Eu tenho um motor FA-130 (DC) com ímã permanente, minha fonte de alimentação são 2 pilhas AA (recarregáveis), totalizando 2,4v.

Suponha que todos os casos iniciem da mesma especificação, teoricamente, o que aconteceria se eu fizesse o seguinte?

Caso 1 : aumentar / diminuir a força dos ímãs permanentes. O que aconteceria com torque e RPM? Por quê?

Caso 2 : aumentar / diminuir o tamanho dos fios do ímã. O que aconteceria com torque, consumo de energia e RPM? Por quê?

Caso 3 : aumentar / diminuir o tamanho da armadura. O que aconteceria com torque, consumo de energia e RPM? Por quê?

Caso 4 : aumentar / diminuir o número de voltas (bobina). O que aconteceria com torque, consumo de energia e RPM? Por quê?

Em geral, como posso aumentar o torque e as RPMs deste motor com uma tensão constante?

Por favor, explique-o como se estivesse conversando com uma criança de 6 anos. Não conheço esse campo, mas quero conhecer o conceito.

Vou assumir que essa criança de 6 anos tem pelo menos um pouco de experiência em física. Vou começar por responder por que cada resultado ocorrerá com muita matemática para descrever a física por trás de tudo. Depois, responderei a cada caso individualmente com a matemática, fornecendo o raciocínio por trás de cada resultado. Terminarei respondendo sua pergunta "em geral".

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Por quê?

A resposta para todos os seus "Por quê?" perguntas é: Física! Especificamente lei de Lorentz e lei de Faraday . A partir daqui :

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O torque do motor é determinado pela equação:

$$\tau = K_t \cdot I~~~~~~~~~~(N \cdot m)$$

Onde:

K t = constante de torque I = $\tau = \text{torque}$
$K_t = \text{torque constant}$
$I = \text{motor current}$

A constante de torque, , é um dos principais parâmetros do motor que descreve o motor específico com base nos vários parâmetros de seu projeto, como força magnética, número de voltas do fio, comprimento da armadura, etc., como você mencionou. Seu valor é dado em torque por amp e é calculado como:$K_t$

$$K_t = 2 \cdot B \cdot N \cdot l \cdot r~~~~~~~~~~(N \cdot m / A)$$

Onde:

N = número de voltas de fio no campo magnético l = comprimento do campo magnético atuando no fio r = $B = \text{strength of magnetic field in Teslas}$
$N = \text{number of loops of wire in the magnetic field}$
$l = \text{length of magnetic field acting on wire}$
$r = \text{radius of motor armature}$

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A tensão Back-EMF é determinada por:

$$V = K_e \cdot \omega~~~~~~~~~~(volts)$$

Onde:

K e = constante de tensão ω = $V = \text{Back-EMF voltage}$
$K_e = \text{voltage constant}$
$\omega = \text{angular velocity}$

Velocidade angular é a velocidade do motor em radianos por segundo (rad / s) que pode ser convertida em RPM:

$$\text{rad/sec} = \text{RPM}\times\dfrac{\pi}{30}$$

é o segundo parâmetro principal do motor. Curiosamente, K e é calculado usando a mesma fórmula que K t, mas é dado em unidades diferentes:$K_e$$K_e$$K_t$

$$K_e = 2 \cdot B \cdot N \cdot l \cdot r~~~~~~~~~~(volts/rad/sec)$$

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Por que ? Por causa da lei física da Conservação de Energia . O que basicamente afirma que a energia elétrica colocada no motor precisa ser igual à potência mecânica que saiu do motor. Assumindo 100% de eficiência:$K_e = K_t$

V ⋅ I = τ ⋅ $P_{in} = P_{out}$
$V \cdot I = \tau \cdot \omega$

Substituindo as equações acima, obtemos:

$(K_e \cdot \omega) \cdot I = (K_t \cdot I) \cdot \omega$
$K_e = K_t$

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Estojos

Vou assumir que cada parâmetro está sendo alterado isoladamente.

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$K_t$$\tau$

$K_e$$K_e$

$$\omega = \dfrac{V}{K_e}$$

Assim, à medida que o campo magnético aumenta, a velocidade diminui. Isso, novamente, faz sentido, porque quanto mais forte o campo magnético, mais forte é o "empurrão" na armadura, para resistir a uma mudança na velocidade.

Como a energia é igual ao torque vezes a velocidade angular e a energia é igual à energia (novamente, assumindo 100% de eficiência), obtemos:

$$P_{in} = \tau \cdot \omega$$

Portanto, qualquer alteração no torque ou na velocidade será diretamente proporcional à potência necessária para acionar o motor.

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Caso 2: (Um pouco mais de matemática aqui que eu não expliquei acima) Voltando à lei de Lorentz, vemos o seguinte:

$$\tau = 2 \cdot F \cdot r = 2 (I \cdot B \cdot N \cdot l) r$$

Assim sendo:

$$F = I \cdot B \cdot N \cdot l$$

Graças a Newton, temos:

$$F = m \cdot g$$

Tão...

$$\tau = 2 \cdot m \cdot g \cdot r$$

Se você mantiver o comprimento do fio o mesmo, mas aumentar seu medidor, a massa aumentará. Como pode ser visto acima, a massa é diretamente proporcional ao torque, assim como a força do campo magnético, pelo que o mesmo resultado se aplica.

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$r$

Começando a ver um padrão aqui?

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$N$

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Em geral

Se não for óbvio até agora, torque e velocidade são inversamente proporcionais :

Há uma compensação a ser feita em termos de entrada de potência no motor (tensão e corrente) e saída de potência do motor (torque e velocidade):

$$V \cdot I = \tau \cdot \omega$$

Se você deseja manter a tensão constante, você só pode aumentar a corrente. O aumento da corrente aumentará apenas o torque (e a potência total fornecida ao sistema):

$$\tau = K_t \cdot I$$

Para aumentar a velocidade, você precisa aumentar a tensão:

$$\omega = \dfrac{V}{K_e}$$

Se você quiser manter a potência de entrada constante, precisará modificar um dos parâmetros físicos do motor para alterar as constantes do motor.

$P$$I$$E$

$P = IE$

A energia é medida em watts e é a taxa de uso de energia. A energia é medida em joules e um watt é definido de forma conveniente como um joule por segundo.

$F$$d$

$W = Fd$

Você perguntou sobre o aumento de torque e RPM . O torque é apenas uma força de rotação e o RPM é apenas uma velocidade de rotação. Portanto, a definição de trabalho é metade do que você pediu (possui torque), e velocidade e distância estão obviamente relacionadas. Parece que estamos realmente perto. Você não quer apenas trabalhar mais com o seu motor, mas também trabalhar mais rápido . Você quer aumentar a força e a velocidade, não a força e a distância. Existe um termo físico para isso em um sistema mecânico?

Sim! Também é chamado de poder . Em um sistema mecânico, a potência é o produto da força e da velocidade:

$P = Fv$

Ou, para usar os termos equivalentes para um sistema rotacional, potência é o produto do torque e da velocidade angular :

$P = \tau \omega$

Isto é exatamente o que você pediu. Você quer que o motor aplique mais torque e gire mais rápido. Você quer aumentar o poder. Você quer usar energia mais rapidamente.

A lei de conservação de energia nos diz que, se queremos aumentar a potência mecânica, também temos que aumentar a energia elétrica. Afinal, não podemos fazer o motor girar com magia. Se a energia elétrica for o produto da tensão e da corrente, o aumento da tensão ou da corrente, se a outra for mantida constante, aumentará a energia elétrica.

Quando você altera a força dos ímãs, ou adiciona ou remove fios de fio, não pode aumentar a potência. Você pode , no entanto, a tensão de comércio para a corrente, ou corrente para a tensão, assim como uma transmissão mecânica pode negociar RPM e torque. A lei de Lenz e outras leis da indução eletromagnética explicam por que isso é verdade, mas elas não são realmente necessárias para responder à sua pergunta, se você simplesmente aceita a lei da conservação de energia.

Diante de tudo isso, sua pergunta foi "Como melhorar o torque e a rotação de um motor de corrente contínua". Você pode melhorá-lo dando mais energia ou torná-lo mais eficiente. Algumas fontes de perda são:

• atrito nos rolamentos
• resistência nos enrolamentos
• resistência magnética nos núcleos do enrolamento
• radiação eletromagnética de comutadores
• perdas nos fios, bateria, transistores e outras coisas que fornecem energia elétrica ao motor

Tudo isso serve para tornar o motor menos que um conversor 100% eficiente de energia elétrica e mecânica. Reduzir qualquer um deles geralmente aumenta algo indesejável, geralmente custo ou tamanho.

Um pensamento interessante: é por isso que os carros híbridos elétricos podem obter melhor quilometragem na cidade. Parar em um sinal vermelho converte toda a energia do seu carro em movimento em calor nas pastilhas dos freios, o que não é útil. Como um motor é um conversor entre energia elétrica e mecânica, um carro híbrido pode converter essa energia não em calor, mas em energia elétrica, armazena-a em uma bateria e depois converte-a novamente em energia mecânica quando a luz está verde. Para ler mais, tente Como implementar a frenagem regenerativa de um motor CC?

Embora você tenha recebido respostas muito boas e detalhadas, gostaria de oferecer uma resposta muito simples, utilizando as fórmulas já apresentadas:

$$\tau = 2.B.N.l.r.I$$ Esta fórmula mostra claramente que o torque é diretamente proporcional à força do campo magnético, ao número de voltas, ao comprimento do loop, ao raio da armadura e à corrente nos fios. Assim, como qualquer uma dessas variáveis aumenta ou diminui, o mesmo ocorre com o torque .

A outra fórmula,

$$\omega = V/2.B.N.l.r.I$$ mostra claramente que o RPM é inversamente proporcional às mesmas variáveis. Portanto, à medida que aumentam, o RPM diminui e vice-versa .

Se você aumentar a bitola do fio, aumenta a corrente (I) e, portanto, o torque. Se você também diminuir o número de voltas, diminuirá o torque. Se o torque total aumenta ou diminui, depende de qual efeito é maior.