come può un motore DC essere utilizzato come generatore: applicazioni pratiche, selezione, prestazioni

Da qualche parte in un cassetto c’è un piccolo motore DC in attesa di un lavoro, recuperato da un giocattolo rotto, un ventaglio o una vecchia stampante. Hai letto che può funzionare anche all'indietro come generatore e ora vuoi sapere se è proprio vero e come farlo correttamente.

Risposta breve: sì, e non c'è nessun trucco. Un motore CC a magnete permanente e un generatore CC a magnete permanente sono la stessa macchina, descritta solo da estremità opposte. Costruiamo micromotori CC a Yuyao dal 1988 e la questione del generatore emerge costantemente, dagli studenti che collegano una piccola turbina eolica agli ingegneri che aggiungono un'opzione di ricarica a manovella. Ecco cosa conta davvero.

Perché un motore CC può essere utilizzato come generatore

La conversione dell'energia all'interno di una macchina DC è simmetrica. Spingi la corrente attraverso una bobina situata in un campo magnetico e la bobina viene spinta lateralmente, quindi il rotore gira. Gira invece lo stesso rotore e la bobina attraversa il campo, il flusso magnetico che la collega cambia e una tensione appare attraverso i terminali. Questa è la legge di induzione di Faraday che fa esattamente quello che fa in ogni generatore mai costruito.

Ciò che rende così conveniente un motore DC con spazzole è il suo commutatore. All'interno dell'armatura la tensione indotta è alternata, poiché ciascuna spira passa sotto un polo nord e poi sotto un polo sud. Il commutatore scambia la connessione con il mondo esterno proprio al momento giusto, quindi i due terminali mantengono una polarità fissa. È un raddrizzatore meccanico ed è il motivo per cui un motore con spazzole fornisce corrente continua senza un singolo componente elettronico.

La parte bella è che un numero fa due lavori. La costante di tensione che ti dice quanto velocemente gira un motore per volt ti dice anche quanta tensione produce per giro. Un motore valutato a 12 V e 6.000 giri al minuto senza carico genererà circa 12 V quando qualcos'altro lo fa girare fino a 6.000 giri al minuto.

Spazzolato o Brushless: cosa esce dai fili

Entrambe le famiglie possono generare, ma ti forniscono elettricità diversa, e questa differenza decide quanto lavoro deve fare il resto del tuo circuito.

I motori CC con spazzole forniscono corrente continua

Girare l'albero e la corrente continua appare ai terminali, con un'ondulazione che scorre in alto dalla commutazione. Due fili, nient'altro richiesto e un multimetro mostra immediatamente una lettura.

I motori CC senza spazzole forniscono corrente alternata trifase

In un motore brushless gli avvolgimenti si trovano nello statore e i magneti ruotano, quindi la rotazione dell'albero induce una tensione trifase sui conduttori dello statore, trapezoidale in un tipico BLDC e sinusoidale in un PMSM. Niente lo rettifica meccanicamente, quindi è necessario un ponte trifase più un condensatore di livellamento o un controller che supporti la rettifica attiva, prima che quell'energia possa caricare una batteria.

Trasformare un motore in un generatore, passo dopo passo

La maggior parte delle persone inizia con qualunque motore sia già in panchina, e questo è un approccio perfettamente valido. I piccoli motori a spazzole utilizzati nei giocattoli e negli apparecchi portatili sono la scelta classica per un primo esperimento con turbine eoliche o manovelle, perché contengono magneti permanenti e producono una tensione leggibile solo a poche centinaia di giri al minuto.

Motore CC con spazzole ad alta velocità RS-977 per tosaerba Un motore con spazzole a magnete permanente che offre un'uscita ad alta velocità e una capacità di carico stabile, importante quando si adatta la tensione al numero di giri in piccole costruzioni. Visualizza il prodotto →

1. Inizia con la macchina giusta. Deve avere magneti permanenti. Un motore a magnete permanente spazzolato di un giocattolo, un ventilatore o una stampante è idoneo, così come un motore brushless. Le macchine a induzione e quelle a campo ferito non funzionano allo stesso modo.
2. Scollegare l'elettronica. Se il motore è dotato di scheda driver, controller di velocità o pacco batteria, isolarlo. Vuoi i terminali grezzi del motore.
3. Accoppiare l'albero a un motore primo. Una manovella, un'elica, una ruota idraulica o una turbina andranno bene, purché girino l'albero in modo costante.
4. Misurare la tensione a circuito aperto. Imposta un multimetro su volt CC per un motore con spazzole e volt CA per un motore senza spazzole, quindi gira a mano e osserva la lettura seguire la tua velocità.
5. Annotare i volt per numero di giri. Gira a una velocità nota, registra la tensione e hai la costante necessaria per dimensionare tutto il resto.
6. Correggere se necessario. Ponte trifase e condensatore per motore brushless; un condensatore ai terminali è solitamente sufficiente per uno spazzolato, più un diodo di blocco se si alimenta una batteria.
7. Aggiungi un carico e misura di nuovo. Aspettatevi che la tensione diminuisca, perché la corrente che scorre attraverso la resistenza dell'avvolgimento costa sempre volt.
8. Fare attenzione al calore e alla formazione di archi nelle spazzole. Se il motore si surriscalda, stai assorbendo più corrente di quanta ne possa rilasciare.

Quanta tensione e potenza puoi realisticamente ottenere?

La tensione si adatta alla velocità in modo quasi lineare, il che semplifica l'aritmetica. Dividendo la tensione nominale per la velocità a vuoto si ottiene la costante del generatore. Per un tipico micromotore la costante è compresa tra uno e tre volt per mille giri al minuto, motivo per cui una manovella pigra produce uno o due volt mentre una turbina che gira a poche migliaia di giri al minuto può raggiungere la tensione nominale del motore.

La tensione a circuito aperto è il numero ottimistico. Non appena scorre corrente, la tensione ai terminali diminuisce della corrente moltiplicata per la resistenza dell'avvolgimento. Su un piccolo motore la resistenza dell'armatura può essere di pochi ohm, quindi assorbire un amplificatore può costarti diversi volt. Misurare nuovamente con il carico collegato; questa è la figura che il tuo circuito vede effettivamente.

La potenza segue la coppia. La corrente erogata da un generatore è proporzionale alla coppia applicata all'albero, quindi un motore primo debole a bassa velocità fornisce tensione quasi senza corrente dietro di esso. In linea di massima, un piccolo motore a spazzole azionato a una discreta frazione della sua velocità nominale restituisce tra la metà e i tre quarti della potenza meccanica immessa, mentre la resistenza dell'avvolgimento, la caduta della spazzola, l'attrito dei cuscinetti e le perdite di ferro fanno il resto.

Scelta di un motore per il servizio del generatore

Se stai scegliendo un motore specifico da generare, guarda oltre il numero sull'etichetta e controlla invece una manciata di caratteristiche.

• Magneti permanenti, nessuno escluso. I magneti in ferrite o in terre rare forniscono gratuitamente il campo di eccitazione, che è ciò che rende possibile la generazione in una macchina così piccola.
• Bassa resistenza dell'avvolgimento, quindi una quantità minore di input meccanico si trasforma in calore nel rame.
• Bassa corrente a vuoto e cogging delicato, perché le armature lisce iniziano a girare con meno sforzo quando una leggera brezza o una manovella sono il motore principale.
• Un indice di velocità adatto alla tua guida. Poiché la tensione aumenta con il numero di giri, un motore più veloce necessita di meno giri per raggiungere una potenza utile.
• Un cambio, usato con attenzione. Nel funzionamento normale un motoriduttore scambia la velocità con la coppia; in generazione puoi farlo girare al contrario, lasciando che una ruota idraulica lenta faccia girare l'albero motore molto più velocemente, purché accetti l'attrito e le perdite extra.

I motori che girano facilmente e assorbono poca corrente senza carico tendono a essere i generatori più facili da usare, il che è uno dei motivi per cui manteniamo nel catalogo i modelli con spazzole a risparmio energetico. Si comportano in modo prevedibile quando l'energia fluisce nella direzione opposta e le loro perdite inferiori lasciano una parte maggiore dello sforzo nel circuito piuttosto che negli avvolgimenti.

Motore DC con spazzole a lunga durata RS-540 per aspirapolvere Un motore durevole con magneti permanenti spazzolati con comportamento prevedibile a basso carico, utile quando contano una lunga durata e un flusso di energia bidirezionale. Visualizza il prodotto →

Errori che mettono in difficoltà le persone

• Aspettarsi che qualsiasi motore funzioni. Un motore a induzione a poli schermati o trifase non produrrà un'uscita utile senza eccitazione esterna.
• Gira troppo lentamente. La tensione è proporzionale alla velocità, quindi una manovella tranquilla non ti dà quasi nulla.
• Dimenticarsi di rettificare un motore brushless. L'alimentazione CA trifase nei terminali della batteria è un buon modo per danneggiare qualcosa.
• Lasciando collegato il controller originale. Alimentare un driver attraverso il proprio stadio di uscita raramente finisce bene.
• Ignorare l'usura delle spazzole. Le spazzole sono materiali di consumo e il servizio di generazione continua è più difficile per loro rispetto all'uso occasionale del motore.
• Sovraccarico del motore primo. La corrente è proporzionale alla coppia, quindi un generatore fortemente caricato può mandare in stallo la turbina che lo aziona.
• Fidarsi della tensione a circuito aperto. Non è la tensione di lavoro; misurare sotto carico prima di progettare attorno a un numero.

Dove il motore come generatore esiste già nei prodotti reali

La frenatura rigenerativa è un motore come generatore in produzione. Quando un veicolo elettrico rallenta, quando un trapano a batteria rilascia il grilletto e quando un braccio robotico decelera, il controller lascia che la macchina agisca come un freno e respinge l’energia recuperata nel pacco. Nella robotica questa è routine e le stesse articolazioni che la guidano robot industriali forniamo motori per trascorrere parte di ogni ciclo generando anziché consumando.

Applicazioni come queste necessitano di motori in grado di tollerare migliaia di cambi di direzione senza problemi, che è esattamente lo scopo per cui sono progettati i design con spazzole a funzionamento regolare della nostra gamma di robot.

Motore DC con spazzole RS-785SL per pulisci giunti Un motore a magnete permanente con spazzole a bassa rumorosità, costruito per cambi di direzione ripetuti, adatto per strumenti ed esperimenti su piccoli generatori che richiedono un output affidabile. Visualizza il prodotto →

Su scala più piccola, la generazione si manifesta nelle torce elettriche e nelle radio a manovella, nelle torce a carica, nelle piccole turbine eoliche, nelle installazioni micro-idro, nelle cyclette e nella raccolta di energia da porte, tornelli e meccanismi di vendita. Nessuno di questi necessita di un generatore appositamente costruito. Hanno bisogno di un motore a magnete permanente, di un rapporto di trasmissione o di un adattamento di velocità sensato e di un raddrizzatore in cui l'uscita deve essere CC.

Un'ultima parola prima di far girare l'albero

Produciamo micromotori CC dal 1988, il che significa che ne abbiamo visti moltissimi finire sul lato generatore del circuito, a volte in base alla progettazione e talvolta per sbaglio. Se stai lavorando su un prodotto in cui un motore deve guidare e generare, comunicaci la tensione, la velocità, la coppia e il ciclo di lavoro che hai in mente e ti aiuteremo a restringere le opzioni, indipendentemente dal fatto che si tratti di un modello con spazzole standard, un design senza spazzole o un'unità a ingranaggi.

Se desideri vedere prima come si comportano questi motori nelle apparecchiature reali, la nostra panoramica del applicazioni più comuni dei motori DC a spazzole è un buon punto di partenza.