¿Cómo se puede utilizar un motor de CC como generador? Aplicaciones prácticas, selección, rendimiento

En algún lugar de un cajón hay un pequeño motor de corriente continua esperando trabajo, rescatado de un juguete roto, un ventilador o una impresora vieja. Has leído que también puede funcionar hacia atrás como generador y ahora quieres saber si eso es realmente cierto y cómo hacerlo correctamente.

Respuesta corta: sí, y no hay ningún truco involucrado. Un motor de CC de imán permanente y un generador de CC de imán permanente son la misma máquina, solo que se describen desde extremos opuestos. Hemos estado construyendo micromotores de CC en Yuyao desde 1988, y la pregunta sobre el generador surge constantemente, desde estudiantes cableando una pequeña turbina eólica hasta ingenieros que agregan una opción de carga con manivela. Esto es lo que realmente importa.

Por qué se puede utilizar un motor de CC como generador

La conversión de energía dentro de una máquina de CC es simétrica. Empuje corriente a través de una bobina que se encuentra en un campo magnético y la bobina se empuja hacia los lados, por lo que el rotor gira. En su lugar, gire el mismo rotor y la bobina recorre el campo, el flujo magnético que lo une cambia y aparece un voltaje en los terminales. Esa es la ley de inducción de Faraday que hace exactamente lo que hace en todos los generadores jamás construidos.

Lo que hace que un motor de CC con escobillas sea tan conveniente es su conmutador. Dentro de la armadura el voltaje inducido es alterno, porque cada bobina pasa por debajo de un polo norte y luego de un polo sur. El conmutador cambia la conexión con el mundo exterior exactamente en el momento adecuado, de modo que los dos terminales mantienen una polaridad fija. Es un rectificador mecánico y es la razón por la que un motor con escobillas le proporciona CC sin un solo componente electrónico.

Lo bueno es que un número hace dos trabajos. La constante de voltaje que indica qué tan rápido gira un motor por voltio también le indica cuánto voltaje produce por revolución. Un motor con capacidad de 12 V y 6000 rpm sin carga generará aproximadamente 12 V cuando algo más lo haga girar hasta 6000 rpm.

Brushed o Brushless: lo que sale de los cables

Ambas familias pueden generar, pero te entregan electricidad diferente, y esa diferencia decide cuánto trabajo tiene que hacer el resto de tu circuito.

Los motores de CC con escobillas suministran corriente continua

Gire el eje y aparece CC en los terminales, con una onda en la parte superior debido a la conmutación. Dos cables, no se necesita nada más y un multímetro muestra una lectura inmediatamente.

Los motores CC sin escobillas suministran corriente alterna trifásica

En un motor sin escobillas, los devanados se encuentran en el estator y los imanes giran, por lo que al girar el eje se induce un voltaje trifásico en los cables del estator, trapezoidal en un BLDC típico y sinusoidal en un PMSM. Nada lo rectifica mecánicamente, por lo que se necesita un puente trifásico más un condensador de suavizado, o un controlador que admita la rectificación activa, antes de que esa energía pueda cargar una batería.

Convertir un motor en un generador, paso a paso

La mayoría de la gente comienza con cualquier motor que ya esté en el banco, y ese es un enfoque perfectamente bueno. Los pequeños motores de escobillas utilizados en juguetes y aparatos portátiles son la opción clásica para un primer experimento con turbina eólica o manivela, porque contienen imanes permanentes y producen un voltaje legible a sólo unos pocos cientos de rpm.

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1. Comience con la máquina adecuada. Debe tener imanes permanentes. Un motor de imán permanente con escobillas de un juguete, ventilador o impresora califica, al igual que un motor sin escobillas. Las máquinas de inducción y de campo bobinado no funcionan de la misma manera.
2. Desconecte la electrónica. Si el motor viene con una placa controladora, un controlador de velocidad o una batería, aíslelo. Quieres los terminales del motor en bruto.
3. Acoplar el eje a un motor primario. Una manivela, una hélice, una rueda hidráulica o una turbina servirán, siempre que hagan girar el eje de manera constante.
4. Mida el voltaje de circuito abierto. Configure un multímetro en voltios de CC para un motor con escobillas y en voltios de CA para uno sin escobillas, luego gírelo con la mano y observe cómo la lectura sigue su velocidad.
5. Tenga en cuenta los voltios por rpm. Gire a una velocidad conocida, registre el voltaje y tendrá la constante que necesita para dimensionar todo lo demás.
6. Rectificar si es necesario. Puente trifásico y condensador para motor brushless; un condensador entre los terminales suele ser suficiente para uno con escobillas, además de un diodo de bloqueo si está alimentando una batería.
7. Agregue una carga y mida nuevamente. Espere que el voltaje disminuya, porque la corriente que fluye a través de la resistencia del devanado siempre le cuesta voltios.
8. Esté atento al calor y a la formación de arcos en los cepillos. Si el motor se calienta, está consumiendo más corriente de la que puede generar.

¿Cuánto voltaje y potencia se puede obtener de manera realista?

El voltaje aumenta con la velocidad casi linealmente, lo que facilita la aritmética. Divida el voltaje nominal por la velocidad sin carga y obtendrá el generador constante. Para un micromotor típico, esa constante aterriza entre uno y tres voltios por mil rpm, razón por la cual una manivela perezosa produce uno o dos voltios, mientras que una turbina que gira a unos pocos miles de rpm puede alcanzar el voltaje nominal del motor.

El voltaje de circuito abierto es el número optimista. Tan pronto como fluye la corriente, el voltaje terminal cae por la corriente multiplicada por la resistencia del devanado. En un motor pequeño, la resistencia de la armadura puede ser de unos pocos ohmios, por lo que consumir un amperio puede costarle varios voltios. Mida nuevamente con la carga conectada; esa es la figura que realmente ve su circuito.

La potencia sigue al par. La corriente que entrega un generador es proporcional al torque aplicado al eje, por lo que un motor primario débil a baja velocidad le proporciona voltaje casi sin corriente detrás. Como guía aproximada, un pequeño motor con escobillas accionado a una fracción decente de su velocidad nominal devuelve entre la mitad y las tres cuartas partes de la potencia mecánica introducida, y la resistencia del devanado, la caída de las escobillas, la fricción de los rodamientos y las pérdidas de hierro se llevan el resto.

Elegir un motor para el servicio del generador

Si elige un motor específicamente para generar, mire más allá del número en la etiqueta y verifique algunas características.

• Imanes permanentes, sin excepción. Los imanes de ferrita o de tierras raras proporcionan el campo de excitación de forma gratuita, que es lo que hace posible la generación en una máquina tan pequeña.
• Baja resistencia al devanado, por lo que menos entrada mecánica se convierte en calor en el cobre.
• Baja corriente sin carga y engranaje suave, porque las armaduras suaves comienzan a girar con menos esfuerzo cuando una ligera brisa o una manivela es el motor principal.
• Una clasificación de velocidad que se adapta a tu forma de conducir. Dado que el voltaje aumenta con las rpm, un motor más rápido necesita menos revoluciones para alcanzar una salida útil.
• Una caja de cambios, usada cuidadosamente. En funcionamiento normal, un motorreductor intercambia velocidad por par; en generación, puede hacerlo funcionar al revés, dejando que una rueda hidráulica lenta haga girar el eje del motor mucho más rápido, siempre que acepte la fricción y las pérdidas adicionales.

Los motores que giran fácilmente y consumen poca corriente sin carga tienden a ser los generadores más amigables, lo cual es parte de la razón por la que mantenemos diseños con escobillas que ahorran energía en el catálogo. Se comportan de manera predecible cuando la energía fluye en sentido contrario y sus menores pérdidas dejan más esfuerzo en el circuito que en los devanados.

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Errores que sorprenden a la gente

• Esperando que cualquier motor funcione. Un motor de inducción trifásico o de polos sombreados no producirá una salida útil sin excitación externa.
• Girando demasiado lento. El voltaje es proporcional a la velocidad, por lo que una manivela pausada no aporta casi nada.
• Olvidarse de rectificar un motor sin escobillas. La alimentación de CA trifásica a los terminales de la batería es una buena forma de dañar algo.
• Dejando el controlador original conectado. La retroalimentación de un controlador a través de su propia etapa de salida rara vez termina bien.
• Ignorando el desgaste de las escobillas. Las escobillas son consumibles y el trabajo de generación continua es más difícil para ellas que el uso ocasional del motor.
• Sobrecarga del motor primario. La corriente es proporcional al par, por lo que un generador muy cargado puede detener la turbina que lo impulsa.
• Confiar en el voltaje de circuito abierto. No es el voltaje de trabajo; Mida bajo carga antes de diseñar alrededor de un número.

Donde el motor como generador ya ocurre en productos reales

El frenado regenerativo es un motor como generador en forma de producción. Cuando un vehículo eléctrico reduce la velocidad, cuando un taladro inalámbrico suelta su gatillo y cuando un brazo robótico desacelera, el controlador deja que la máquina actúe como freno y empuja la energía recuperada de regreso al paquete. En robótica esto es una rutina, y las mismas articulaciones que impulsan el robots industriales Suministramos motores para pasar parte de cada ciclo generando en lugar de consumir.

Aplicaciones como esa necesitan motores que toleren miles de cambios de dirección sin dramatismo, que es exactamente para lo que están diseñados los diseños con escobillas de funcionamiento suave de nuestra gama de robots.

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En una escala más pequeña, la generación aparece en linternas y radios de manivela, antorchas de cuerda, pequeñas turbinas eólicas, instalaciones microhidráulicas, bicicletas estáticas y recolección de energía de puertas, torniquetes y mecanismos expendedores. Ninguno de estos necesita un generador especialmente diseñado. Necesitan un motor de imán permanente, una relación de transmisión o adaptación de velocidad sensible y un rectificador cuya salida debe ser CC.

Una última palabra antes de hacer girar ese eje

Hemos estado fabricando micromotores de CC desde 1988, lo que significa que hemos observado que muchos de ellos terminan en el lado generador del circuito, a veces por diseño y otras por accidente. Si está trabajando en un producto en el que un motor tiene que accionar y generar, díganos el voltaje, la velocidad, el par y el ciclo de trabajo que tiene en mente y le ayudaremos a reducir las opciones, ya sea que se trate de un modelo con escobillas estándar, un diseño sin escobillas o una unidad con engranajes.

Si primero desea ver cómo se comportan estos motores en equipos reales, nuestra descripción general de los Aplicaciones de motores CC con escobillas más comunes es un buen lugar para comenzar.