Ηλεκτροκινητήρες και γεννήτριες

κινητήρες συνεχούς ρεύματος

• * Ένας αριθμός διαφορετικών nmemonics χρησιμοποιούνται για να θυμόμαστε την κατεύθυνση της δύναμης.Κάποιοι χρησιμοποιούν το δεξί χέρι, κάποιοι το αριστερό.Για φοιτητές που γνωρίζουνδιανυσματικό πολλαπλασιασμό, είναι εύκολο να χρησιμοποιήσετε τη δύναμη Lorentz απευθείας:φά= qvΧσι, από πούφά= θdLΧσι.Αυτή είναι η προέλευση του διαγράμματος που φαίνεται εδώ.

• Σε όλη τη διάρκεια, χρησιμοποιούμε μπλε για τον Βόρειο πόλο και κόκκινο για τον Νότο.Αυτό είναι απλώς μια σύμβαση για να γίνει σαφής ο προσανατολισμός: δεν υπάρχει διαφορά στο υλικό σε κανένα άκρο του μαγνήτη και συνήθως δεν είναι βαμμένα με διαφορετικό χρώμα.

Σημειώστε την επίδραση τουβούρτσεςστοσπαστό δαχτυλίδι.Όταν το επίπεδο του περιστρεφόμενου πηνίου φτάσει σε οριζόντια θέση, οι βούρτσες θα σπάσουν την επαφή (δεν χάνονται πολλά, γιατί ούτως ή άλλως αυτό είναι το σημείο μηδενικής ροπής – οι δυνάμεις δρουν προς τα μέσα).Η γωνιακή ορμή του πηνίου το μεταφέρει πέρα ​​από αυτό το σημείο θραύσης και το ρεύμα στη συνέχεια ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση, γεγονός που αντιστρέφει το μαγνητικό δίπολο.Έτσι, αφού περάσει το σημείο θραύσης, ο ρότορας συνεχίζει να περιστρέφεται αριστερόστροφα και αρχίζει να ευθυγραμμίζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση.Στο επόμενο κείμενο, θα χρησιμοποιήσω σε μεγάλο βαθμό την εικόνα «ροπή σε μαγνήτη», αλλά θα πρέπει να γνωρίζετε ότι η χρήση βουρτσών ή εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να προκαλέσει την εναλλαγή θέσης των πόλων του εν λόγω ηλεκτρομαγνήτη όταν το ρεύμα αλλάζει κατεύθυνση.

Η ροπή που παράγεται σε έναν κύκλο ποικίλλει ανάλογα με τον κατακόρυφο διαχωρισμό των δύο δυνάμεων.Επομένως, εξαρτάται από το ημίτονο της γωνίας μεταξύ του άξονα του πηνίου και του πεδίου.Ωστόσο, λόγω του split ring, είναι πάντα με την ίδια έννοια.Το παρακάτω κινούμενο σχέδιο δείχνει τη διακύμανσή του στο χρόνο και μπορείτε να το σταματήσετε σε οποιοδήποτε στάδιο και να ελέγξετε την κατεύθυνση εφαρμόζοντας τον κανόνα του δεξιού χεριού.
 

Κινητήρες και γεννήτριες

Εάν χρησιμοποιείτε μηχανική ενέργεια για να περιστρέψετε το πηνίο (Ν στροφές, περιοχή Α) με ομοιόμορφη γωνιακή ταχύτητα ω στο μαγνητικό πεδίοσι, θα παράγει ένα ημιτονοειδές emf στο πηνίο.emf (μια emf ή ηλεκτροκινητική δύναμη είναι σχεδόν το ίδιο πράγμα με μια τάση).Έστω θ η γωνία μεταξύσικαι η κανονική προς το πηνίο, άρα η μαγνητική ροή φ είναι NAB.cos θ.Ο νόμος του Faraday δίνει:

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

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Εναλλάκτης

Στο επόμενο κινούμενο σχέδιο, οι δύο βούρτσες έρχονται σε επαφή με δύο συνεχείς δακτυλίους, έτσι οι δύο εξωτερικοί ακροδέκτες συνδέονται πάντα με τα ίδια άκρα του πηνίου.Το αποτέλεσμα είναι το μη διορθωμένο, ημιτονοειδές emf που δίνεται από το NBAω sin ωt, το οποίο εμφανίζεται στο επόμενο animation.

Πίσω εμφ

Να λοιπόν ένα ενδιαφέρον συμπέρασμα.Κάθε κινητήρας είναι μια γεννήτρια.Αυτό ισχύει, κατά μία έννοια, ακόμη και όταν λειτουργεί ως κινητήρας.Το emf που παράγει ένας κινητήρας ονομάζεταιπίσω εμφ.Το πίσω emf αυξάνεται με την ταχύτητα, λόγω του νόμου του Faraday.Έτσι, εάν ο κινητήρας δεν έχει φορτίο, γυρίζει πολύ γρήγορα και επιταχύνει έως ότου το πίσω EMF, συν την πτώση τάσης λόγω απωλειών, ισούται με την τάση τροφοδοσίας.Το πίσω EMF μπορεί να θεωρηθεί ως «ρυθμιστής»: σταματάει τον κινητήρα να περιστρέφεται απείρως γρήγορα (εξοικονομώντας έτσι τους φυσικούς από κάποια αμηχανία).Όταν ο κινητήρας είναι φορτωμένος, τότε η φάση της τάσης πλησιάζει περισσότερο σε αυτή του ρεύματος (αρχίζει να φαίνεται ωμική) και αυτή η φαινομενική αντίσταση δίνει μια τάση.Έτσι, το πίσω emf που απαιτείται είναι μικρότερο και ο κινητήρας περιστρέφεται πιο αργά.(Για να προσθέσετε το πίσω emf, το οποίο είναι επαγωγικό, στο εξάρτημα αντίστασης, πρέπει να προσθέσετε τάσεις που είναι εκτός φάσης. Βλ.Κυκλώματα AC.)

Τα πηνία έχουν συνήθως πυρήνες

Στην πράξη, (και σε αντίθεση με τα διαγράμματα που έχουμε σχεδιάσει), οι γεννήτριες και οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος έχουν συχνά έναν πυρήνα υψηλής διαπερατότητας μέσα στο πηνίο, έτσι ώστε να παράγονται μεγάλα μαγνητικά πεδία από μέτρια ρεύματα.Αυτό φαίνεται στα αριστερά στο παρακάτω σχήμα στο οποίο τοστάτορες(οι μαγνήτες που είναι σταθεροί) είναι μόνιμοι μαγνήτες.

Κινητήρες «Universal».

Οι μαγνήτες του στάτη, επίσης, θα μπορούσαν να κατασκευαστούν ως ηλεκτρομαγνήτες, όπως φαίνεται παραπάνω δεξιά.Οι δύο στάτορες τυλίγονται προς την ίδια κατεύθυνση έτσι ώστε να δώσουν ένα πεδίο στην ίδια κατεύθυνση και ο ρότορας έχει ένα πεδίο που αντιστρέφεται δύο φορές ανά κύκλο επειδή συνδέεται με βούρτσες, οι οποίες παραλείπονται εδώ.Ένα πλεονέκτημα του τυλιγμένου στάτη σε έναν κινητήρα είναι ότι μπορεί κανείς να φτιάξει έναν κινητήρα που λειτουργεί με εναλλασσόμενο ρεύμα ή συνεχές ρεύμα, το λεγόμενοκινητήρας γενικής χρήσης.Όταν οδηγείτε έναν τέτοιο κινητήρα με εναλλασσόμενο ρεύμα, το ρεύμα στο πηνίο αλλάζει δύο φορές σε κάθε κύκλο (επιπλέον των αλλαγών από τις βούρτσες), αλλά η πολικότητα των στάτη αλλάζει ταυτόχρονα, επομένως αυτές οι αλλαγές ακυρώνονται.(Δυστυχώς, ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν βούρτσες, παρόλο που τις έχω κρύψει σε αυτό το σκίτσο.) Για τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του μόνιμου μαγνήτη έναντι των περιτυλιγμένων στάτορων, βλ.παρακάτω.Δείτε επίσηςπερισσότερα για κινητήρες γενικής χρήσης.

Κατασκευάστε έναν απλό κινητήρα

Φτιάξτε το πηνίο από άκαμπτο χάλκινο σύρμα, ώστε να μην χρειάζεται εξωτερική υποστήριξη.Άνεμος 5 έως 20 στροφές σε κύκλο με διάμετρο περίπου 20 mm και τα δύο άκρα να δείχνουν ακτινικά προς τα έξω σε αντίθετες κατευθύνσεις.Αυτά τα άκρα θα είναι τόσο ο άξονας όσο και οι επαφές.Εάν το σύρμα έχει λάκα ή πλαστική μόνωση, αφαιρέστε το στα άκρα.

κινητήρες AC

Το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνετε σε έναν κινητήρα AC είναι να δημιουργήσετε ένα περιστρεφόμενο πεδίο.Το «συνηθισμένο» AC από μια υποδοχή 2 ή 3 ακίδων είναι μονοφασικό AC -- έχει μια ενιαία ημιτονοειδή διαφορά δυναμικού που παράγεται μόνο μεταξύ δύο καλωδίων -- του ενεργού και του ουδέτερου.(Σημειώστε ότι το καλώδιο γείωσης δεν μεταφέρει ρεύμα εκτός από την περίπτωση ηλεκτρικών βλαβών.) Με μονοφασικό AC, μπορεί κανείς να παράγει ένα περιστρεφόμενο πεδίο δημιουργώντας δύο ρεύματα εκτός φάσης χρησιμοποιώντας για παράδειγμα έναν πυκνωτή.Στο παράδειγμα που φαίνεται, τα δύο ρεύματα είναι 90° εκτός φάσης, επομένως η κατακόρυφη συνιστώσα του μαγνητικού πεδίου είναι ημιτονοειδής, ενώ η οριζόντια είναι ομοιοειδής, όπως φαίνεται.Αυτό δίνει ένα πεδίο που περιστρέφεται αριστερόστροφα.

(* Μου ζητήθηκε να το εξηγήσω αυτό: από απλόΘεωρία AC, ούτε τα πηνία ούτε οι πυκνωτές έχουν την τάση σε φάση με το ρεύμα.Σε έναν πυκνωτή, η τάση είναι μέγιστη όταν το φορτίο έχει τελειώσει να ρέει στον πυκνωτή και πρόκειται να αρχίσει να ρέει.Έτσι η τάση βρίσκεται πίσω από το ρεύμα.Σε ένα καθαρά επαγωγικό πηνίο, η πτώση τάσης είναι μεγαλύτερη όταν το ρεύμα αλλάζει ταχύτερα, το οποίο είναι επίσης όταν το ρεύμα είναι μηδέν.Η τάση (πτώση) είναι μπροστά από το ρεύμα.Στα πηνία κινητήρα, η γωνία φάσης είναι μάλλον μικρότερη από 90¡, επειδή η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια.)

Σε αυτό το κινούμενο σχέδιο, τα γραφήματα δείχνουν τη χρονική διακύμανση των ρευμάτων στα κάθετα και οριζόντια πηνία.Η γραφική παράσταση των συστατικών του πεδίου Β_Χκαι Β_yδείχνει ότι το διανυσματικό άθροισμα αυτών των δύο πεδίων είναι ένα περιστρεφόμενο πεδίο.Η κύρια εικόνα δείχνει το περιστρεφόμενο πεδίο.Δείχνει επίσης την πολικότητα των μαγνητών: όπως παραπάνω, το μπλε αντιπροσωπεύει έναν βόρειο πόλο και το κόκκινο ένα νότιο πόλο.

Εάν βάλουμε έναν μόνιμο μαγνήτη σε αυτή την περιοχή του περιστρεφόμενου πεδίου ή αν βάλουμε ένα πηνίο του οποίου το ρεύμα τρέχει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση, τότε αυτό γίνεταισύγχρονος κινητήρας.Κάτω από ένα ευρύ φάσμα συνθηκών, ο κινητήρας θα περιστρέφεται με την ταχύτητα του μαγνητικού πεδίου.Εάν έχουμε πολλούς στάτορες, αντί για τα δύο μόνο ζεύγη που φαίνονται εδώ, τότε θα μπορούσαμε να το θεωρήσουμε ως βηματικό κινητήρα: κάθε παλμός μετακινεί τον ρότορα στο επόμενο ζεύγος ενεργοποιημένων πόλων.Θυμηθείτε την προειδοποίησή μου σχετικά με την εξιδανικευμένη γεωμετρία: οι πραγματικοί βηματικοί κινητήρες έχουν δεκάδες πόλους και αρκετά περίπλοκες γεωμετρίες!

Κινητήρες επαγωγής

Το κινούμενο σχέδιο στα δεξιά αντιπροσωπεύει ένακινητήρας κλουβιού σκίουρου.Το κλουβί του σκίουρου έχει (σε ​​αυτή την απλοποιημένη γεωμετρία, ούτως ή άλλως!) δύο κυκλικούς αγωγούς που ενώνονται με πολλές ευθείες ράβδους.Οποιεσδήποτε δύο ράβδοι και τα τόξα που τις ενώνουν σχηματίζουν ένα πηνίο – όπως υποδεικνύεται από τις μπλε παύλες στο κινούμενο σχέδιο.(Μόνο δύο από τα πολλά πιθανά κυκλώματα έχουν παρουσιαστεί, για λόγους απλότητας.)

Αυτό το σχηματικό δείχνει γιατί θα μπορούσαν να ονομαστούν κινητήρες σκίουρου κλουβιού.Η πραγματικότητα είναι διαφορετική: για φωτογραφίες και περισσότερες λεπτομέρειες, βλΚινητήρες επαγωγής.Το πρόβλημα με τους κινητήρες του κλωβού επαγωγής και του σκίουρου που εμφανίζονται σε αυτό το κινούμενο σχέδιο είναι ότι οι πυκνωτές υψηλής αξίας και υψηλής τάσης είναι ακριβοί.Μια λύση είναι ο κινητήρας «σκιασμένου πόλου», αλλά το περιστρεφόμενο πεδίο του έχει κάποιες κατευθύνσεις όπου η ροπή είναι μικρή και έχει την τάση να κινείται προς τα πίσω υπό ορισμένες συνθήκες.Ο καλύτερος τρόπος για να αποφευχθεί αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε κινητήρες πολλαπλών φάσεων.

Τριφασικοί κινητήρες AC επαγωγής

Αν κάποιος βάλει έναν μόνιμο μαγνήτη σε ένα τέτοιο σύνολο στάτορων, γίνεται ασύγχρονος τριφασικός κινητήρας.Το κινούμενο σχέδιο δείχνει ένα κλουβί σκίουρου, στο οποίο για λόγους απλότητας εμφανίζεται μόνο ένας από τους πολλούς βρόχους επαγόμενου ρεύματος.Χωρίς μηχανικό φορτίο, περιστρέφεται ουσιαστικά σε φάση με το περιστρεφόμενο πεδίο.Ο ρότορας δεν χρειάζεται να είναι κλωβός σκίουρου: στην πραγματικότητα, οποιοσδήποτε αγωγός που θα μεταφέρει δινορεύματα θα περιστρέφεται, τείνοντας να ακολουθεί το περιστρεφόμενο πεδίο.Αυτή η ρύθμιση μπορεί να δώσει έναεπαγωγικός κινητήραςικανό για υψηλή απόδοση, υψηλή ισχύ και υψηλές ροπές σε ένα εύρος ρυθμών περιστροφής.

Γραμμικοί κινητήρες