как двигатель постоянного тока можно использовать в качестве генератора: практическое применение, выбор, характеристики

Где-то в ящике лежит маленький двигатель постоянного тока, ожидающий работы, спасенный от сломанной игрушки, ручного вентилятора или старого принтера. Вы прочитали, что он также может работать в обратном направлении как генератор, и теперь хотите знать, действительно ли это так и как это сделать правильно.

Короткий ответ: да, и здесь нет никакого подвоха. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами и генератор постоянного тока с постоянными магнитами — это одна и та же машина, описанная только с противоположных концов. Мы производим микродвигатели постоянного тока в Юяо с 1988 года, и вопрос о генераторе возникает постоянно: от студентов, подключающих небольшую ветряную турбину, до инженеров, добавляющих возможность зарядки с помощью ручного запуска. Вот что на самом деле имеет значение.

Почему двигатель постоянного тока можно использовать в качестве генератора

Преобразование энергии внутри машины постоянного тока симметрично. Пропускайте ток через катушку, находящуюся в магнитном поле, и катушка смещается в сторону, поэтому ротор вращается. Вместо этого поверните тот же самый ротор, и катушка пройдет через поле, магнитный поток, связывающий ее, изменится, и на клеммах появится напряжение. Это закон индукции Фарадея, который действует точно так же, как и в каждом когда-либо построенном генераторе.

Что делает коллекторный двигатель постоянного тока таким удобным, так это его коллектор. Внутри якоря наведенное напряжение является переменным, поскольку каждая катушка проходит под северным полюсом, а затем под южным полюсом. Коммутатор переключает соединение с внешним миром точно в нужный момент, поэтому две клеммы сохраняют фиксированную полярность. Это механический выпрямитель, и именно поэтому коллекторный двигатель обеспечивает постоянный ток без единого электронного компонента.

Самое приятное то, что одно число выполняет две работы. Константа напряжения, которая показывает, насколько быстро двигатель вращается на вольт, также говорит вам, какое напряжение он производит за один оборот. Двигатель с номинальным напряжением 12 В и частотой вращения 6000 об/мин без нагрузки будет генерировать примерно 12 В, когда что-то другое раскрутит его до 6000 об/мин.

Матовый или бесщеточный: что выходит из проводов

Обе семьи могут генерировать, но они передают вам разное электричество, и эта разница определяет, сколько работы должна выполнить остальная часть вашей цепи.

Коллекторные двигатели постоянного тока выдают постоянный ток

Вращайте вал, и на клеммах появляется постоянный ток, а сверху от коммутации идет пульсация. Два провода, больше ничего не требуется, и мультиметр сразу показывает показания.

Бесщеточные двигатели постоянного тока обеспечивают трехфазный переменный ток.

В бесщеточном двигателе обмотки расположены в статоре, а магниты вращаются, поэтому вращение вала вызывает трехфазное напряжение на выводах статора, трапециевидное в типичном BLDC и синусоидальное в PMSM. Ничто не выпрямляет ее механически, поэтому вам понадобится трехфазный мост плюс сглаживающий конденсатор или контроллер, поддерживающий активное выпрямление, прежде чем эта энергия сможет зарядить батарею.

Превращение двигателя в генератор, шаг за шагом

Большинство людей начинают с любого двигателя, который уже есть на столе, и это совершенно хороший подход. Небольшие коллекторные двигатели, используемые в игрушках и портативных приборах, являются классическим выбором для первого эксперимента с ветряной турбиной или ручным заводным механизмом, поскольку они содержат постоянные магниты и выдают считываемое напряжение всего при нескольких сотнях об/мин.

Высокоскоростной коллекторный двигатель постоянного тока RS-977 для газонокосилок Коллекторный двигатель с постоянными магнитами, обеспечивающий высокую скорость и стабильную нагрузочную способность, что актуально при согласовании напряжения с частотой вращения в небольших сборках. Просмотреть продукт →

1. Начните с правильной машины. Он должен иметь постоянные магниты. Подпадает под это требование щеточный двигатель с постоянными магнитами от игрушки, вентилятора или принтера, а также бесщеточный двигатель. Индукционные и раневые машины работают по-разному.
2. Отключите электронику. Если двигатель поставляется с платой драйвера, регулятором скорости или аккумулятором, изолируйте его. Вам нужны необработанные клеммы двигателя.
3. Соедините вал с первичным двигателем. Подойдет ручная рукоятка, гребной винт, водяное колесо или турбина, если они устойчиво вращают вал.
4. Измерьте напряжение холостого хода. Установите мультиметр на напряжение постоянного тока для коллекторного двигателя и напряжение переменного тока для бесщеточного двигателя, затем вращайте вручную и наблюдайте, как показания соответствуют вашей скорости.
5. Обратите внимание на вольты на обороты. Вращайте с известной скоростью, записывайте напряжение, и у вас будет константа, необходимая для определения всего остального.
6. Исправьте при необходимости. Трехфазный мост и конденсатор для бесщеточного двигателя; конденсатора на клеммах обычно достаточно для щеточного, плюс блокировочный диод, если питаете аккумулятор.
7. Добавьте нагрузку и повторите измерение. Ожидайте падения напряжения, потому что ток, протекающий через сопротивление обмотки, всегда стоит вам вольт.
8. Следите за нагревом и искрением щеток. Если двигатель перегревается, вы потребляете больше тока, чем он может отдать.

Какое напряжение и мощность вы реально можете получить?

Напряжение масштабируется со скоростью почти линейно, что упрощает арифметику. Разделите номинальное напряжение на скорость холостого хода, и вы получите постоянную генератора. Для типичного микродвигателя эта константа колеблется где-то между одним и тремя вольтами на тысячу об/мин, поэтому ленивая ручная рукоятка выдает один или два вольта, в то время как турбина, вращающаяся со скоростью несколько тысяч об/мин, может достичь номинального напряжения двигателя.

Напряжение холостого хода — оптимистическое число. Как только ток течет, напряжение на клеммах падает на величину тока, умноженную на сопротивление обмотки. В небольшом двигателе сопротивление якоря может составлять несколько Ом, поэтому потребление одного усилителя может стоить вам несколько вольт. Измерьте еще раз с подключенной нагрузкой; это цифра, которую на самом деле видит ваша схема.

Мощность следует за крутящим моментом. Ток, вырабатываемый генератором, пропорционален крутящему моменту, приложенному к валу, поэтому слабый первичный двигатель на низкой скорости дает напряжение практически без тока. Грубо говоря, небольшой коллекторный двигатель, работающий на приличной части своей номинальной скорости, возвращает где-то от половины до трех четвертей вложенной вами механической мощности, а остальное берет на себя сопротивление обмотки, падение щеток, трение подшипников и потери в железе.

Выбор двигателя для генератора

Если вы выбираете двигатель специально для генерации, обратите внимание на номер на этикетке и вместо этого проверьте несколько характеристик.

• Постоянные магниты, без исключения. Ферритовые или редкоземельные магниты бесплатно создают поле возбуждения, что и делает возможной генерацию в такой маленькой машине.
• Низкое сопротивление обмотки, поэтому меньшая механическая нагрузка превращается в тепло в меди.
• Низкий ток холостого хода и плавное зацепление, поскольку гладкие якоря начинают вращаться с меньшими усилиями, когда вашим основным двигателем является легкий ветерок или ручная рукоятка.
• Скорость, подходящая для вашего вождения. Поскольку напряжение увеличивается с увеличением оборотов, более быстрому двигателю требуется меньше оборотов для достижения полезной мощности.
• Коробка передач, используется бережно. При нормальной работе мотор-редуктор меняет скорость на крутящий момент; в генерации вы можете запустить все наоборот, позволяя медленному водяному колесу вращать вал двигателя намного быстрее, пока вы принимаете дополнительное трение и потери.

Двигатели, которые легко вращаются и потребляют небольшой ток без нагрузки, как правило, являются самыми дружелюбными генераторами, и это одна из причин, по которой мы держим в каталоге энергосберегающие коллекторные конструкции. Они ведут себя предсказуемо, когда энергия течет в другую сторону, а их меньшие потери оставляют большую часть вашего усилия в цепи, а не в обмотках.

RS-540 Щеточный двигатель постоянного тока с длительным сроком службы для пылесосов Надежный коллекторный двигатель с постоянными магнитами с предсказуемым поведением при низкой нагрузке, полезный там, где важен длительный срок службы и двунаправленный поток энергии. Просмотреть продукт →

Ошибки, которые застают людей врасплох

• Ожидаем, что любой мотор будет работать. Асинхронный двигатель с экранированным полюсом или трехфазный двигатель не будет производить полезную мощность без внешнего возбуждения.
• Вращение слишком медленно. Напряжение пропорционально скорости, поэтому неторопливое вращение практически ничего не дает.
• Забыл починить бесщеточный мотор. Трехфазный переменный ток, подаваемый на клеммы аккумулятора, — хороший способ что-то повредить.
• Оставив оригинальный контроллер подключенным. Обратная подача драйвера через собственный выходной каскад редко заканчивается хорошо.
• Игнорирование износа щеток. Щетки являются расходными материалами, и непрерывная работа генератора для них тяжелее, чем периодическое использование двигателя.
• Перегрузка первичного двигателя. Ток пропорционален крутящему моменту, поэтому сильно нагруженный генератор может остановить приводящую его турбину.
• Доверие к напряжению холостого хода. Это не рабочее напряжение; прежде чем приступать к расчету, измерьте нагрузку под нагрузкой.

Где двигатель как генератор уже встречается в реальных продуктах

Рекуперативное торможение представляет собой двигатель-генератор в серийном исполнении. Когда электромобиль замедляется, когда аккумуляторная дрель отпускает курок и когда рука робота замедляется, контроллер позволяет машине действовать как тормоз и возвращает восстановленную энергию обратно в аккумулятор. В робототехнике это обычное дело, и те же суставы, которые приводят в движение промышленные роботы мы поставляем двигатели, которые часть каждого цикла тратят на выработку, а не на потребление.

Для подобных применений необходимы двигатели, которые выдерживают тысячи изменений направления без резких изменений, а именно для этого созданы плавно работающие щеточные конструкции в нашей линейке роботов.

Коллекторный двигатель постоянного тока RS-785SL для очистителей швов Малошумный коллекторный двигатель с постоянными магнитами, рассчитанный на многократное изменение направления, подходящий для экспериментов с инструментами и небольшими генераторами, требующими надежной мощности. Просмотреть продукт →

В меньших масштабах генерация проявляется в ручных фонариках и радиоприемниках, заводных фонарях, небольших ветряных турбинах, микрогидроустановках, велотренажерах, а также в сборе энергии от дверей, турникетов и торговых механизмов. Ни для одного из них не требуется специальный генератор. Им нужен двигатель с постоянными магнитами, разумное передаточное число или согласование скорости, а также выпрямитель, выходной сигнал которого должен быть постоянным.

Последнее слово, прежде чем вы раскрутите этот вал

Мы производим микродвигатели постоянного тока с 1988 года, а это означает, что мы наблюдали, как очень многие из них оказывались на генерирующей стороне цепи, иногда намеренно, а иногда случайно. Если вы работаете над продуктом, в котором один двигатель должен приводить в движение и генерировать энергию, сообщите нам напряжение, скорость, крутящий момент и рабочий цикл, которые вы имеете в виду, и мы поможем вам сузить варианты, будь то стандартная коллекторная модель, бесщеточная конструкция или редуктор.

Если вы хотите сначала увидеть, как эти двигатели ведут себя в реальном оборудовании, наш обзор Наиболее распространенные применения щеточных двигателей постоянного тока это хорошее место для начала.