Tengo un motor FA-130 (DC) con imán permanente, mi fuente de alimentación son 2 baterías AA (recargables), por lo que un total de 2.4v.

Suponga que todos los casos comenzarán desde la misma especificación, teóricamente, ¿qué sucedería si hago lo siguiente?

Caso 1 : aumentar / disminuir la fuerza de los imanes permanentes. ¿Qué pasaría con el par y las RPM? ¿Por qué?

Caso 2 : aumentar / disminuir el tamaño de los cables magnéticos. ¿Qué pasaría con el par, el consumo de energía y las RPM? ¿Por qué?

Caso 3 : aumentar / disminuir el tamaño de la armadura. ¿Qué pasaría con el par, el consumo de energía y las RPM? ¿Por qué?

Caso 4 : Aumentar / Disminuir el número de vueltas (bobina). ¿Qué pasaría con el par, el consumo de energía y las RPM? ¿Por qué?

En general, ¿cómo puedo aumentar el par y las RPM de este motor con un voltaje constante?

Por favor, explíquelo como si estuviera hablando con un niño de 6 años, no estoy bien informado en este campo, pero quiero saber el concepto.

Voy a suponer que este niño de 6 años tiene al menos un poco de experiencia en física. Voy a comenzar respondiendo por qué cada resultado ocurrirá con muchas matemáticas para describir la física detrás de todo. Luego responderé cada caso individualmente con las matemáticas proporcionando el razonamiento detrás de cada resultado. Terminaré respondiendo su pregunta "en general".

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¿Por qué?

La respuesta a todos tus "¿Por qué?" La pregunta es: ¡Física! Específicamente la ley de Lorentz y la ley de Faraday . Desde aquí :

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El par del motor está determinado por la ecuación:

$$\tau = K_t \cdot I~~~~~~~~~~(N \cdot m)$$

Dónde:

K t = par constante I = $\tau = \text{torque}$
$K_t = \text{torque constant}$
$I = \text{motor current}$

La constante de par, , es uno de los principales parámetros del motor que describe el motor específico en función de los diversos parámetros de su diseño, como la fuerza magnética, el número de vueltas de cable, la longitud de la armadura, etc., como ha mencionado. Su valor se da en par por amperio y se calcula como:$K_t$

$$K_t = 2 \cdot B \cdot N \cdot l \cdot r~~~~~~~~~~(N \cdot m / A)$$

Dónde:

N = número de bucles de cable en el campo magnético l = longitud del campo magnético que actúa sobre el cable r $B = \text{strength of magnetic field in Teslas}$
$N = \text{number of loops of wire in the magnetic field}$
$l = \text{length of magnetic field acting on wire}$
$r = \text{radius of motor armature}$

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El voltaje Back-EMF está determinado por:

$$V = K_e \cdot \omega~~~~~~~~~~(volts)$$

Dónde:

K e = constante de voltaje ω = $V = \text{Back-EMF voltage}$
$K_e = \text{voltage constant}$
$\omega = \text{angular velocity}$

La velocidad angular es la velocidad del motor en radianes por segundo (rad / seg) que se puede convertir de RPM:

$$\text{rad/sec} = \text{RPM}\times\dfrac{\pi}{30}$$

es el segundo parámetro principal motor. Curiosamente, K e se calcula utilizando la misma fórmula que K t pero se da en diferentes unidades:$K_e$$K_e$$K_t$

$$K_e = 2 \cdot B \cdot N \cdot l \cdot r~~~~~~~~~~(volts/rad/sec)$$

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¿Por qué ? Por la ley física de Conservación de Energía . Lo que básicamente establece que la potencia eléctrica puesta en el motor debe ser igual a la potencia mecánica que sale del motor. Asumiendo 100% de eficiencia:$K_e = K_t$

V⋅I=τ⋅$P_{in} = P_{out}$
$V \cdot I = \tau \cdot \omega$

Sustituyendo las ecuaciones de arriba obtenemos:

K e = K $(K_e \cdot \omega) \cdot I = (K_t \cdot I) \cdot \omega$
$K_e = K_t$

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Casos

Voy a suponer que cada parámetro se está cambiando de forma aislada.

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Caso 1: La intensidad del campo magnético es directamente proporcional a la constante de par, . Entonces, a medida que aumenta o disminuye la intensidad del campo magnético, el par, $K_t$$\tau$ , aumentará o disminuirá proporcionalmente. Lo cual tiene sentido porque cuanto más fuerte es el campo magnético, más fuerte es el "empuje" sobre la armadura.

La intensidad del campo magnético también es directamente proporcional a la constante de voltaje, . Sin embargo K e es inversamente proporcional a la velocidad angular:$K_e$$K_e$

$$\omega = \dfrac{V}{K_e}$$

Entonces, a medida que aumenta el campo magnético, la velocidad disminuirá. Esto nuevamente tiene sentido porque cuanto más fuerte es el campo magnético, más fuerte es el "empuje" en la armadura, por lo que resistirá un cambio de velocidad.

Debido a que la potencia de salida es igual al par por la velocidad angular, y la potencia de entrada es igual a la potencia de salida (nuevamente, suponiendo una eficiencia del 100%), obtenemos:

$$P_{in} = \tau \cdot \omega$$

Por lo tanto, cualquier cambio en el par o la velocidad será directamente proporcional a la potencia requerida para conducir el motor.

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Caso 2: (Un poco más de matemáticas aquí que no expliqué explícitamente arriba) Volviendo a la ley de Lorentz vemos que:

$$\tau = 2 \cdot F \cdot r = 2 (I \cdot B \cdot N \cdot l) r$$

Por lo tanto:

$$F = I \cdot B \cdot N \cdot l$$

Gracias a Newton tenemos:

$$F = m \cdot g$$

Asi que...

$$\tau = 2 \cdot m \cdot g \cdot r$$

Si mantiene la longitud del cable igual pero aumenta su calibre, la masa aumentará. Como se puede ver arriba, la masa es directamente proporcional al par, al igual que la fuerza del campo magnético, por lo que se aplica el mismo resultado.

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Caso 3:$r$

¿Comienza a ver un patrón aquí?

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Caso 4:$N$

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En general

Si ya no es obvio, el par y la velocidad son inversamente proporcionales :

Se debe realizar una compensación en términos de entrada de potencia al motor (voltaje y corriente) y salida de potencia del motor (par y velocidad):

$$V \cdot I = \tau \cdot \omega$$

Si desea mantener el voltaje constante, solo puede aumentar la corriente. El aumento de la corriente solo aumentará el par (y la potencia total que se suministra al sistema):

$$\tau = K_t \cdot I$$

Para aumentar la velocidad, necesita aumentar el voltaje:

$$\omega = \dfrac{V}{K_e}$$

Si desea mantener constante la potencia de entrada, debe modificar uno de los parámetros físicos del motor para cambiar las constantes del motor.

$P$$I$$E$

$P = IE$

La potencia se mide en vatios y es la tasa de uso de energía. La energía se mide en julios , y un vatio se define convenientemente como un julio por segundo.

$F$$d$

$W = Fd$

Preguntaste sobre aumentar el par y las RPM . El par es solo una fuerza de rotación, y las RPM son solo una velocidad de rotación. Entonces, la definición de trabajo es la mitad de lo que pediste (tiene torque), y la velocidad y la distancia están obviamente relacionadas. Parece que estamos realmente cerca. No solo quieres trabajar más con tu motor, sino que quieres trabajar más rápido . Desea aumentar la fuerza y ​​la velocidad, no la fuerza y ​​la distancia. ¿Existe un término físico para esto en un sistema mecánico?

¡Sí! También se llama poder . En un sistema mecánico, la potencia es el producto de la fuerza y ​​la velocidad:

$P = Fv$

O para usar los términos equivalentes para un sistema rotacional, la potencia es el producto del par y la velocidad angular :

$P = \tau \omega$

Esto es justo lo que pediste. Desea que el motor aplique más torque y gire más rápido. Quieres aumentar el poder. Quieres usar la energía más rápido.

La ley de conservación de la energía. nos dice que si queremos aumentar la potencia mecánica, también debemos aumentar la potencia eléctrica. Después de todo, no podemos hacer que el motor gire con magia. Si la energía eléctrica es el producto del voltaje y la corriente, entonces aumentar el voltaje o la corriente, si el otro se mantiene constante, aumentará la energía eléctrica.

Cuando cambia la fuerza de los imanes, o agrega o quita vueltas de alambre, no puede aumentar la potencia. Usted puede , sin embargo, la tensión comercial de corriente, o la corriente para la tensión, al igual que una transmisión mecánica puede operar rpm y un par. La ley de Lenz y otras leyes de inducción electromagnética. explican por qué esto es cierto, pero no son realmente necesarias para responder a su pregunta, si simplemente acepta la ley de conservación de la energía.

Dado todo eso, su pregunta era "Cómo mejorar el par y las RPM de un motor de CC". Puede mejorarlo dándole más energía, o puede hacerlo más eficiente. Algunas fuentes de pérdida son:

• fricción en los rodamientos
• resistencia en los devanados
• resistencia magnética en los núcleos de bobinado
• radiación electromagnética de los conmutadores
• Pérdidas en los cables, la batería, los transistores y otras cosas que suministran energía eléctrica al motor.

Todos estos sirven para hacer que el motor sea menos que un convertidor 100% eficiente de energía eléctrica y mecánica. Reducir cualquiera de ellos generalmente aumenta algo indeseable, con frecuencia el costo o el tamaño.

Una idea interesante: esta es la razón por la cual los autos híbridos eléctricos pueden obtener un mejor millaje en la ciudad. Detenerse en una luz roja convierte toda la energía de su automóvil en movimiento en las pastillas de freno, lo que no es útil. Debido a que un motor es un convertidor entre energía eléctrica y mecánica, un automóvil híbrido puede convertir esta energía no en calor, sino en energía eléctrica, almacenarla en una batería y luego volver a convertirla en energía mecánica cuando la luz es verde. Para leer más, intente ¿Cómo puedo implementar el frenado regenerativo de un motor de CC?

Aunque ha recibido respuestas muy buenas y detalladas, me gustaría ofrecer una respuesta muy simple utilizando las fórmulas ya presentadas:

$$\tau = 2.B.N.l.r.I$$ Esta fórmula muestra claramente que el par es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético, el número de vueltas, la longitud del bucle, el radio de la armadura y la corriente en los cables. Entonces, a medida que cualquiera de estas variables aumenta o disminuye, también lo hace el par .

La otra fórmula

$$\omega = V/2.B.N.l.r.I$$ muestra claramente que las RPM son inversamente proporcionales a las mismas variables. Por lo tanto, a medida que aumentan, las RPM disminuyen y viceversa .

Si aumenta el calibre del cable, aumenta la corriente (I) y, por lo tanto, el par. Si también disminuye el número de vueltas, disminuirá el par. Si el par total aumenta o disminuye, depende de qué efecto sea mayor.