Ho un motore FA-130 (DC) con magnete permanente, la mia fonte di alimentazione è un 2 batterie AA (ricaricabili), quindi un totale di 2.4v.

Supponiamo che tutti i casi inizieranno dalla stessa specifica, teoricamente, cosa succederebbe se io facessi quanto segue?

Caso 1 : aumentare / ridurre la forza dei magneti permanenti. Cosa accadrebbe alla coppia e agli RPM? Perché?

Caso 2 : aumentare / ridurre le dimensioni dei fili del magnete. Cosa accadrebbe alla coppia, al consumo di energia e agli RPM? Perché?

Caso 3 : aumentare / ridurre la dimensione dell'armatura. Cosa accadrebbe alla coppia, al consumo di energia e agli RPM? Perché?

Caso 4 : aumentare / ridurre il numero di giri (bobina). Cosa accadrebbe alla coppia, al consumo di energia e agli RPM? Perché?

In generale, come posso aumentare la coppia e gli RPM di questo motore a una tensione costante?

Per favore, spiegalo come se stessi parlando con un bambino di 6 anni, non sono ben informato in questo campo ma voglio conoscere il concetto.

Presumo che questo bambino di 6 anni abbia almeno un piccolo background in fisica. Inizierò rispondendo al motivo per cui ogni risultato si verificherà con molta matematica per descrivere la fisica dietro tutto. Quindi risponderò a ciascun caso individualmente con la matematica fornendo il ragionamento alla base di ogni risultato. Concluderò rispondendo alla tua domanda "in generale".

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Perché?

La risposta a tutti i tuoi "Perché?" le domande sono: fisica! In particolare la legge di Lorentz e la legge di Faraday . Da qui :

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La coppia del motore è determinata dall'equazione:

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

Dove:

K t = coppia costante I = $\tau = \text{torque}$
$K_t = \text{torque constant}$
$I = \text{motor current}$

La costante di coppia, , è uno dei principali parametri del motore che descrivono il motore specifico in base ai vari parametri del suo design come la forza magnetica, il numero di giri del filo, la lunghezza dell'armatura, ecc., Come hai menzionato. Il suo valore è espresso in coppia per amplificatore ed è calcolato come:$K_t$

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

Dove:

N = numero di anelli del filo nel campo magnetico l = lunghezza del campo magnetico che agisce sul filo r = $B = \text{strength of magnetic field in Teslas}$
$N = \text{number of loops of wire in the magnetic field}$
$l = \text{length of magnetic field acting on wire}$
$r = \text{radius of motor armature}$

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La tensione Back-EMF è determinata da:

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

Dove:

K e = costante di tensione ω = $V = \text{Back-EMF voltage}$
$K_e = \text{voltage constant}$
$\omega = \text{angular velocity}$

La velocità angolare è la velocità del motore in radianti al secondo (rad / sec) che può essere convertita da RPM:

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

è il secondo parametro del motore principale. Stranamente, K e viene calcolato usando la stessa formula di K t ma viene dato in unità diverse:$K_e$$K_e$$K_t$

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

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Perché ? A causa della legge fisica di conservazione dell'energia . Il che afferma sostanzialmente che l'energia elettrica immessa nel motore deve essere uguale alla potenza meccanica emessa dal motore. Supponendo il 100% di efficienza:$K_e = K_t$

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

Sostituendo le equazioni dall'alto otteniamo:

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

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casi

Presumo che ogni parametro venga modificato in modo isolato.

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Caso 1: l' intensità del campo magnetico è direttamente proporzionale alla costante di coppia, . Pertanto, all'aumentare o alla diminuzione dell'intensità del campo magnetico, la coppia, τ , aumenterà o diminuirà proporzionalmente. Il che ha senso perché più forte è il campo magnetico, più forte è la "spinta" sull'armatura.$K_t$$\tau$

$K_e$$K_e$

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

Pertanto, all'aumentare del campo magnetico, la velocità diminuirà. Questo ha di nuovo senso perché più forte è il campo magnetico, più forte è la "spinta" sull'armatura in modo da resistere a un cambiamento di velocità.

Poiché la potenza in uscita è uguale alla coppia angolare per la velocità angolare e la potenza in entrata è uguale alla potenza in uscita (di nuovo, ipotizzando un'efficienza del 100%), otteniamo:

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

Pertanto, qualsiasi modifica alla coppia o alla velocità sarà direttamente proporzionale alla potenza richiesta per guidare il motore.

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Caso 2: (Un po 'più di matematica qui che non ho esplicitamente ripassato sopra) Tornando alla legge di Lorentz vediamo che:

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

Perciò:

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

Grazie a Newton abbiamo:

$$F = m \cdot g$$

Così...

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

Se si mantiene la lunghezza del filo uguale ma si aumenta la sua sagoma, la massa aumenterà. Come si può vedere sopra, la massa è direttamente proporzionale alla coppia proprio come l'intensità del campo magnetico, quindi si applica lo stesso risultato.

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$r$

Iniziando a vedere uno schema qui?

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$N$

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In generale

Se ormai non è ovvio, coppia e velocità sono inversamente proporzionali :

È necessario un compromesso in termini di potenza assorbita dal motore (tensione e corrente) e potenza erogata dal motore (coppia e velocità):

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

Se si desidera mantenere costante la tensione, è possibile solo aumentare la corrente. L'aumento della corrente aumenterà solo la coppia (e la potenza totale fornita al sistema):

$$\tau = K_t \cdot I$$

Per aumentare la velocità, è necessario aumentare la tensione:

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

Se si desidera mantenere costante la potenza in ingresso, è necessario modificare uno dei parametri fisici del motore per modificare le costanti del motore.

$P$$I$$E$

$P = IE$

La potenza è misurata in watt ed è il tasso di consumo di energia. L'energia è misurata in joule e un watt è definito in modo conveniente come un joule al secondo.

L'applicazione di un motore, di solito, è di applicare a $F$$d$

$W = Fd$

Hai chiesto informazioni su come aumentare la coppia e il numero di giri . La coppia è solo una forza rotante e RPM è solo una velocità rotante. Quindi la definizione di lavoro è la metà di ciò che hai chiesto (ha una coppia al suo interno), e la velocità e la distanza sono ovviamente correlate. Sembra che siamo molto vicini. Non vuoi semplicemente fare più lavoro con il tuo motore, vuoi farlo più velocemente . Volete aumentare forza e velocità, non forza e distanza. Esiste un termine fisico per questo in un sistema meccanico?

Sì! Si chiama anche potere . In un sistema meccanico, la potenza è il prodotto della forza e della velocità:

$P = Fv$

O per usare i termini equivalenti per un sistema di rotazione, la potenza è il prodotto della coppia e della velocità angolare :

$P = \tau \omega$

Questo è proprio quello che hai chiesto. Volete che il motore applichi più coppia e giri più velocemente. Vuoi aumentare il potere. Vuoi usare l'energia più velocemente.

La legge di conservazione dell'energia ci dice che se vogliamo aumentare la potenza meccanica, dobbiamo anche aumentare la potenza elettrica. Dopotutto, non possiamo far girare il motore con la magia. Se l'energia elettrica è il prodotto di tensione e corrente, aumentando la tensione o la corrente, se l'altra viene mantenuta costante, aumenterà l'energia elettrica.

Quando cambi la forza dei magneti o aggiungi o rimuovi i giri del filo, non puoi aumentare la potenza. tu possibile , tuttavia, la tensione commercio per corrente, o attuale di tensione, proprio come una trasmissione meccanica è possibile operare giri e coppia. La legge di Lenz e altre leggi sull'induzione elettromagnetica spiegano perché questo è vero, ma non sono realmente necessari per rispondere alla tua domanda, se accetti semplicemente la legge di conservazione dell'energia.

Detto questo, la tua domanda era "Come migliorare la coppia e il numero di giri di un motore CC". Puoi migliorarlo dandogli più energia o puoi renderlo più efficiente. Alcune fonti di perdita sono:

• attrito nei cuscinetti
• resistenza negli avvolgimenti
• resistenza magnetica nei nuclei degli avvolgimenti
• radiazione elettromagnetica da commutatori
• perdite nei cavi, batteria, transistor e altre cose che forniscono energia elettrica al motore

Tutto ciò serve a rendere il motore meno di un convertitore efficiente al 100% di energia elettrica e meccanica. Riducendone uno di solito aumenta qualcos'altro indesiderabile, spesso costi o dimensioni.

Un pensiero interessante: ecco perché le auto ibride elettriche possono ottenere un chilometraggio migliore in città. Fermarsi a una luce rossa converte tutta l'energia della tua auto in movimento in calore sulle pastiglie dei freni, il che non è utile. Poiché un motore è un convertitore tra energia elettrica e meccanica, un'auto ibrida può convertire questa energia non in calore, ma invece in energia elettrica, immagazzinarla in una batteria, quindi riconvertirla in energia meccanica quando la luce è verde. Per ulteriori letture, prova Come posso implementare la frenata rigenerativa di un motore DC?

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

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

Se si aumenta il calibro del filo, si aumenta la corrente (I) e quindi la coppia. Se si riduce anche il numero di giri, si diminuirà la coppia. Se la coppia totale aumenta o diminuisce, dipende da quale effetto è maggiore.