hur kan en likströmsmotor användas som generator: praktiska tillämpningar, urval, prestanda

Någonstans i en låda står en liten likströmsmotor och väntar på ett jobb, räddad från en trasig leksak, en handfläkt eller en gammal skrivare. Du har läst att den också kan köras baklänges som en generator, och nu vill du veta om det verkligen stämmer och hur man gör det ordentligt.

Kort svar: ja, och det är inget knep inblandat. En permanentmagnet DC-motor och en permanentmagnet DC-generator är samma maskin, endast beskriven från motsatta ändar. Vi har byggt mikrolikströmsmotorer i Yuyao sedan 1988, och generatorfrågan dyker upp ständigt, från studenter som kopplar ett litet vindturbin till ingenjörer som lägger till ett laddningsalternativ för handvev. Här är vad som faktiskt betyder något.

Varför en DC-motor kan användas som en generator

Energiomvandlingen inuti en DC-maskin är symmetrisk. Tryck ström genom en spole som sitter i ett magnetfält och spolen trycks i sidled, så att rotorn vrider sig. Vrid på samma rotor istället och spolen sveper genom fältet, det magnetiska flödet som länkar den ändras och en spänning uppträder över terminalerna. Det är Faradays induktionslag som gör precis vad den gör i varje generator som någonsin byggts.

Det som gör en borstad DC-motor så bekväm är dess kommutator. Inuti ankaret växlar den inducerade spänningen, eftersom varje spole passerar under en nordpol och sedan en sydpol. Kommutatorn byter anslutningen till omvärlden i exakt rätt ögonblick, så att de två terminalerna håller en fast polaritet. Det är en mekanisk likriktare, och det är anledningen till att en borstad motor ger dig DC utan en enda elektronisk komponent.

Det snygga är att ett nummer gör två jobb. Spänningskonstanten som talar om hur snabbt en motor snurrar per volt säger också hur mycket spänning den producerar per varv. En motor med 12 V och 6 000 rpm utan belastning genererar ungefär 12 V när något annat snurrar upp den till 6 000 rpm.

Borstad eller borstlös: Vad kommer ut ur ledningarna

Båda familjerna kan generera, men de ger dig olika el, och den skillnaden avgör hur mycket arbete resten av din krets måste göra.

Borstade DC-motorer levererar likström

Snurra axeln och DC dyker upp vid terminalerna, med en krusning på toppen från kommuteringen. Två ledningar, inget annat krävs, och en multimeter visar en avläsning direkt.

Borstlösa DC-motorer levererar trefas växelström

I en borstlös motor sitter lindningarna i statorn och magneterna roterar, så att spinning av axeln inducerar en trefasspänning på statorledarna, trapetsformad i en typisk BLDC och sinusformad i en PMSM. Ingenting korrigerar det mekaniskt, så du behöver en trefasbrygga plus en utjämningskondensator, eller en styrenhet som stöder aktiv likriktning, innan den energin kan ladda ett batteri.

Förvandla en motor till en generator, steg för steg

De flesta börjar med vilken motor som helst som redan finns på bänken, och det är ett mycket bra tillvägagångssätt. De små borstade motorerna som används i leksaker och handhållna apparater är det klassiska valet för ett första vindturbin- eller handvevsexperiment, eftersom de innehåller permanentmagneter och producerar en läsbar spänning vid bara några hundra rpm.

RS-977 höghastighetsborstad likströmsmotor för gräsklippare En borstad motor med permanentmagnet som erbjuder höghastighetsutgång och stabil belastningskapacitet, relevant vid matchning av spänning till varvtal i små byggnader. Visa produkt →

1. Börja med rätt maskin. Den måste ha permanentmagneter. En borstad permanentmagnetmotor från en leksak, fläkt eller skrivare kvalificerar sig, och det gör även en borstlös motor. Induktions- och sårfältsmaskiner fungerar inte på samma sätt.
2. Koppla bort elektroniken. Om motorn levererades med ett drivkort, hastighetsregulator eller batteripaket, isolera det. Du vill ha de råa motorterminalerna.
3. Koppla axeln till en drivmotor. En handvev, propeller, vattenhjul eller turbin duger, så länge den vrider axeln stadigt.
4. Mät öppen kretsspänning. Ställ in en multimeter på DC volt för en borstad motor och AC volt för en borstlös, snurra sedan för hand och se hur avläsningen följer din hastighet.
5. Notera volt per rpm. Snurra med en känd hastighet, registrera spänningen och du har konstanten du behöver för att dimensionera allt annat.
6. Åtgärda vid behov. Trefasbrygga och kondensator för en borstlös motor; en kondensator över polerna räcker vanligtvis för en borstad, plus en spärrdiod om du matar ett batteri.
7. Lägg till en belastning och mät igen. Räkna med att spänningen sjunker, eftersom ström som flyter genom lindningsmotståndet alltid kostar dig volt.
8. Se upp för värme och ljusbågsbildning. Om motorn går varm drar du mer ström än den kan släppa.

Hur mycket spänning och effekt kan du realistiskt få?

Spänning skalar med hastighet nästan linjärt, vilket gör aritmetiken lätt. Dela märkspänningen med tomgångsvarvtalet så får du generatorn konstant. För en typisk mikromotor som konstant landar någonstans mellan en och tre volt per tusen rpm, vilket är anledningen till att en lat handvev producerar en volt eller två medan en turbin som snurrar på några tusen rpm kan nå motorns märkspänning.

Öppen spänning är det optimistiska talet. Så snart ström flyter, sjunker terminalspänningen med strömmen multiplicerat med lindningsmotståndet. På en liten motor kan ankarmotståndet vara några ohm, så att dra en förstärkare kan kosta flera volt. Mät igen med belastningen ansluten; det är den figur som din krets faktiskt ser.

Effekt följer vridmoment. Strömmen en generator levererar är proportionell mot vridmomentet som appliceras på axeln, så en svag drivmotor vid låg hastighet ger dig spänning med nästan ingen ström bakom sig. Som en grov guide ger en liten borstad motor som drivs med en hyfsad bråkdel av sin nominella hastighet någonstans mellan hälften och tre fjärdedelar av den mekaniska kraften du lägger in, med lindningsmotstånd, borstfall, lagerfriktion och järnförluster som tar resten.

Att välja en motor för generatordrift

Om du väljer en motor specifikt att generera, titta förbi numret på etiketten och kontrollera en handfull egenskaper istället.

• Permanenta magneter, utan undantag. Ferrit- eller sällsynta jordartsmagneter ger dig excitationsfältet gratis, vilket är det som gör generering möjlig i en så här liten maskin.
• Lågt lindningsmotstånd, så mindre av din mekaniska insats förvandlas till värme i kopparn.
• Låg tomgångsström och mjuk kuggning, eftersom mjuka armaturer börjar svänga med mindre ansträngning när en lätt bris eller en vev är din drivkraft.
• En hastighetsklassning som passar din körning. Eftersom spänningen stiger med rpm behöver en snabbare motor färre varv för att nå en användbar effekt.
• En växellåda, använd eftertänksamt. Vid normal drift byter en växelmotor hastighet mot vridmoment; i generation kan du köra den åt andra hållet och låta ett långsamt vattenhjul snurra motoraxeln mycket snabbare, så länge du accepterar den extra friktionen och förlusterna.

Motorer som snurrar lätt och drar lite ström utan belastning tenderar att göra de vänligaste generatorerna, vilket är en del av anledningen till att vi har energibesparande borstade konstruktioner i katalogen. De beter sig förutsägbart när energin flödar åt andra hållet, och deras lägre förluster lämnar mer av din ansträngning i kretsen snarare än i lindningarna.

RS-540 Borstad DC-motor med lång livslängd för dammsugare En hållbar borstad permanentmagnetmotor med förutsägbart lågbelastningsbeteende, användbar där lång livslängd och dubbelriktat energiflöde spelar roll. Visa produkt →

Misstag som fångar folk

• Förväntar sig att vilken motor som helst ska fungera. En induktionsmotor med skuggad pol eller trefas ger inte användbar effekt utan extern magnetisering.
• Snurrar för långsamt. Spänningen är proportionell mot hastigheten, så en lugn vev ger dig nästan ingenting.
• Glömde att korrigera en borstlös motor. Trefas växelström som matas in i batteripolerna är ett bra sätt att skada något.
• Lämnar den ursprungliga styrenheten ansluten. Att backmata en förare genom sitt eget slutsteg slutar sällan bra.
• Ignorera borstslitage. Borstar är förbrukningsvaror, och kontinuerlig generering är svårare för dem än tillfällig motoranvändning.
• Överbelastning av drivmotorn. Strömmen är proportionell mot vridmomentet, så en tungt belastad generator kan stoppa turbinen som driver den.
• Lita på öppen kretsspänning. Det är inte arbetsspänningen; mät under belastning innan du designar runt ett tal.

Där Motor-as-Generator redan händer i riktiga produkter

Regenerativ bromsning är motor-som-generator i produktionsform. När ett elfordon saktar ner, när en sladdlös borr släpper avtryckaren och när en robotarm bromsar in, låter styrenheten maskinen fungera som en broms och trycker återvunnen energi tillbaka in i packningen. Inom robotteknik är detta rutin, och samma leder som driver industrirobotar vi levererar motorer för att spendera en del av varje cykel för att generera snarare än att förbruka.

Sådana applikationer kräver motorer som tolererar tusentals riktningsändringar utan dramatik, vilket är precis vad de mjukt löpande borstade designerna i vårt robotsortiment är byggda för.

RS-785SL Borstad DC-motor för fogrengöringsmedel En lågbrusmotor med borstad permanentmagnet byggd för upprepade riktningsändringar, lämplig för verktyg och små generatorexperiment som kräver pålitlig effekt. Visa produkt →

I mindre skala dyker generation upp i handvevade ficklampor och radioapparater, upprullningsfacklor, små vindkraftverk, mikrohydro-installationer, motionscyklar och energiskörd från dörrar, vändkors och varuautomater. Ingen av dessa behöver en specialbyggd generator. De behöver en permanentmagnetmotor, ett vettigt utväxlingsförhållande eller hastighetsmatchning och en likriktare där utgången måste vara DC.

Ett sista ord innan du snurrar det skaftet

Vi har tillverkat mikro likströmsmotorer sedan 1988, vilket betyder att vi har sett väldigt många av dem hamna på den genererande sidan av kretsen, ibland genom design och ibland av misstag. Om du arbetar med en produkt där en motor måste driva och generera, berätta för oss vilken spänning, hastighet, vridmoment och arbetscykel du har i åtanke så hjälper vi dig att begränsa alternativen, oavsett om det visar sig vara en standardborstad modell, en borstlös design eller en växelenhet.

Om du vill se hur dessa motorer beter sig i verklig utrustning först, vår översikt över vanligaste applikationerna för borste DC-motorer är ett bra ställe att börja.