salida. Solo comparar el voltaje de funcionamiento previsto de dos motores no le dice mucho sobre lo que esos motores pueden hacer en última instancia. Los motores diseñados para alta potencia tienden a funcionar a 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 mirar 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 funcionarán con voltajes más altos, pero eso no le dice mucho.

No profundizaré en los detalles, pero hay una buena regla general para usar cuando desee estimar los parámetros de un motor por apariencia. Un motor largo alcanzará mayores rpm y un motor ancho podrá entregar más torque. Quizás 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.

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

En términos muy básicos (la respuesta de helloworld tiene cubierta la parte científica):

La potencia es voltaje * corriente (P = IV). Para una potencia dada, digamos 1000 vatios / 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 fuerza habrá una forma óptima de construir cada parte que ofrezca la mejor eficiencia por el precio. Por ejemplo, si eligió la opción de 10 V, necesita muchos cables grandes y pesados ​​(o barras de bus) para manejar 100 A, mientras que 10 A fluirá felizmente por cables pequeños y 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 para que puedan meter sus dedos).

Entonces, hay que hacer un acto de malabarismo para determinar cómo se acumula el sistema: por cada vatio de energía que pones, ¿cuánta energía útil puedes obtener del otro extremo?

Es un poco como la diferencia entre un gran V8 vago y un motor turbo que grita , ambos pueden hacer 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 trabajos . Para hacer el trabajo por medio de maquinaria giratoria se requiere una fuerza de acción giratoria: un par . La velocidad a la que avanza el trabajo (tiempo de introducción) y la medición se hace de potencia. Más potencia: aumente la corriente o el voltaje o ambos.

Todo lo que tiene que pensar es 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 torque, que de hecho se puede encontrar en la curva de velocidad-torque para un voltaje fijo.

El voltaje es proporcional a la velocidad, y el par 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).