ما هي كمية الكهرباء التي يمكن لمحرك DC 12V توليدها؟ (1 واط إلى 150 واط)

ما مقدار الطاقة التي يمكن أن يولدها محرك DC 12V

A محرك بتيار مستمر 12 فولت يستخدم كمولد ينتج عادة بين 1 واط و 150 واط من الطاقة الكهربائية، اعتمادًا على حجمها المادي وتصميمها المتعرج ومدى سرعة دورانها. يولد محرك صغير الحجم (مثل وحدة بحجم 130 أو 385) 1-15 واط فقط حتى عند عدد دورات مرتفع في الدقيقة، بينما يمكن للمحرك الأكبر حجمًا مثل ممسحة السيارة أو محرك النوافذ أن يولد 20-50 واط عند عدد دورات أقل بكثير في الدقيقة بسبب لفات عزم الدوران الأعلى.

يصف تصنيف المحرك "12 فولت" جهد التشغيل المصمم عند استخدامه كمحرك، وليس قدرة توليد ثابتة. عندما يتم تدويره في الاتجاه المعاكس كمولد، فإن الجهد الفعلي والطاقة التي ينتجها يعتمد كليًا على سرعة الدوران بالنسبة إلى عدد الدورات في الدقيقة المقدرة، وعلى مقاومة أي حمل متصل به.

الفيزياء وراء محرك DC لتوليد الكهرباء

يمكن لأي محرك يعمل بالتيار المستمر أن يعمل كمولد لأن نفس ترتيب المغناطيس والملف الذي ينتج الدوران عندما يتدفق التيار ينتج أيضًا جهدًا عندما يتم تشغيل العمود خارجيًا. وهذا تطبيق مباشر لقانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي.

عودة EMF والجهد المستمر

يحتوي كل محرك تيار مستمر على ثابت جهد (Ke)، يقاس بالفولت لكل دورة في الدقيقة، والذي يصف مقدار الجهد الذي يولده لكل وحدة من سرعة الدوران. المحرك المقدر بـ 12 فولت بسرعة عدم التحميل البالغة 3000 دورة في الدقيقة لديه Ke تقريبًا 0.004 فولت/دورة في الدقيقة (12 ÷ 3000)، مما يعني أن تدويرها بسرعة 3000 دورة في الدقيقة بالضبط خارجيًا سيولد ما يقرب من 12 فولت من الدائرة المفتوحة.

يعتمد التيار على الحمل المتصل

الجهد وحده لا يحدد مخرجات الطاقة؛ الأمور الحالية على قدم المساواة. يتم تحديد التيار الذي يتدفق من خلال الجهد المتولد مقسومًا على المقاومة الإجمالية في الدائرة، بما في ذلك مقاومة الملف الداخلي للمحرك وأي حمل خارجي متصل (البطارية، المقاوم، المصباح الكهربائي).

العوامل الرئيسية التي تحدد الناتج المتولد

تحدد أربعة متغيرات معًا كمية الكهرباء التي سيولدها محرك تيار مستمر بجهد 12 فولت في الإعداد الحقيقي.

• سرعة الدوران (دورة في الدقيقة) - يتم توليد مقاييس الجهد بشكل خطي تقريبًا مع عدد الدورات في الدقيقة، لذا فإن مضاعفة سرعة العمود تؤدي تقريبًا إلى مضاعفة جهد الدائرة المفتوحة
• مقاومة اللف - المحركات ذات اللفات النحاسية السميكة (الشائعة في المحركات الأكبر حجمًا والمجهزة بالتروس) تفقد جهدًا أقل داخليًا وتوفر طاقة أكثر قابلية للاستخدام للحمل
• قوة المغناطيس - يحفز المغناطيس الدائم الأقوى جهدًا أكبر لكل دورة في الدقيقة، وهذا هو السبب في أن محركات التيار المستمر عديمة الفرشاة والعزم العالي تتفوق عمومًا على محركات الهوايات الرخيصة ذات تصنيف الجهد نفسه
• مقاومة الحمل - الحمل ذو المقاومة المنخفضة جدًا يسحب تيارًا زائدًا ويسخن اللفات، في حين أن الحمل المرتفع جدًا يحد من التيار ويهدر المخرجات المحتملة

الجهد والطاقة المولدة حسب حجم المحرك

يعطي الجدول أدناه مخرجات تقريبية في العالم الحقيقي لأحجام محركات التيار المستمر ذات التصنيف 12 فولت عند تدويرها خارجيًا كمولد بالقرب من سرعتها المقدرة.

تميل المحركات المجهزة إلى التفوق في الأداء على المحركات الصغيرة غير المزودة بالتروس على الرغم من دورانها بشكل أبطأ بكثير، لأن علبة التروس الداخلية الخاصة بها تسمح لملفات المحرك بالعمل بمعدل أكثر كفاءة من عزم الدوران إلى التيار بدلاً من الاعتماد بشكل كامل على عدد الدورات في الدقيقة الخام.

كيفية حساب الناتج المتوقع من محرك معين

للحصول على تقدير أكثر دقة من الجدول العام أعلاه، تسمح ثلاثة أرقام من ورقة بيانات المحرك بإجراء حساب دقيق إلى حد معقول.

1. ابحث عن الجهد المقدر وعدد الدورات في الدقيقة بدون تحميل على ملصق المحرك أو ورقة البيانات (على سبيل المثال، 12 فولت عند 4000 دورة في الدقيقة)
2. احسب ثابت الجهد: Ke = الجهد المقنن ÷ دورة في الدقيقة بدون تحميل (12 ÷ 4,000 = 0.003 فولت/ دورة في الدقيقة)
3. اضرب Ke في سرعة القيادة الفعلية لديك لتقدير جهد الدائرة المفتوحة (الدوران عند 2000 دورة في الدقيقة يعطي حوالي 6 فولت)
4. اقسم هذا الجهد على إجمالي مقاومة الدائرة (مقاومة لف المحرك بالإضافة إلى مقاومة الحمل) لتقدير التيار، ثم اضرب الجهد في التيار للحصول على الطاقة

على سبيل المثال، محرك ذو مقاومة داخلية 2 أوم يولد دائرة مفتوحة 6 فولت، متصل بحمل 4 أوم، سوف يسحب تقريبًا 1 أ (إجمالي 6 فولت ÷ 6 أوم)، مما يوفر حوالي 4 وات للحمل بينما يتم فقدان 2 وات المتبقية كحرارة داخل اللفات.

لماذا يكون خرج المولد أقل من قوة المحرك المقدرة

يصف تصنيف القوة الكهربائية المطبوع للمحرك مقدار الطاقة الميكانيكية التي يمكن تحويلها من المدخلات الكهربائية عند استخدامه كمحرك، وليس مقدار الكهرباء التي سينتجها عند عكسه إلى مولد. تؤدي العديد من الخسائر إلى تقليل إنتاج التوليد الحقيقي إلى ما دون هذا الرقم المقدر.

خسائر المقاومة الداخلية

تتمتع اللفات النحاسية لكل محرك بمقاومة تبدد بعض الطاقة المولدة على شكل حرارة بدلاً من إيصالها إلى الحمل، وهو ما يمثل عادةً 10-25% من إجمالي الطاقة المولدة في محركات التيار المستمر الصغيرة.

الاحتكاك وفقدان الفرشاة

تفقد محركات التيار المستمر المصقولة طاقة إضافية لتنظيف احتكاك التلامس وسحب المحمل، وهذا هو السبب في أن محركات التيار المستمر بدون فرش تولد عمومًا طاقة قابلة للاستخدام بنسبة 5-10٪ أكثر من المحركات المصقولة ذات الحجم والتصنيف المماثل.

نطاق الكفاءة الشاملة

تعمل معظم المحركات الصغيرة والمتوسطة الحجم بجهد 12 فولت كفاءة 60-80% عند استخدامه كمولدات، فهذا يعني أن المحرك المقدر بـ 20 واط من قوة المحرك قد يوفر بشكل واقعي 12-16 واط من الكهرباء المولدة القابلة للاستخدام في ظل ظروف القيادة المثالية.

التطبيقات العملية لمحرك DC 12V كمولد

يعد استخدام محرك تيار مستمر بجهد 12 فولت في الاتجاه المعاكس كمولد أمرًا شائعًا في العديد من إعدادات توليد الطاقة صغيرة الحجم والتي يمكن تنفيذها بنفسك.

• توربينات الرياح الصغيرة - يتم تدوير محركات التيار المستمر المجهزة أو ذات عزم الدوران العالي بواسطة مروحة تعمل بالرياح لشحن بطاريات 12 فولت في الأجهزة خارج الشبكة
• مولدات كرنك اليد أو الدواسة - يمكن للمحركات متوسطة الحجم المتصلة بكرنك أو عجلة دراجة أن تولد ما بين 10 إلى 30 واط لشحن الهواتف أو الأضواء الصغيرة
• إعدادات مائية صغيرة - عجلة مائية أو توربين صغير يقوم بتدوير محرك يعمل بالتيار المستمر لشحن بنك البطارية من مجرى مائي
• المشاريع التعليمية ومشاريع العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات - تُظهر محركات الهوايات الصغيرة مبادئ الحث الكهرومغناطيسي عن طريق إضاءة مصباح LED عند تدويرها يدويًا

نصائح لتعظيم الإخراج عند استخدام محرك DC كمولد

تعمل بعض التعديلات العملية على تحسين كمية الكهرباء القابلة للاستخدام التي يوفرها محرك 12V DC في إعداد المولد.

• اختر محركًا مزودًا بتروس أو عزم دوران عاليًا بدلاً من محرك هواية عالي دورة في الدقيقة عندما تكون سرعة القيادة منخفضة بشكل طبيعي، كما هو الحال مع أذرع اليد أو شفرات الرياح الصغيرة
• مطابقة مقاومة الحمل بالقرب من مقاومة الملف الداخلي للمحرك، نظرًا لأن هذا المزيج يوفر عادةً أعلى نقل طاقة قابل للاستخدام إلى الحمل
• تجنب قيادة المحرك أعلى بكثير من عدد الدورات في الدقيقة المقدر، نظرًا لأن الجهد المتولد يمكن أن يتجاوز 12 فولت ويؤدي إلى تلف الأجهزة الإلكترونية المتصلة أو ارتفاع درجة حرارة اللفات
• أضف مقوم الجسر ومنظم الجهد الكهربي في حالة شحن البطاريات، نظرًا لأن خرج المولد الخام يتقلب مع السرعة ويحتاج إلى التكييف من أجل شحن آمن ومستقر
• اجعل الأسلاك قصيرة واستخدم سلكًا سميكًا بدرجة كافية، نظرًا لأن الأسلاك الرفيعة أو الطويلة تضيف مقاومة تقلل بشكل مباشر من الطاقة الموصلة

مع هذه التعديلات، حتى محرك DC غير المكلف بجهد 12 فولت يمكن أن يعمل بشكل موثوق 15-25 واط من طاقة الشحن القابلة للاستخدام في إعداد مولد صغير يمكنك صنعه بنفسك، وهو ما يكفي للحفاظ على الشحن في بنك بطارية 12 فولت يعمل على تشغيل إضاءة LED الأساسية أو الأجهزة الإلكترونية الصغيرة.