Tôi có một động cơ FA-130 (DC) với nam châm vĩnh cửu, nguồn năng lượng của tôi là 2 pin AA (có thể sạc lại) nên tổng cộng là 2,4v.

Giả sử rằng tất cả các trường hợp sẽ bắt đầu từ cùng một đặc điểm kỹ thuật, về mặt lý thuyết, điều gì sẽ xảy ra nếu tôi làm như sau?

Trường hợp 1 : Tăng / Giảm cường độ của nam châm vĩnh cửu. Điều gì sẽ xảy ra với mô-men xoắn và RPM? Tại sao?

Trường hợp 2 : Tăng / giảm kích thước dây điện từ. Điều gì sẽ xảy ra với mô-men xoắn, tiêu thụ năng lượng và RPM? Tại sao?

Trường hợp 3 : Tăng / Giảm kích thước phần ứng. Điều gì sẽ xảy ra với mô-men xoắn, tiêu thụ năng lượng và RPM? Tại sao?

Trường hợp 4 : Tăng / Giảm số lượt (cuộn). Điều gì sẽ xảy ra với mô-men xoắn, tiêu thụ năng lượng và RPM? Tại sao?

Nói chung, làm thế nào tôi có thể tăng mô-men xoắn và RPM của động cơ này với một điện áp không đổi?

Xin vui lòng, giải thích nó như thể bạn đang nói chuyện với một đứa trẻ 6 tuổi, tôi không am hiểu về lĩnh vực này nhưng tôi muốn biết khái niệm này.

Tôi sẽ giả định rằng đứa trẻ 6 tuổi này có ít nhất một chút nền tảng về vật lý. Tôi sẽ bắt đầu bằng cách trả lời tại sao mỗi kết quả sẽ xảy ra với rất nhiều phép toán để mô tả vật lý đằng sau tất cả. Sau đó, tôi sẽ trả lời từng trường hợp riêng với toán học cung cấp lý do đằng sau mỗi kết quả. Tôi sẽ kết thúc bằng cách trả lời câu hỏi "nói chung" của bạn.

---

Tại sao?

Câu trả lời cho tất cả "Tại sao?" Câu hỏi là: Vật lý! Cụ thể là luật của Lorentz và luật của Faraday . Từ đây :

---

Mô-men xoắn của động cơ được xác định theo phương trình:

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

Ở đâu:

K t = hằng số mô-men xoắn tôi = $\tau = \text{torque}$
$K_t = \text{torque constant}$
$I = \text{motor current}$

Hằng số mô-men xoắn, , là một trong những thông số động cơ chính mô tả động cơ cụ thể dựa trên các thông số khác nhau của thiết kế như cường độ từ tính, số vòng dây, chiều dài phần ứng, v.v. như bạn đã đề cập. Giá trị của nó được tính theo mô-men xoắn trên mỗi amp và được tính như sau:$K_t$

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

Ở đâu:

N = số vòng dây trong từ trường l = $B = \text{strength of magnetic field in Teslas}$
$N = \text{number of loops of wire in the magnetic field}$
$l = \text{length of magnetic field acting on wire}$
$r = \text{radius of motor armature}$

---

Điện áp Back-EMF được xác định bởi:

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

Ở đâu:

K e = hằng số điện áp ω = $V = \text{Back-EMF voltage}$
$K_e = \text{voltage constant}$
$\omega = \text{angular velocity}$

Tốc độ góc là tốc độ của động cơ tính bằng radian trên giây (rad / giây) có thể được chuyển đổi từ RPM:

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

là thông số động cơ chính thứ hai. Thật thú vị, K e được tính bằng cùng một công thức với K t nhưng được đưa ra theo các đơn vị khác nhau:$K_e$$K_e$$K_t$

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

---

Tại sao ? Vì định luật vật lý bảo tồn năng lượng . Về cơ bản nói rằng năng lượng điện đưa vào động cơ cần bằng với năng lượng cơ học ra khỏi động cơ. Giả sử hiệu quả 100%:$K_e = K_t$

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

Thay thế các phương trình từ trên, chúng tôi nhận được:

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

---

Các trường hợp

Tôi sẽ giả định rằng mỗi tham số đang được thay đổi trong sự cô lập.

---

$K_t$$\tau$

$K_e$$K_e$

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

Vì vậy, khi từ trường tăng, tốc độ sẽ giảm. Điều này một lần nữa có ý nghĩa bởi vì từ trường càng mạnh, "lực đẩy" trên phần ứng càng mạnh nên nó sẽ chống lại sự thay đổi tốc độ.

Bởi vì công suất ra bằng với số lần mô-men xoắn vận tốc góc và công suất bằng công suất ra (một lần nữa, giả sử hiệu suất 100%), chúng tôi nhận được:

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

Vì vậy, bất kỳ thay đổi về mô-men xoắn hoặc tốc độ sẽ tỷ lệ thuận với công suất cần thiết để lái động cơ.

---

Trường hợp 2: (Một chút toán học ở đây mà tôi đã không nói rõ hơn ở trên) Quay trở lại định luật Lorentz, chúng ta thấy rằng:

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

Vì thế:

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

Nhờ Newton mà chúng ta có:

$$F = m \cdot g$$

Vì thế...

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

Nếu bạn giữ chiều dài của dây như nhau nhưng tăng thước đo của nó, khối lượng sẽ tăng lên. Như có thể thấy ở trên, khối lượng tỷ lệ thuận với mô-men xoắn giống như cường độ từ trường nên áp dụng kết quả tương tự.

---

$r$

Bắt đầu thấy một mô hình ở đây?

---

$N$

---

Nói chung

Nếu bây giờ không rõ ràng, mô-men xoắn và tốc độ tỷ lệ nghịch :

Có một sự đánh đổi được thực hiện về đầu vào công suất cho động cơ (điện áp và dòng điện) và đầu ra công suất từ ​​động cơ (mô-men xoắn và tốc độ):

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

Nếu bạn muốn giữ điện áp không đổi, bạn chỉ có thể tăng dòng điện. Tăng dòng điện sẽ chỉ tăng mô-men xoắn (và tổng công suất được cung cấp cho hệ thống):

$$\tau = K_t \cdot I$$

Để tăng tốc độ, bạn cần tăng điện áp:

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

Nếu bạn muốn giữ công suất đầu vào không đổi, thì bạn cần sửa đổi một trong các tham số động cơ vật lý để thay đổi hằng số động cơ.

$P$$I$$E$

$P = IE$

Công suất được đo bằng watt , và là tốc độ sử dụng năng lượng. Năng lượng được đo bằng joules và một watt được định nghĩa liên tục là một joule mỗi giây.

$F$$d$

$W = Fd$

Bạn đã hỏi về việc tăng mô-men xoắn và RPM . Mô-men xoắn chỉ là một lực quay và RPM chỉ là tốc độ quay. Vì vậy, định nghĩa của công việc là một nửa của những gì bạn yêu cầu (nó có mô-men xoắn trong đó), và tốc độ và khoảng cách rõ ràng có liên quan. Có vẻ như chúng tôi thực sự thân thiết. Bạn không muốn làm việc nhiều hơn với động cơ của mình, bạn muốn làm việc nhanh hơn . Bạn muốn tăng lực và tốc độ, không phải lực và khoảng cách. Có một thuật ngữ vật lý cho điều này trong một hệ thống cơ khí?

Vâng! Nó cũng được gọi là sức mạnh . Trong một hệ thống cơ học, sức mạnh là sản phẩm của lực và vận tốc:

$P = Fv$

Hoặc để sử dụng các thuật ngữ tương đương cho một hệ thống quay, công suất là sản phẩm của mô-men xoắn và tốc độ góc :

$P = \tau \omega$

Đây chỉ là những gì bạn yêu cầu. Bạn muốn động cơ áp dụng mô-men xoắn nhiều hơn và quay nhanh hơn. Bạn muốn tăng sức mạnh. Bạn muốn sử dụng năng lượng nhanh hơn.

Định luật bảo toàn năng lượng cho chúng ta biết rằng nếu chúng ta muốn tăng năng lượng cơ học, chúng ta cũng phải tăng năng lượng điện. Rốt cuộc, chúng ta không thể làm cho động cơ quay bằng ma thuật. Nếu năng lượng điện là sản phẩm của điện áp và dòng điện, thì tăng điện áp hoặc dòng điện, nếu cái kia được giữ cố định, sẽ làm tăng năng lượng điện.

Khi bạn thay đổi cường độ của nam châm hoặc thêm hoặc loại bỏ các vòng dây, bạn không thể tăng công suất. Tuy nhiên, bạn có thể trao đổi điện áp cho dòng điện hoặc dòng điện cho điện áp, giống như một bộ truyền cơ học có thể giao dịch RPM và mô-men xoắn. Định luật Lenz và các định luật cảm ứng điện từ khác giải thích tại sao điều này là đúng, nhưng chúng không thực sự cần thiết để trả lời câu hỏi của bạn, nếu bạn đơn giản chấp nhận định luật bảo toàn năng lượng.

Với tất cả những điều đó, câu hỏi của bạn là "Cách cải thiện mô-men xoắn và RPM của động cơ DC". Bạn có thể cải thiện nó bằng cách cung cấp cho nó nhiều năng lượng hơn, hoặc bạn có thể làm cho nó hiệu quả hơn. Một số nguồn tổn thất là:

• ma sát trong vòng bi
• điện trở trong cuộn dây
• điện trở trong lõi cuộn
• bức xạ điện từ từ cổ góp
• tổn thất trong dây dẫn, pin, bóng bán dẫn và những thứ khác cung cấp năng lượng điện cho động cơ

Tất cả những điều này phục vụ để làm cho động cơ ít hơn một bộ chuyển đổi năng lượng điện và cơ học hiệu quả 100%. Giảm bất kỳ trong số chúng thường làm tăng một cái gì đó không mong muốn, thường xuyên chi phí hoặc kích thước.

Một suy nghĩ thú vị: Đây là lý do tại sao xe hybrid điện có thể đạt được số dặm tốt hơn trong thành phố. Dừng lại ở đèn đỏ sẽ chuyển đổi tất cả năng lượng của chiếc xe đang di chuyển của bạn thành nhiệt ở má phanh, điều này không hữu ích. Bởi vì động cơ là một công cụ chuyển đổi giữa năng lượng điện và cơ học, một chiếc xe hybrid có thể chuyển đổi năng lượng này không thành nhiệt năng, mà thay vào đó thành năng lượng điện, lưu trữ trong pin, sau đó chuyển đổi thành năng lượng cơ học khi ánh sáng màu xanh lá cây. Để đọc thêm, hãy thử Làm thế nào tôi có thể thực hiện hãm tái sinh của động cơ DC?

$$\tau = 2.B.N.l.r.I$$

$$\omega = V/2.B.N.l.r.I$$

Nếu bạn tăng máy đo dây, bạn tăng dòng điện (I) và do đó mô-men xoắn. Nếu bạn cũng giảm số vòng quay, bạn sẽ giảm mô-men xoắn. Cho dù tổng mô-men xoắn tăng hay giảm, tùy thuộc vào hiệu ứng nào lớn hơn.