como um motor CC pode ser usado como gerador: Aplicações Práticas, Seleção, Desempenho

Em algum lugar de uma gaveta há um pequeno motor CC esperando por trabalho, resgatado de um brinquedo quebrado, de um ventilador manual ou de uma impressora velha. Você leu que ele também pode funcionar ao contrário como um gerador e agora quer saber se isso é realmente verdade e como fazê-lo corretamente.

Resposta curta: sim, e não há nenhum truque envolvido. Um motor CC de ímã permanente e um gerador CC de ímã permanente são a mesma máquina, apenas descritos em extremidades opostas. Construímos micro motores DC em Yuyao desde 1988, e a questão do gerador surge constantemente, desde estudantes conectando uma pequena turbina eólica até engenheiros adicionando uma opção de carregamento por manivela. Aqui está o que realmente importa.

Por que um motor DC pode ser usado como gerador

A conversão de energia dentro de uma máquina DC é simétrica. Empurre a corrente através de uma bobina colocada em um campo magnético e a bobina será empurrada lateralmente, de modo que o rotor gire. Em vez disso, gire o mesmo rotor e a bobina varrerá o campo, o fluxo magnético que a liga muda e uma tensão aparece nos terminais. Essa é a lei da indução de Faraday, fazendo exatamente o que faz em todos os geradores já construídos.

O que torna um motor CC escovado tão conveniente é o seu comutador. Dentro da armadura a tensão induzida é alternada, porque cada bobina passa sob um pólo norte e depois sob um pólo sul. O comutador troca a ligação com o mundo exterior precisamente no momento certo, para que os dois terminais mantenham uma polaridade fixa. É um retificador mecânico e é a razão pela qual um motor escovado fornece corrente contínua sem um único componente eletrônico.

A parte interessante é que um número realiza duas tarefas. A constante de tensão que informa a rapidez com que um motor gira por volt também informa quanta tensão ele produz por revolução. Um motor avaliado em 12 V e 6.000 rpm sem carga gerará aproximadamente 12 V quando outra coisa o girar até 6.000 rpm.

Escovado ou Brushless: o que sai dos fios

Ambas as famílias podem gerar, mas fornecem eletricidade diferente, e essa diferença decide quanto trabalho o resto do seu circuito terá que realizar.

Motores DC escovados fornecem corrente contínua

Gire o eixo e DC aparece nos terminais, com uma ondulação no topo da comutação. Dois fios, nada mais é necessário e um multímetro mostra uma leitura imediatamente.

Motores DC sem escova fornecem corrente alternada trifásica

Em um motor sem escova, os enrolamentos ficam no estator e os ímãs giram, portanto, girar o eixo induz uma tensão trifásica nos cabos do estator, trapezoidal em um BLDC típico e senoidal em um PMSM. Nada o retifica mecanicamente, então você precisa de uma ponte trifásica mais um capacitor de suavização, ou um controlador que suporte retificação ativa, antes que essa energia possa carregar uma bateria.

Transformando um motor em um gerador, passo a passo

A maioria das pessoas começa com qualquer motor que já esteja na bancada, e essa é uma abordagem perfeitamente boa. Os pequenos motores escovados usados ​​em brinquedos e aparelhos portáteis são a escolha clássica para um primeiro experimento com turbina eólica ou manivela, porque contêm ímãs permanentes e produzem uma tensão legível a apenas algumas centenas de rpm.

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1. Comece com a máquina certa. Deve ter ímãs permanentes. Um motor escovado de ímã permanente de um brinquedo, ventilador ou impressora é qualificado, assim como um motor sem escova. As máquinas de indução e de campo enrolado não funcionam da mesma maneira.
2. Desconecte a eletrônica. Se o motor vier com placa de driver, controlador de velocidade ou bateria, isole-o. Você quer os terminais brutos do motor.
3. Acople o eixo a um motor principal. Uma manivela, hélice, roda d'água ou turbina servirão, desde que gire o eixo de forma constante.
4. Meça a tensão de circuito aberto. Defina um multímetro para volts CC para um motor com escova e volts CA para um motor sem escova, gire manualmente e observe a leitura seguir sua velocidade.
5. Observe os volts por rpm. Gire a uma velocidade conhecida, registre a voltagem e você terá a constante necessária para dimensionar todo o resto.
6. Retifique se necessário. Ponte trifásica e capacitor para motor brushless; um capacitor entre os terminais geralmente é suficiente para um escovado, além de um diodo de bloqueio se você estiver alimentando uma bateria.
7. Adicione uma carga e meça novamente. Espere que a tensão caia, porque a corrente que flui através da resistência do enrolamento sempre custa volts.
8. Fique atento ao calor e ao arco voltaico. Se o motor esquentar, você estará consumindo mais corrente do que pode ser dissipada.

Quanta tensão e potência você consegue obter de forma realista?

A tensão aumenta com a velocidade quase linearmente, o que facilita a aritmética. Divida a tensão nominal pela velocidade sem carga e você obterá a constante do gerador. Para um micromotor típico, essa constante fica em algum lugar entre um e três volts por mil rpm, e é por isso que uma manivela preguiçosa produz um ou dois volts, enquanto uma turbina girando a alguns milhares de rpm pode atingir a tensão nominal do motor.

A tensão de circuito aberto é o número otimista. Assim que a corrente flui, a tensão terminal cai pela corrente multiplicada pela resistência do enrolamento. Em um motor pequeno, a resistência da armadura pode ser de alguns ohms, portanto, puxar um amplificador pode custar vários volts. Meça novamente com a carga conectada; essa é a figura que seu circuito realmente vê.

A potência segue o torque. A corrente que um gerador fornece é proporcional ao torque aplicado ao eixo, portanto, um motor principal fraco em baixa velocidade fornece tensão quase sem corrente por trás dele. Como um guia aproximado, um pequeno motor escovado acionado a uma fração decente de sua velocidade nominal retorna algo entre metade e três quartos da potência mecânica que você aplica, com resistência do enrolamento, queda da escova, atrito do rolamento e perdas de ferro assumindo o resto.

Escolhendo um motor para serviço de gerador

Se você estiver escolhendo um motor especificamente para gerar, olhe além do número na etiqueta e verifique algumas características.

• Ímãs permanentes, sem exceção. Ímãs de ferrite ou de terras raras fornecem o campo de excitação gratuitamente, que é o que torna possível a geração em uma máquina tão pequena.
• Baixa resistência do enrolamento, portanto, menos energia mecânica se transforma em calor no cobre.
• Baixa corrente sem carga e engrenagem suave, porque as armaduras suaves começam a girar com menos esforço quando uma leve brisa ou uma manivela é o seu motor principal.
• Uma classificação de velocidade adequada à sua condução. Como a tensão aumenta com as rpm, um motor mais rápido precisa de menos rotações para atingir uma saída útil.
• Uma caixa de câmbio, usada com cuidado. Em operação normal, um motoredutor troca velocidade por torque; na geração, você pode operá-lo ao contrário, deixando uma roda d'água lenta girar o eixo do motor muito mais rápido, desde que você aceite o atrito e as perdas extras.

Motores que giram facilmente e consomem pouca corrente sem carga tendem a ser os geradores mais amigáveis, o que é parte do motivo pelo qual mantemos no catálogo designs escovados que economizam energia. Eles se comportam de maneira previsível quando a energia flui na direção oposta, e suas perdas mais baixas deixam mais esforço no circuito do que nos enrolamentos.

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Erros que pegam as pessoas

• Esperando que qualquer motor funcione. Um motor de indução trifásico ou de pólo sombreado não produzirá saída útil sem excitação externa.
• Girando muito devagar. A voltagem é proporcional à velocidade, então uma manivela lenta não oferece quase nada.
• Esquecendo de retificar um motor sem escova. A CA trifásica alimentada nos terminais da bateria é uma boa maneira de danificar alguma coisa.
• Deixando o controlador original conectado. A retroalimentação de um driver através de seu próprio estágio de saída raramente termina bem.
• Ignorando o desgaste da escova. As escovas são consumíveis e o trabalho de geração contínua é mais difícil para elas do que o uso ocasional do motor.
• Sobrecarregando o motor principal. A corrente é proporcional ao torque, portanto, um gerador fortemente carregado pode parar a turbina que o aciona.
• Confiando na tensão de circuito aberto. Não é a tensão de funcionamento; meça sob carga antes de projetar em torno de um número.

Onde o motor como gerador já acontece em produtos reais

A frenagem regenerativa é um motor como gerador em forma de produção. Quando um veículo elétrico desacelera, quando uma furadeira sem fio libera o gatilho e quando um braço robótico desacelera, o controlador permite que a máquina atue como um freio e empurra a energia recuperada de volta para o pacote. Na robótica isso é rotina, e as mesmas articulações que impulsionam o robôs industriais fornecemos motores para gastar parte de cada ciclo gerando em vez de consumir.

Aplicações como essa precisam de motores que tolerem milhares de mudanças de direção sem drama, e é exatamente para isso que os designs escovados de funcionamento suave da nossa linha de robôs foram criados.

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Numa escala menor, a geração surge em lanternas e rádios de manivela, tochas de corda, pequenas turbinas eólicas, instalações micro-hídricas, bicicletas ergométricas e captação de energia de portas, catracas e mecanismos de venda automática. Nenhum deles precisa de um gerador específico. Eles precisam de um motor de ímã permanente, uma relação de transmissão ou correspondência de velocidade sensível e um retificador onde a saída deve ser CC.

Uma última palavra antes de girar esse eixo

Fabricamos micro motores DC desde 1988, o que significa que vimos muitos deles acabarem no lado gerador do circuito, às vezes por projeto e às vezes por acidente. Se você estiver trabalhando em um produto onde um motor precisa ser acionado e gerado, informe-nos a tensão, a velocidade, o torque e o ciclo de trabalho que você tem em mente e nós o ajudaremos a restringir as opções, seja um modelo com escova padrão, um design sem escova ou uma unidade de engrenagem.

Se você quiser ver primeiro como esses motores se comportam em equipamentos reais, nossa visão geral do aplicações mais comuns de motores CC com escova é um bom lugar para começar.