Kolik elektřiny může vyrobit 12V DC motor? (1W až 150W)

Kolik energie dokáže vygenerovat 12V DC motor

A 12V DC motor používané jako generátor obvykle vyrábí mezi 1W a 150W elektrické energie v závislosti na jeho fyzické velikosti, konstrukci vinutí a rychlosti otáčení. Malý motor hobby velikosti (jako jednotka o velikosti 130 nebo 385) generuje pouze 1-15 W i při vysokých otáčkách, zatímco motor s větší převodovkou, jako je motor stěračů nebo oken, může generovat 20-50 W při mnohem nižších otáčkách kvůli vinutí s vyšším točivým momentem.

Jmenovitý výkon motoru "12V" popisuje jeho navržené provozní napětí při použití jako motor, nikoli pevnou generující kapacitu. Když se točí obráceně jako generátor, skutečné napětí a výkon, který produkuje, zcela závisí na rychlosti otáčení vzhledem k jeho jmenovitým otáčkám za minutu a na odporu jakékoli zátěže, která je k němu připojena.

Fyzika stojící za stejnosměrným motorem vyrábějícím elektřinu

Jakýkoli stejnosměrný motor může fungovat jako generátor, protože stejné uspořádání magnetu a cívky, které vytváří rotaci, když proud protéká dovnitř, také vytváří napětí, když je hřídel otočena externě. Jedná se o přímou aplikaci Faradayova zákona elektromagnetické indukce.

Zpětné EMF a napěťová konstanta

Každý stejnosměrný motor má napěťovou konstantu (Ke), měřenou ve voltech na otáčky za minutu, která popisuje, jaké napětí generuje na jednotku rychlosti otáčení. Motor dimenzovaný na 12 V při otáčkách naprázdno 3 000 ot./min má Ke přibližně 0,004 V/ot./min (12 ÷ 3 000), což znamená, že externím otáčením přesně 3 000 ot./min. by vznikl téměř 12V otevřený obvod.

Proud závisí na připojené zátěži

Samotné napětí neurčuje výstupní výkon; aktuální záležitosti stejně. Proud, který protéká, je dán generovaným napětím děleným celkovým odporem v obvodu, včetně vnitřního odporu vinutí motoru a jakékoli připojené externí zátěže (baterie, rezistor, žárovka).

Klíčové faktory, které určují generovaný výstup

Čtyři proměnné společně určují, kolik elektřiny daný 12V DC motor ve skutečném nastavení skutečně vyrobí.

• Rychlost otáčení (RPM) – generované napětí se mění téměř lineárně s otáčkami, takže zdvojnásobení otáček hřídele zhruba zdvojnásobí napětí naprázdno
• Odpor vinutí – motory se silnějším měděným vinutím (běžné u větších motorů s převodovkou) ztrácejí uvnitř méně napětí a dodávají zátěži více využitelného výkonu
• Síla magnetu – silnější permanentní magnety indukují více napětí na otáčky, což je důvod, proč bezkomutátorové stejnosměrné motory a stejnosměrné motory s vysokým točivým momentem obecně překonávají levné hobby motory se stejným jmenovitým napětím
• Odpor zátěže – zátěž, která má příliš nízký odpor, odebírá nadměrný proud a přehřívá vinutí, zatímco zátěž, která je příliš vysoká, omezuje proud a plýtvá potenciálním výstupem

Generované napětí a výkon podle velikosti motoru

Níže uvedená tabulka uvádí přibližný reálný výkon pro běžné velikosti 12V stejnosměrných motorů, když jsou roztočeny externě jako generátor blízko jejich jmenovitých otáček.

Převodové motory mají tendenci překonávat malé nezařazené hobby motory, přestože se točí mnohem pomaleji, protože jejich vnitřní převodovka umožňuje vinutí motoru pracovat s účinnějším poměrem točivého momentu k proudu, než aby se spoléhalo čistě na hrubé otáčky.

Jak vypočítat očekávaný výkon konkrétního motoru

Pro přesnější odhad než v obecné tabulce výše umožňují tři čísla z datového listu motoru přiměřeně přesný výpočet.

1. Najděte jmenovité napětí a otáčky naprázdno na štítku motoru nebo datovém listu (například 12 V při 4 000 otáčkách za minutu)
2. Vypočítejte napěťovou konstantu: Ke = jmenovité napětí ÷ otáčky naprázdno (12 ÷ 4 000 = 0,003 V/ot./min.)
3. Vynásobte Ke svou skutečnou rychlostí jízdy, abyste odhadli napětí naprázdno (rotace při 2 000 ot./min. dává zhruba 6 V)
4. Vydělte toto napětí celkovým odporem obvodu (odpor vinutí motoru plus odpor zátěže), abyste odhadli proud, a poté vynásobte napětí proudem pro výkon

Jako příklad, motor s 2ohmovým vnitřním odporem generujícím 6V otevřený obvod, připojený k 4ohmové zátěži, by čerpal zhruba 1A (celkem 6V ÷ 6 ohmů), dodává asi 4W do zátěže, zatímco zbývající 2W se ztrácí jako teplo uvnitř vinutí.

Proč je výkon generátoru nižší než jmenovitý výkon motoru

Vytištěný příkon motoru popisuje, kolik mechanické energie dokáže převést z elektrického vstupu, když je použit jako motor, ne kolik elektřiny vyrobí, když se převede na generátor. Několik ztrát snižuje skutečný výrobní výkon pod tuto jmenovitou hodnotu.

Ztráty vnitřního odporu

Měděné vinutí každého motoru má odpor, který část generované energie rozptyluje ve formě tepla, spíše než aby ji dodával zátěži, což obvykle odpovídá 10–25 % celkového vyrobeného výkonu v malých stejnosměrných motorech.

Ztráty třením a kartáčem

Kartáčované stejnosměrné motory ztrácejí dodatečný výkon kvůli tření kartáčového kontaktu a odporu ložisek, což je důvod, proč bezkomutátorové stejnosměrné motory obecně generují o 5–10 % více využitelného výkonu než kartáčové motory podobné velikosti a výkonu.

Celkový rozsah účinnosti

Většina malých až středně velkých 12V DC motorů pracuje při 60-80% účinnost při použití jako generátory, což znamená, že motor s výkonem 20 W může reálně dodávat 12-16 W využitelné vyrobené elektřiny za ideálních jízdních podmínek.

Praktické aplikace 12V DC motoru jako generátoru

Použití 12V stejnosměrného motoru v obráceném směru jako generátoru je běžné v několika malých a kutilských zařízeních pro výrobu energie.

• Malé větrné turbíny – stejnosměrné motory s převodovkou nebo s vysokým točivým momentem jsou roztáčeny větrem poháněnou vrtulí pro nabíjení 12V baterií v nastaveních mimo síť
• Ruční klikové nebo pedálové generátory – středně velké převodové motory připojené ke klikovému nebo cyklistickému kolu mohou generovat 10-30W pro nabíjení telefonů nebo malých světel
• Mikro-hydro nastavení – vodní kolo nebo malá turbína roztáčí stejnosměrný motor, aby dobíjel baterii z proudu
• Vzdělávací a STEM projekty – malé hobby motory demonstrují principy elektromagnetické indukce rozsvícením LED při ručním roztočení

Tipy pro maximalizaci výkonu při použití stejnosměrného motoru jako generátoru

Několik praktických úprav významně zlepšuje množství využitelné elektřiny, kterou dodává 12V DC motor v nastavení generátoru.

• Zvolte motor s převodovkou nebo motor s vysokým kroutícím momentem před hobby motorem s vysokými otáčkami, když je rychlost jízdy přirozeně nízká, například s ručními klikami nebo malými větrnými lopatkami
• Přizpůsobte odpor zátěži vnitřnímu odporu vinutí motoru, protože tato kombinace obvykle poskytuje nejvyšší využitelný přenos energie do zátěže
• Vyhněte se jízdě motoru vysoko nad jeho jmenovité otáčky, protože generované napětí může překročit 12 V a poškodit připojenou elektroniku nebo přehřát vinutí
• Při nabíjení baterií přidejte můstkový usměrňovač a regulátor napětí, protože hrubý výkon generátoru kolísá s rychlostí a potřebuje úpravu pro bezpečné a stabilní nabíjení
• Udržujte kabeláž krátká a používejte dostatečně tlustý kabel, protože tenké nebo dlouhé kabely zvyšují odpor, který přímo snižuje dodávaný výkon

S těmito úpravami může spolehlivě fungovat i levný 12V stejnosměrný motor s převodovkou 15-25W použitelného nabíjecího výkonu v malé sestavě DIY generátoru, která stačí k udržení nabití na 12V bateriové bance napájející základní LED osvětlení nebo drobnou elektroniku.