Elektromotoren en generatoren

DC-motoren

• * Een aantal verschillende nmemonics worden gebruikt om de richting van de kracht te onthouden.Sommigen gebruiken de rechterhand, anderen de linker.Voor studenten die het wetenvectorvermenigvuldiging, is het gemakkelijk om de Lorentzkracht direct te gebruiken:F= qvXB, vanwaarF= ikdLXB.Dat is de oorsprong van het hier getoonde diagram.

• Overal gebruiken we blauw voor de noordpool en rood voor het zuiden.Dit is slechts een afspraak om de oriëntatie duidelijk te maken: er is geen verschil in het materiaal aan beide uiteinden van de magneet en ze zijn meestal niet in een andere kleur geverfd.

Let op het effect van deborstelsop degesplitste ring.Wanneer het vlak van de roterende spoel horizontaal komt, zullen de borstels het contact verbreken (er gaat niet veel verloren, want dit is sowieso het punt van nulkoppel – de krachten werken naar binnen).Het impulsmoment van de spoel voert hem voorbij dit breekpunt en de stroom vloeit dan in de tegenovergestelde richting, waardoor de magnetische dipool wordt omgekeerd.Dus na het passeren van het breekpunt blijft de rotor tegen de klok in draaien en begint hij in de tegenovergestelde richting uit te lijnen.In de volgende tekst zal ik grotendeels het 'koppel op een magneet'-plaatje gebruiken, maar houd er rekening mee dat het gebruik van borstels of wisselstroom ervoor kan zorgen dat de polen van de betreffende elektromagneet van positie wisselen als de stroom van richting verandert.

Het koppel dat gedurende een cyclus wordt gegenereerd, varieert met de verticale scheiding van de twee krachten.Het hangt dus af van de sinus van de hoek tussen de as van de spoel en het veld.Door de splitring is het echter altijd in dezelfde zin.De onderstaande animatie toont de variatie in de tijd en u kunt deze op elk moment stoppen en de richting controleren door de rechterhandregel toe te passen.
 

Motoren en generatoren

Als je mechanische energie gebruikt om de spoel te laten draaien (N windingen, gebied A) met een uniforme hoeksnelheid ω in het magnetische veldB, zal het een sinusvormige emf in de spoel produceren.emf (een emf of elektromotorische kracht is bijna hetzelfde als een spanning).Laat θ de hoek tussen zijnBen de normaal op de spoel, dus de magnetische flux φ is NAB.cos θ.De wet van Faraday geeft:

• emf = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Een dynamo

In de volgende animatie maken de twee borstels contact met twee doorlopende ringen, zodat de twee externe aansluitingen altijd met dezelfde uiteinden van de spoel zijn verbonden.Het resultaat is de niet-gerectificeerde, sinusvormige emf gegeven door NBAω sin ωt, die wordt getoond in de volgende animatie.

Terug emf

Dus hier is een interessant gevolg.Elke motor is een generator.Dit is in zekere zin waar, zelfs als het als een motor functioneert.De emf die een motor genereert, wordt de genoemdterug emf.De back-emf neemt toe met de snelheid, vanwege de wet van Faraday.Dus als de motor onbelast is, draait hij heel snel en versnelt hij totdat de back-emf, plus de spanningsval als gevolg van verliezen, gelijk is aan de voedingsspanning.De back-emf kan worden gezien als een 'regulator': het stopt de motor oneindig snel te draaien (waardoor natuurkundigen wat gêne worden bespaard).Wanneer de motor wordt belast, komt de fase van de spanning dichter bij die van de stroom (het begint er resistief uit te zien) en deze schijnbare weerstand geeft een spanning.De vereiste back-emf is dus kleiner en de motor draait langzamer.(Om de back-emf, die inductief is, toe te voegen aan de resistieve component, moet u spanningen toevoegen die uit fase zijn. ZieAC-circuits.)

Spoelen hebben meestal kernen

In de praktijk (en in tegenstelling tot de diagrammen die we hebben getekend) hebben generatoren en DC-motoren vaak een kern met hoge permeabiliteit in de spoel, zodat grote magnetische velden worden geproduceerd door bescheiden stromen.Dit is links weergegeven in onderstaande figuur waarin destatoren(de magneten die stationair zijn) zijn permanente magneten.

'Universele' motoren

Ook de statormagneten zouden als elektromagneten gemaakt kunnen worden, zoals rechtsboven te zien is.De twee stators zijn in dezelfde richting gewikkeld om een ​​veld in dezelfde richting te geven en de rotor heeft een veld dat tweemaal per cyclus omkeert omdat het is verbonden met borstels, die hier zijn weggelaten.Een voordeel van het hebben van gewikkelde stators in een motor is dat men een motor kan maken die op AC of DC draait, een zogenaamdeuniversele motor.Als je zo'n motor met wisselstroom aandrijft, verandert de stroom in de spoel twee keer in elke cyclus (naast veranderingen van de borstels), maar tegelijkertijd verandert de polariteit van de stators, dus deze veranderingen heffen zich op.(Helaas zijn er echter nog steeds borstels, ook al heb ik ze in deze schets verborgen.) Voor voor- en nadelen van permanente magneet versus gewikkelde stators, zieonderstaand.Zie ookmeer over universele motoren.

Bouw een eenvoudige motor

Maak de spoel van stug koperdraad, zodat hij geen externe ondersteuning nodig heeft.Wikkel 5 tot 20 slagen in een cirkel met een diameter van ongeveer 20 mm en laat de twee uiteinden radiaal naar buiten wijzen in tegengestelde richtingen.Deze uiteinden zijn zowel de as als de contacten.Als de draad lak of plastic isolatie heeft, verwijder deze dan aan de uiteinden.

AC-motoren

Het eerste dat u in een AC-motor moet doen, is een roterend veld creëren.'Gewone' wisselstroom van een 2- of 3-pins stopcontact is enkelfasige wisselstroom - er wordt een enkel sinusvormig potentiaalverschil gegenereerd tussen slechts twee draden - de actieve en neutrale.(Merk op dat de aarddraad geen stroom geleidt, behalve in het geval van elektrische storingen.) Met enkelfasige AC kan men een roterend veld opwekken door twee stromen op te wekken die uit fase zijn met behulp van bijvoorbeeld een condensator.In het getoonde voorbeeld zijn de twee stromen 90° uit fase, dus de verticale component van het magnetische veld is sinusvormig, terwijl de horizontale component cosusoïdaal is, zoals weergegeven.Dit geeft een veld dat tegen de klok in draait.

(* Er is mij gevraagd om dit uit te leggen: van simpelAC-theorie, noch spoelen noch condensatoren hebben de spanning in fase met de stroom.In een condensator is de spanning maximaal wanneer de lading op de condensator is gestroomd en op het punt staat af te vloeien.De spanning loopt dus achter op de stroom.In een puur inductieve spoel is de spanningsval het grootst wanneer de stroom het snelst verandert, dus ook wanneer de stroom nul is.De spanning (daling) loopt voor op de stroom.In motorspoelen is de fasehoek iets kleiner dan 90¡, omdat elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie.)

In deze animatie tonen de grafieken het verloop in de tijd van de stromingen in de verticale en horizontale spoelen.De plot van de veldcomponenten B_xen B_jlaat zien dat de vectorsom van deze twee velden een roterend veld is.De hoofdafbeelding toont het roterende veld.Het toont ook de polariteit van de magneten: zoals hierboven staat blauw voor een noordpool en rood voor een zuidpool.

Als we in dit gebied van het roterende veld een permanente magneet plaatsen, of als we een spoel plaatsen waarvan de stroom altijd in dezelfde richting loopt, dan wordt dit eensynchrone motor.Onder uiteenlopende omstandigheden zal de motor draaien met de snelheid van het magnetische veld.Als we veel stators hebben, in plaats van alleen de twee paren die hier worden getoond, dan zouden we het kunnen beschouwen als een stappenmotor: elke puls beweegt de rotor naar het volgende paar geactiveerde polen.Onthoud alstublieft mijn waarschuwing over de geïdealiseerde geometrie: echte stappenmotoren hebben tientallen polen en behoorlijk ingewikkelde geometrieën!

Inductie motoren

De animatie rechts vertegenwoordigt eeneekhoorn kooi motor.De eekhoornkooi heeft (in deze vereenvoudigde geometrie hoe dan ook!) twee ronde geleiders verbonden door verschillende rechte staven.Elke twee staven en de bogen die ze met elkaar verbinden vormen een spoel – zoals aangegeven door de blauwe streepjes in de animatie.(Voor de eenvoud zijn slechts twee van de vele mogelijke circuits weergegeven.)

Dit schema suggereert waarom ze eekhoornkooimotoren zouden kunnen worden genoemd.De werkelijkheid is anders: zie voor foto's en meer detailsInductie motoren.Het probleem met de inductie- en kooiankermotoren die in deze animatie worden getoond, is dat condensatoren met een hoge waarde en hoge spanning duur zijn.Een oplossing is de 'schaduwpool'-motor, maar het draaiveld heeft enkele richtingen waar het koppel klein is, en heeft de neiging om onder bepaalde omstandigheden achteruit te lopen.De handigste manier om dit te voorkomen, is door meerfasige motoren te gebruiken.

Driefasige AC-inductiemotoren

Als men een permanente magneet in zo'n stel stators plaatst, wordt het eensynchrone driefasige motor.De animatie toont een eekhoornkooi, waarin voor de eenvoud slechts één van de vele geïnduceerde stroomlussen is weergegeven.Zonder mechanische belasting draait hij vrijwel in fase met het draaiveld.De rotor hoeft geen eekhoornkooi te zijn: in feite zal elke geleider die wervelstromen zal geleiden, roteren en de neiging hebben om het roterende veld te volgen.Deze regeling kan eeninductiemotorin staat tot hoge efficiëntie, hoog vermogen en hoge koppels over een reeks rotatiesnelheden.

Lineaire motoren