У мене є двигун FA-130 (постійного струму) з постійним магнітом, моє джерело живлення - 2 батареї АА (акумуляторні), тобто 2,4 В.

Припустимо, що всі випадки почнуться з однієї і тієї ж специфікації, теоретично, що трапиться, якби я зробив наступне?

Випадок 1 : Збільшення / зменшення міцності постійних магнітів. Що буде з крутним моментом та обертів? Чому?

Випадок 2 : Збільшити / зменшити розмір дротів магніту. Що буде з крутним моментом, енергоспоживанням та об / хв? Чому?

Випадок 3 : Збільшити / зменшити розмір арматури. Що буде з крутним моментом, енергоспоживанням та об / хв? Чому?

Випадок 4 : Збільшити / зменшити кількість витків (котушки). Що буде з крутним моментом, енергоспоживанням та об / хв? Чому?

Взагалі, як я можу збільшити крутний момент і об / хв цього двигуна за умови постійної напруги?

Будь ласка, поясніть це так, ніби ви розмовляєте з 6-річною дитиною, я не обізнаний у цій галузі, але хочу знати концепцію.

Я припускаю, що цей 6-річний вік має хоча б трохи досвіду фізики. Я розпочну з відповіді, чому кожен результат буде виникати з великою кількістю математики, щоб описати фізику, яка стоїть за всім цим. Тоді я відповім на кожен випадок окремо математикою, надаючи міркування щодо кожного результату. Я закінчу, відповідаючи на ваше "загалом" питання.

---

Чому?

Відповідь на всі ваші "Чому?" Питання: Фізика! В зокрема закон Лоренца і закон Фарадея . Від сюди :

---

Крутний момент двигуна визначається рівнянням:

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

Де:

K t = константа крутного моменту I = $\tau = \text{torque}$
$K_t = \text{torque constant}$
$I = \text{motor current}$

Постійна крутного моменту, , є одним з основних параметрів двигуна, який описує конкретний двигун на основі різних параметрів його конструкції, таких як магнітна міцність, кількість витків дроту, довжина арматури тощо. Його значення задається крутним моментом на ампер і розраховується як:$K_t$

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

Де:

N = кількість петель дроту в магнітному полі l = довжина магнітного поля, що діє на дріт r = $B = \text{strength of magnetic field in Teslas}$
$N = \text{number of loops of wire in the magnetic field}$
$l = \text{length of magnetic field acting on wire}$
$r = \text{radius of motor armature}$

---

Напруга на задній ЕРС визначається:

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

Де:

K e = постійна напруга ω = $V = \text{Back-EMF voltage}$
$K_e = \text{voltage constant}$
$\omega = \text{angular velocity}$

Кутова швидкість - це швидкість двигуна в радіанах в секунду (rad / sec), яку можна перетворити з RPM:

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

- другий основний параметр двигуна. Як не дивно, K e обчислюється за тією ж формулою, що і K t, але подається в різних одиницях:$K_e$$K_e$$K_t$

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

---

Чому ? Через фізичний закон збереження енергії . В основному йдеться про те, що електрична потужність, подана в двигун, повинна дорівнювати механічній потужності, виведеній з двигуна. Припускаючи 100% ефективність:$K_e = K_t$

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

Підставляючи рівняння зверху, отримуємо:

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

---

Справи

Я припускаю, що кожен параметр змінюється ізольовано.

---

Випадок 1: Сила магнітного поля прямо пропорційна постійній моменту, . Оскільки збільшення напруженості магнітного поля збільшується чи зменшується, крутний момент, τ , пропорційно збільшуватиметься чи зменшуватиметься. Що має сенс, оскільки чим сильніше магнітне поле, тим сильніше "натискання" на арматуру.$K_t$$\tau$

Напруженість магнітного поля також прямо пропорційна постійній напрузі, . Однак K e обернено пропорційна кутовій швидкості:$K_e$$K_e$

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

Отже, зі збільшенням магнітного поля швидкість зменшуватиметься. Це знову має сенс, оскільки чим сильніше магнітне поле, тим сильніше "натискання" на арматуру, тому воно буде чинити опір зміні швидкості.

Оскільки потужність виходу дорівнює кутовій швидкості крутного моменту, а потужність у рівній потужності (знову ж таки, при 100% ефективності), ми отримуємо:

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

Тож будь-яка зміна крутного моменту або швидкості буде прямо пропорційною потужності, необхідній для приводу мотора.

---

Випадок 2: (Трохи більше математики тут, я явно не звертався вище) Повертаючись до закону Лоренца, ми бачимо, що:

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

Тому:

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

Завдяки Ньютону ми маємо:

$$F = m \cdot g$$

Так...

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

Якщо зберегти довжину дроту однаковою, але збільшити її калібр, маса збільшиться. Як видно вище, маса прямо пропорційна обертаючому моменту так само, як напруженість магнітного поля, тому застосовується той же результат.

---

$r$

Починаєте бачити тут візерунок?

---

$N$

---

Загалом

Якщо на сьогодні це не очевидно, крутний момент і швидкість обернено пропорційні :

Здійснюється компенсація з точки зору введення потужності в двигун (напруга і струм) та виходу потужності від двигуна (крутний момент і швидкість):

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

Якщо ви хочете тримати напругу постійною, можна тільки збільшити струм. Збільшення струму лише збільшить крутний момент (і загальну потужність, що подається в систему):

$$\tau = K_t \cdot I$$

Щоб збільшити швидкість, потрібно підвищити напругу:

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

Якщо ви хочете підтримувати вхідну потужність постійною, вам потрібно змінити один з фізичних параметрів двигуна, щоб змінити константи двигуна.

Одне пояснення - врахувати цю владу $P$ є добуток струму $I$ і напруга $E$:

$P = IE$

Потужність вимірюється у ватах , і це витрата енергії. Енергія вимірюється в джоулях , а ват умовно визначається як один джоуль в секунду.

Застосування мотора, як правило, полягає в застосуванні сили до речі, щоб перемістити її. У фізиці це називається роботою , яка дорівнює добутку сили$F$ і відстань $d$:

$W = Fd$

Ви запитували про збільшення крутного моменту та об / хв . Крутний момент - це лише обертаюча сила, а оберт - це лише швидкість обертання. Отже, визначення роботи - це половина того, про що ви просили (у ній є крутний момент), а швидкість і відстань, очевидно, пов'язані. Здається, ми справді поруч. Ви не хочете просто більше працювати з мотором, ви хочете працювати швидше . Ви хочете збільшити силу і швидкість, а не силу і відстань. Чи існує фізичний термін для цього в механічній системі?

Так! Це також називається владою . У механічній системі потужність є добутком сили і швидкості:

$P = Fv$

Або використовувати еквівалентні терміни для обертової системи, потужність - це добуток крутного моменту та кутової швидкості :

$P = \tau \omega$

Це саме те, що ви запитали. Ви хочете, щоб мотор прикладав більше крутного моменту і обертався швидше. Ви хочете збільшити потужність. Ви хочете використовувати енергію швидше.

Закон збереження енергії говорить нам, що якщо ми хочемо збільшити механічну потужність, ми повинні також збільшувати електричну потужність. Зрештою, ми не можемо змусити мотор крутитись магією. Якщо електрична потужність є добутком напруги та струму, то збільшення напруги чи струму, якщо інший буде постійним, збільшуватиме електричну потужність.

Якщо ви зміните силу магнітів або додаєте або видалите витки дроту, ви не можете збільшити потужність. Однак ви можете торгувати напругою струму або струмом для напруги, подібно до того, як механічна передача може торгувати об / хв і крутний момент. Закон Ленца та інші закони електромагнітної індукції пояснюють, чому це правда, але вони насправді не потрібні, щоб відповісти на ваше запитання, якщо ви просто приймаєте закон збереження енергії.

Враховуючи все це, ваше запитання було "Як покращити крутний момент та обертів оборотів мотора постійного струму". Ви можете вдосконалити його, надаючи більше енергії, або можете зробити його більш ефективним. Деякі джерела втрат:

• тертя в підшипниках
• опір в обмотках
• магнітний опір у ядрах обмотки
• електромагнітне випромінювання від комутаторів
• втрати в проводах, акумуляторі, транзисторах та інших речах, що подають електричну енергію на двигун

Все це служить для того, щоб зробити двигун менш 100% ефективним перетворювачем електричної та механічної енергії. Зменшення будь-якого з них, як правило, збільшує щось інше небажане, часто коштує чи розмір.

Цікава думка: ось чому електричні гібридні машини можуть покращити пробіг по місту. Зупинка на червоному вогні перетворює всю енергію вашого автомобіля, що рухається, в тепло на гальмівних колодках, що не корисно. Оскільки мотор є перетворювачем між електричною та механічною енергією, гібридний автомобіль може перетворювати цю енергію не в тепло, а натомість в електричну енергію, зберігати її в акумуляторі, а потім перетворювати її назад в механічну енергію, коли світло зелене. Для подальшого читання спробуйте Як я можу реалізувати регенеративне гальмування двигуна постійного струму?

Хоча ви отримали дуже хороші та детальні відповіді, я хотів би запропонувати дуже просту відповідь, використовуючи вже представлені формули:

$$\tau = 2.B.N.l.r.I$$ З цієї формули виразно видно, що крутний момент прямо пропорційний напруженості магнітного поля, кількості витків довжини петлі, радіусу арматури та струму в проводах. Оскільки, коли будь-яка з цих змінних збільшується або зменшується, обертається і крутний момент .

Інша формула,

$$\omega = V/2.B.N.l.r.I$$ чітко видно, що RPM обернено пропорційний тим самим змінним. Тому в міру їх збільшення оберти зменшуються, і навпаки .

Якщо ви збільшуєте провідний датчик, ви збільшуєте струм (I) і тим самим крутний момент. Якщо ви також зменшите кількість оборотів, ви зменшите крутний момент. Те чи загальне збільшення крутного моменту або зменшується, залежить від того, якого ефекту більше.