Hvor meget elektricitet kan en 12V DC-motor generere? (1W til 150W)

Hvor meget strøm kan en 12V DC-motor generere

A 12V DC motor bruges som en generator typisk producerer mellem 1W og 150W af elektrisk strøm, afhængigt af dens fysiske størrelse, viklingsdesign og hvor hurtigt den drejes. En lille motor i hobbystørrelse (som en enhed i størrelsen 130 eller 385) genererer kun 1-15W selv ved høje omdrejninger, mens en større gearmotor såsom en bilvisker eller vinduesmotor kan generere 20-50W ved meget lavere omdrejninger på grund af dens højere momentviklinger.

Motorens "12V"-klassificering beskriver dens konstruerede driftsspænding, når den bruges som en motor, ikke en fast generatorkapacitet. Når den drejes omvendt som en generator, afhænger den faktiske spænding og effekt, den producerer, helt af omdrejningshastigheden i forhold til dens nominelle omdrejningstal og af modstanden af ​​den belastning, der er forbundet til den.

Fysikken bag en jævnstrømsmotor, der genererer elektricitet

Enhver DC-motor kan fungere som en generator, fordi det samme magnet-og-spole-arrangement, der producerer rotation, når strømmen strømmer ind, også producerer spænding, når akslen drejes eksternt. Dette er en direkte anvendelse af Faradays lov om elektromagnetisk induktion.

Back-EMF og spændingskonstant

Hver DC-motor har en spændingskonstant (Ke), målt i volt pr. RPM, som beskriver, hvor meget spænding den genererer pr. rotationsenhed. En motor, der er normeret til 12V ved en tomgangshastighed på 3.000 RPM, har en Ke på ca. 0,004 V/RPM (12 ÷ 3.000), hvilket betyder, at centrifugering med nøjagtig 3.000 RPM eksternt ville generere tæt på 12V åbent kredsløb.

Strøm afhænger af den tilsluttede belastning

Spænding alene bestemmer ikke udgangseffekten; aktuelle sager ligeså. Strømmen, der flyder, indstilles af den genererede spænding divideret med den samlede modstand i kredsløbet, inklusive både motorens interne viklingsmodstand og den eksterne belastning (batteri, modstand, pære) der er tilsluttet.

Nøglefaktorer, der bestemmer genereret output

Fire variabler tilsammen bestemmer, hvor meget elektricitet en given 12V DC-motor faktisk vil generere i et rigtigt setup.

• Rotationshastighed (RPM) – genereret spænding skalerer næsten lineært med RPM, så en fordobling af akselhastigheden fordobler groft tomgangsspændingen
• Viklingsmodstand – motorer med tykkere kobberviklinger (almindelig i større gearmotorer) mister mindre spænding internt og leverer mere brugbar effekt til belastningen
• Magnetstyrke – stærkere permanente magneter inducerer mere spænding pr. RPM, hvorfor børsteløse DC-motorer og DC-motorer med højt drejningsmoment generelt udkonkurrerer billige hobbymotorer med samme spændingsværdi
• Belastningsmodstand – en belastning med for lav modstand trækker for stor strøm og overophedes viklingerne, mens en belastning, der er for høj, begrænser strømmen og spilder potentiel output

Genereret spænding og effekt efter motorstørrelse

Tabellen nedenfor giver et omtrentligt realistisk output for almindelige 12V-klassificerede DC-motorstørrelser, når de drejes eksternt som en generator nær deres nominelle hastighed.

Gearmotorer har en tendens til at udkonkurrere små, ikke-gearede hobbymotorer på trods af, at de roterer meget langsommere, fordi deres interne gearkasse lader motorviklingerne arbejde med et mere effektivt drejningsmoment-til-strøm-forhold i stedet for udelukkende at stole på rå omdrejningstal.

Sådan beregnes forventet output fra en bestemt motor

For et mere præcist estimat end den generelle tabel ovenfor, tillader tre tal fra motorens datablad en rimelig nøjagtig beregning.

1. Find den nominelle spænding og ubelastede RPM på motorens etiket eller datablad (for eksempel 12V ved 4.000 RPM)
2. Beregn spændingskonstanten: Ke = nominel spænding ÷ ubelastet RPM (12 ÷ 4.000 = 0,003 V/RPM)
3. Multiplicer Ke med din faktiske kørehastighed for at estimere åben kredsløbsspænding (spinning ved 2.000 RPM giver ca. 6V)
4. Divider den spænding med den samlede kredsløbsmodstand (motorviklingsmodstand plus belastningsmodstand) for at estimere strøm, og gang derefter spænding med strøm for strøm

Som et eksempel vil en motor med en 2-ohm intern modstand, der genererer 6V åbent kredsløb, forbundet til en 4-ohm belastning, trække ca. 1A (6V ÷ 6 ohm i alt), leverer omkring 4W til belastningen, mens de resterende 2W går tabt som varme inde i viklingerne.

Hvorfor generatoroutput er lavere end nominel motoreffekt

En motors trykte wattværdi beskriver, hvor meget mekanisk effekt den kan konvertere fra elektrisk input, når den bruges som motor, ikke hvor meget elektricitet den vil producere, når den vendes om i en generator. Adskillige tab reducerer den reelle produktion under dette nominelle tal.

Interne modstandstab

Hver motors kobberviklinger har modstand, der spreder noget genereret strøm som varme i stedet for at levere det til belastningen, hvilket typisk tegner sig for 10-25 % af den samlede genererede effekt i små jævnstrømsmotorer.

Friktion og børstetab

Børstede jævnstrømsmotorer mister yderligere strøm til at børste kontaktfriktion og lejemodstand, hvilket er grunden til, at børsteløse jævnstrømsmotorer generelt genererer 5-10 % mere brugbar effekt end børstede motorer af tilsvarende størrelse og kapacitet.

Samlet effektivitetsområde

De fleste små til mellemstore 12V DC-motorer fungerer ved 60-80 % effektivitet når den bruges som generatorer, hvilket betyder, at en motor, der er normeret til 20W motoreffekt, realistisk kan levere 12-16W brugbar genereret elektricitet under ideelle kørselsforhold.

Praktiske anvendelser af en 12V DC-motor som generator

Brug af en 12V DC-motor i omvendt rækkefølge som generator er almindeligt i flere småskala- og gør-det-selv-strømproduktionsopsætninger.

• Små vindmøller - DC-motorer med gear eller højt drejningsmoment drejes af en vinddrevet propel for at oplade 12V-batterier i opsætninger uden for nettet
• Håndsving- eller pedalgeneratorer - mellemstore gearmotorer forbundet til et håndsving eller cykelhjul kan generere 10-30W til opladning af telefoner eller små lys
• Mikro-hydro opsætninger – et vandhjul eller en lille turbine drejer en jævnstrømsmotor for at vedligeholde en batteribank fra en strøm
• Uddannelses- og STEM-projekter – små hobbymotorer demonstrerer elektromagnetiske induktionsprincipper ved at tænde en LED, når de drejes i hånden

Tips til at maksimere output, når du bruger en jævnstrømsmotor som en generator

Et par praktiske justeringer forbedrer meningsfuldt, hvor meget brugbar elektricitet en 12V DC-motor leverer i en generatoropsætning.

• Vælg en gearmotor eller motor med højt drejningsmoment frem for en hobbymotor med højt omdrejningstal, når kørehastigheden er naturligt lav, såsom med håndsving eller små vindblade
• Match belastningsmodstand tæt på motorens indre viklingsmodstand, da denne kombination typisk leverer den højeste brugbare kraftoverførsel til belastningen
• Undgå at køre motoren langt over dens nominelle RPM, da den genererede spænding kan overstige 12V og beskadige tilsluttet elektronik eller overophede viklingerne
• Tilføj en broensretter og spændingsregulator, hvis du oplader batterier, da rå generatoroutput svinger med hastigheden og har brug for konditionering for sikker, stabil opladning
• Hold ledningerne korte, og brug tilstrækkeligt tykke ledninger, da tynde eller lange ledninger tilføjer modstand, der direkte reducerer den leverede strøm

Med disse justeringer kan selv en billig 12V gearet DC-motor levere pålideligt 15-25W af brugbar opladningseffekt i et lille gør-det-selv-generatoropsætning, som er nok til at opretholde opladningen på en 12V batteribank, der driver grundlæggende LED-belysning eller lille elektronik.