یک موتور 12 ولت DC چقدر برق می تواند تولید کند؟ (1 وات تا 150 وات)

یک موتور 12 ولت DC چقدر توان تولید می کند

A موتور 12 ولت DC به عنوان یک ژنراتور به طور معمول بین تولید می شود 1 وات و 150 وات توان الکتریکی، بسته به اندازه فیزیکی، طراحی سیم پیچ و سرعت چرخش آن. یک موتور کوچک سرگرمی (مانند یک واحد سایز 130 یا 385) تنها 1-15 وات حتی در دورهای بالا تولید می کند، در حالی که یک موتور دنده ای بزرگتر مانند برف پاک کن ماشین یا موتور پنجره می تواند به دلیل سیم پیچی با گشتاور بیشتر، 20 تا 50 وات در RPM کمتر تولید کند.

رتبه بندی "12 ولت" موتور، ولتاژ عملیاتی طراحی شده آن را در هنگام استفاده به عنوان موتور، نه ظرفیت تولید ثابت، توصیف می کند. هنگام چرخش معکوس به عنوان یک ژنراتور، ولتاژ و توان واقعی تولید شده کاملاً به سرعت دورانی نسبت به RPM نامی آن و به مقاومت هر باری که به آن متصل است بستگی دارد.

فیزیک پشت موتور DC تولید کننده الکتریسیته

هر موتور DC می تواند به عنوان یک ژنراتور عمل کند زیرا همان آرایش آهنربایی و سیم پیچی که هنگام عبور جریان به داخل چرخش ایجاد می کند، هنگام چرخش شفت به بیرون نیز ولتاژ تولید می کند. این یک کاربرد مستقیم از قانون القای الکترومغناطیسی فارادی است.

Back-EMF و ولتاژ ثابت

هر موتور DC دارای یک ثابت ولتاژ (Ke) است که بر حسب ولت در RPM اندازه گیری می شود، که نشان می دهد چه مقدار ولتاژ در واحد سرعت چرخش تولید می کند. یک موتور دارای ولتاژ 12 ولت با سرعت بدون بار 3000 RPM دارای Ke تقریباً می باشد. 0.004 V/RPM (12 ÷ 3000)، به این معنی که چرخش آن دقیقاً با سرعت 3000 دور در دقیقه از خارج، مدار باز نزدیک به 12 ولت ایجاد می کند.

جریان به بار متصل بستگی دارد

ولتاژ به تنهایی توان خروجی را تعیین نمی کند. مسائل جاری به همان اندازه جریانی که جریان می‌یابد توسط ولتاژ تولید شده تقسیم بر مقاومت کل در مدار، شامل مقاومت سیم‌پیچ داخلی موتور و هر بار خارجی (باتری، مقاومت، لامپ) متصل می‌شود.

عوامل کلیدی که خروجی تولید شده را تعیین می کنند

چهار متغیر با هم تعیین می کنند که یک موتور 12 ولت DC معین در یک راه اندازی واقعی چقدر برق تولید می کند.

• سرعت چرخش (RPM) - ولتاژ تولید شده تقریباً به صورت خطی با RPM مقیاس می شود، بنابراین دو برابر شدن سرعت شفت تقریباً ولتاژ مدار باز را دو برابر می کند.
• مقاومت سیم‌پیچ - موتورهایی با سیم‌پیچ‌های مسی ضخیم‌تر (معمول در موتورهای بزرگ‌تر و دنده‌ای) ولتاژ داخلی کمتری را از دست می‌دهند و توان قابل استفاده بیشتری را به بار می‌رسانند.
• قدرت آهنربا - آهنرباهای دائمی قوی تر ولتاژ بیشتری را در هر دور در دقیقه القا می کنند، به همین دلیل است که موتورهای DC بدون جاروبک و گشتاور بالا معمولاً از موتورهای سرگرمی ارزان قیمت با همان ولتاژ بهتر عمل می کنند.
• مقاومت در برابر بار - باری که از نظر مقاومت بسیار کم است، جریان بیش از حد را می کشد و سیم پیچ ها را بیش از حد گرم می کند، در حالی که بار بسیار زیاد جریان را محدود می کند و خروجی بالقوه را تلف می کند.

ولتاژ و توان تولید شده توسط اندازه موتور

جدول زیر خروجی واقعی تقریبی را برای اندازه‌های رایج موتورهای DC با رتبه ۱۲ ولت در هنگام چرخش خارجی به عنوان یک ژنراتور نزدیک به سرعت نامی آنها نشان می‌دهد.

موتورهای گیربکس تمایل دارند علیرغم چرخش بسیار کندتر از موتورهای سرگرمی بدون دنده کوچک بهتر عمل کنند، زیرا گیربکس داخلی آنها به سیم پیچ های موتور اجازه می دهد تا با نسبت گشتاور به جریان کارآمدتری کار کنند نه اینکه صرفاً به RPM خام تکیه کنند.

نحوه محاسبه خروجی مورد انتظار از یک موتور خاص

برای تخمین دقیق‌تر از جدول کلی بالا، سه عدد از برگه اطلاعات موتور، امکان محاسبه‌ی نسبتاً دقیق را فراهم می‌کند.

1. ولتاژ نامی و RPM بدون بار را روی برچسب یا برگه موتور پیدا کنید (مثلاً 12 ولت در 4000 RPM)
2. ثابت ولتاژ را محاسبه کنید: Ke = ولتاژ نامی ÷ RPM بدون بار (12 ÷ 4000 = 0.003 V/RPM)
3. برای تخمین ولتاژ مدار باز، Ke را در سرعت رانندگی واقعی خود ضرب کنید (چرخش در 2000 RPM تقریباً 6 ولت می دهد)
4. آن ولتاژ را بر مقاومت کل مدار (مقاومت سیم پیچ موتور به اضافه مقاومت بار) تقسیم کنید تا جریان را تخمین بزنید، سپس ولتاژ را در جریان برای توان ضرب کنید.

به عنوان مثال، یک موتور با مقاومت داخلی 2 اهم که مدار باز 6 ولت تولید می کند و به یک بار 4 اهم متصل است، تقریباً می کشد. 1A (6 ولت ÷ 6 اهم در مجموع)، حدود 4 وات را به بار تحویل می دهد در حالی که 2 وات باقی مانده به عنوان گرما در داخل سیم پیچ ها از دست می رود.

چرا خروجی ژنراتور کمتر از توان موتور نامی است؟

رتبه‌بندی وات چاپی یک موتور نشان می‌دهد که چه مقدار توان مکانیکی می‌تواند از ورودی الکتریکی در هنگام استفاده به عنوان موتور تبدیل شود، نه اینکه چه مقدار الکتریسیته در هنگام برگشت به ژنراتور تولید می‌کند. چندین تلفات تولید واقعی را کمتر از این رقم رتبه بندی شده کاهش می دهد.

تلفات مقاومت داخلی

سیم‌پیچ‌های مسی هر موتور دارای مقاومتی هستند که مقداری از توان تولیدی را به‌جای رساندن آن به بار به عنوان گرما تلف می‌کند. 10-25٪ کل توان تولیدی در موتورهای DC کوچک

تلفات اصطکاک و برس

موتورهای DC برس دار قدرت اضافی را برای اصطکاک تماسی برس و کشش یاتاقان از دست می دهند، به همین دلیل است که موتورهای DC بدون جاروبک معمولاً 5-10٪ توان قابل استفاده بیشتری نسبت به موتورهای برس خورده با اندازه و رتبه مشابه تولید می کنند.

محدوده کارایی کلی

اکثر موتورهای سایز کوچک تا متوسط 12 ولت DC در آن کار می کنند بازده 60-80 درصد هنگامی که به عنوان ژنراتور استفاده می شود، به این معنی که موتوری با توان موتور 20 وات ممکن است به طور واقعی 12 تا 16 وات برق تولید شده قابل استفاده را در شرایط رانندگی ایده آل ارائه دهد.

کاربردهای عملی موتور 12 ولت DC به عنوان ژنراتور

استفاده از یک موتور 12 ولت DC معکوس به عنوان ژنراتور در چندین راه اندازی تولید برق در مقیاس کوچک و DIY رایج است.

• توربین های بادی کوچک - موتورهای DC دنده دار یا با گشتاور بالا توسط یک ملخ بادی چرخانده می شوند تا باتری های 12 ولتی را در تنظیمات خارج از شبکه شارژ کنند.
• ژنراتورهای میل لنگ دستی یا پدالی – موتورهای دنده ای سایز متوسط متصل به میل لنگ یا چرخ دوچرخه می توانند 10 تا 30 وات برای شارژ تلفن ها یا چراغ های کوچک تولید کنند.
• راه‌اندازی‌های میکرو-هیدرو - یک چرخ آب یا توربین کوچک یک موتور DC را می‌چرخاند تا بانک باتری را از یک جریان شارژ کند.
• پروژه های آموزشی و STEM – موتورهای سرگرمی کوچک اصول القای الکترومغناطیسی را با روشن کردن یک LED در هنگام چرخش با دست نشان می دهند.

نکاتی برای به حداکثر رساندن خروجی هنگام استفاده از موتور DC به عنوان ژنراتور

چند تنظیم عملی به طور معنی داری میزان برق قابل استفاده یک موتور 12 ولت DC را در تنظیم ژنراتور بهبود می بخشد.

• هنگامی که سرعت رانندگی به طور طبیعی پایین است، مانند با میل لنگ دستی یا تیغه های باد کوچک، یک موتور دنده ای یا با گشتاور بالا را به جای یک موتور سرگرمی با RPM بالا انتخاب کنید.
• مقاومت بار را با مقاومت سیم پیچ داخلی موتور مطابقت دهید، زیرا این ترکیب معمولاً بالاترین انتقال توان قابل استفاده را به بار ارائه می دهد.
• از راندن موتور بسیار بالاتر از RPM نامی خود اجتناب کنید، زیرا ولتاژ تولید شده می تواند از 12 ولت بیشتر شود و به الکترونیک متصل آسیب برساند یا سیم پیچ ها را بیش از حد گرم کند.
• اگر باتری‌ها را شارژ می‌کنید، یکسوساز پل و تنظیم‌کننده ولتاژ اضافه کنید، زیرا خروجی ژنراتور خام با سرعت نوسان می‌کند و برای شارژ ایمن و پایدار نیاز به تهویه دارد.
• سیم کشی را کوتاه نگه دارید و از سیم گیج با ضخامت کافی استفاده کنید، زیرا سیم کشی نازک یا بلند مقاومتی را افزایش می دهد که مستقیماً توان تحویلی را کاهش می دهد.

با این تنظیمات، حتی یک موتور گیربکس 12 ولتی ارزان قیمت DC می تواند به طور قابل اعتماد ارائه دهد 15-25 وات توان شارژ قابل استفاده در یک مجموعه ژنراتور کوچک DIY، که برای حفظ شارژ در بانک باتری 12 ولتی که روشنایی LED اولیه یا وسایل الکترونیکی کوچک را تامین می کند، کافی است.