Elektromotoren und Generatoren

Gleichstrommotoren

• * Eine Reihe verschiedener Nememoniken werden verwendet, um sich an die Richtung der Kraft zu erinnern.Manche benutzen die rechte Hand, manche die linke.Für Studenten, die es wissenVektormultiplikation, ist es einfach, die Lorentzkraft direkt zu verwenden:F= qvXB, woherF= ichdlXB.Das ist der Ursprung des hier gezeigten Diagramms.

• Durchgehend verwenden wir Blau für den Nordpol und Rot für den Süden.Dies ist nur eine Konvention, um die Orientierung klar zu machen: Es gibt keinen Unterschied im Material an beiden Enden des Magneten, und sie sind normalerweise nicht in einer anderen Farbe lackiert.

Beachten Sie die Wirkung derBürstenauf derSpaltring.Wenn die Ebene der rotierenden Spule die Horizontale erreicht, lösen die Bürsten den Kontakt (es geht nicht viel verloren, da dies sowieso der Punkt des Nulldrehmoments ist – die Kräfte wirken nach innen).Der Drehimpuls der Spule trägt sie an diesem Knickpunkt vorbei und der Strom fließt dann in die entgegengesetzte Richtung, wodurch sich der magnetische Dipol umkehrt.Nach dem Passieren des Knickpunkts dreht sich der Rotor also weiter gegen den Uhrzeigersinn und beginnt sich in die entgegengesetzte Richtung auszurichten.Im folgenden Text werde ich weitgehend das Bild „Drehmoment auf einen Magneten“ verwenden, aber beachten Sie, dass die Verwendung von Bürsten oder Wechselstrom dazu führen kann, dass die Pole des betreffenden Elektromagneten ihre Position vertauschen, wenn der Strom die Richtung ändert.

Das über einen Zyklus erzeugte Drehmoment variiert mit der vertikalen Trennung der beiden Kräfte.Sie hängt also vom Sinus des Winkels zwischen Spulenachse und Feld ab.Aufgrund des geteilten Rings ist es jedoch immer im gleichen Sinne.Die folgende Animation zeigt die zeitliche Variation, und Sie können sie jederzeit anhalten und die Richtung überprüfen, indem Sie die Regel für die rechte Hand anwenden.
 

Motoren und Generatoren

Wendet man mechanische Energie an, um die Spule (N Windungen, Fläche A) mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit ω im Magnetfeld zu drehenB, erzeugt es eine sinusförmige EMK in der Spule.EMK (eine EMK oder elektromotorische Kraft ist fast dasselbe wie eine Spannung).Sei θ der Winkel zwischenBund die Normale zur Spule, also ist der magnetische Fluss φ gleich NAB.cos θ.Das Faradaysche Gesetz gibt:

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

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Eine Lichtmaschine

In der nächsten Animation kontaktieren die beiden Bürsten zwei durchgehende Ringe, sodass die beiden externen Anschlüsse immer mit denselben Enden der Spule verbunden sind.Das Ergebnis ist die nicht gleichgerichtete, sinusförmige EMK gegeben durch NBAω sin ωt, die in der nächsten Animation gezeigt wird.

Gegen-EMK

Hier also eine interessante Folge.Jeder Motor ist ein Generator.Dies gilt gewissermaßen auch dann, wenn es als Motor fungiert.Die EMK, die ein Motor erzeugt, wird als EMK bezeichnetGegen-EMK.Die Gegen-EMK nimmt aufgrund des Faradayschen Gesetzes mit der Geschwindigkeit zu.Wenn der Motor also keine Last hat, dreht er sich sehr schnell und beschleunigt, bis die Gegen-EMK plus der Spannungsabfall aufgrund von Verlusten gleich der Versorgungsspannung ist.Die Gegen-EMK kann man sich als „Regler“ vorstellen: Sie hält den Motor an, sich unendlich schnell zu drehen (wodurch den Physikern einige Verlegenheit erspart wird).Wenn der Motor belastet wird, nähert sich die Phase der Spannung der des Stroms (sie beginnt, resistiv auszusehen), und dieser scheinbare Widerstand ergibt eine Spannung.Die erforderliche Gegen-EMK ist also kleiner und der Motor dreht langsamer.(Um die induktive Gegen-EMK zur Widerstandskomponente hinzuzufügen, müssen Sie Spannungen hinzufügen, die phasenverschoben sind. SieheWechselstromkreise.)

Spulen haben normalerweise Kerne

In der Praxis haben Generatoren und Gleichstrommotoren (und im Gegensatz zu den von uns gezeichneten Diagrammen) oft einen Kern mit hoher Permeabilität in der Spule, so dass große Magnetfelder durch mäßige Ströme erzeugt werden.Dies ist links in der Abbildung unten dargestellt, in der dieStatoren(die stationären Magnete) sind Permanentmagnete.

„Universal“-Motoren

Auch die Statormagnete könnten als Elektromagnete ausgeführt werden, wie oben rechts gezeigt.Die beiden Statoren sind in der gleichen Richtung gewickelt, um ein Feld in der gleichen Richtung zu ergeben, und der Rotor hat ein Feld, das sich zweimal pro Zyklus umkehrt, weil er mit Bürsten verbunden ist, die hier weggelassen sind.Ein Vorteil von gewickelten Statoren in einem Motor besteht darin, dass man einen Motor herstellen kann, der mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben wird, einem so genannten StatorUniversalmotor.Wenn Sie einen solchen Motor mit Wechselstrom antreiben, ändert sich der Strom in der Spule zweimal in jedem Zyklus (zusätzlich zu Änderungen von den Bürsten), aber gleichzeitig ändert sich die Polarität der Statoren, sodass sich diese Änderungen aufheben.(Leider gibt es aber immer noch Bürsten, obwohl ich sie in dieser Skizze versteckt habe.) Zu Vor- und Nachteilen von Permanentmagneten gegenüber gewickelten Statoren sieheunter.Siehe auchmehr zu Universalmotoren.

Baue einen einfachen Motor

Machen Sie die Spule aus steifem Kupferdraht, damit sie keine externe Unterstützung benötigt.Wickeln Sie 5 bis 20 Windungen in einem Kreis von etwa 20 mm Durchmesser und lassen Sie die beiden Enden in entgegengesetzte Richtungen radial nach außen zeigen.Diese Enden sind sowohl die Achse als auch die Kontakte.Wenn der Draht eine Lack- oder Kunststoffisolierung hat, entfernen Sie diese an den Enden.

Wechselstrommotoren

Das erste, was in einem Wechselstrommotor zu tun ist, ist ein Drehfeld zu erzeugen."Normaler" Wechselstrom aus einer 2- oder 3-poligen Steckdose ist einphasiger Wechselstrom - er hat eine einzige sinusförmige Potentialdifferenz, die nur zwischen zwei Drähten erzeugt wird - dem aktiven und dem neutralen.(Beachten Sie, dass das Erdungskabel keinen Strom führt, außer bei elektrischen Fehlern.) Mit einphasigem Wechselstrom kann man ein rotierendes Feld erzeugen, indem man zwei Ströme erzeugt, die phasenverschoben sind, z. B. mit einem Kondensator.In dem gezeigten Beispiel sind die beiden Ströme um 90° phasenverschoben, sodass die vertikale Komponente des Magnetfelds sinusförmig ist, während die horizontale wie gezeigt kosusförmig ist.Dies ergibt ein Feld, das sich gegen den Uhrzeigersinn dreht.

(* Ich wurde gebeten, dies zu erklären: von simpleAC-Theorie, weder Spulen noch Kondensatoren haben die Spannung in Phase mit dem Strom.In einem Kondensator ist die Spannung maximal, wenn die Ladung auf den Kondensator geflossen ist und kurz davor steht abzufließen.Die Spannung liegt also hinter dem Strom.Bei einer rein induktiven Spule ist der Spannungsabfall am größten, wenn sich der Strom am schnellsten ändert, also auch dann, wenn der Strom Null ist.Die Spannung (Abfall) ist dem Strom voraus.Bei Motorspulen ist der Phasenwinkel eher kleiner als 90°, weil elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.)

In dieser Animation zeigen die Diagramme den zeitlichen Verlauf der Ströme in den vertikalen und horizontalen Spulen.Der Plot der Feldkomponenten B_xund B_jzeigt, dass die Vektorsumme dieser beiden Felder ein Drehfeld ist.Das Hauptbild zeigt das Drehfeld.Es zeigt auch die Polarität der Magnete: Wie oben steht Blau für einen Nordpol und Rot für einen Südpol.

Bringen wir in diesen Drehfeldbereich einen Dauermagneten oder eine Spule, deren Strom immer in die gleiche Richtung fließt, dann wird daraus aSynchronmotor.Unter einer Vielzahl von Bedingungen dreht sich der Motor mit der Geschwindigkeit des Magnetfelds.Wenn wir viele Statoren haben, anstatt nur die zwei hier gezeigten Paare, dann könnten wir es als Schrittmotor betrachten: Jeder Impuls bewegt den Rotor zum nächsten Paar aktivierter Pole.Bitte denken Sie an meine Warnung vor der idealisierten Geometrie: Echte Schrittmotoren haben Dutzende von Polen und ziemlich komplizierte Geometrien!

Induktionsmotoren

Die Animation rechts stellt a darKäfigläufermotor.Der Käfigläufer hat (zumindest in dieser vereinfachten Geometrie!) zwei kreisförmige Leiter, die durch mehrere gerade Stäbe verbunden sind.Zwei beliebige Balken und die sie verbindenden Bögen bilden eine Spule – wie durch die blauen Striche in der Animation angedeutet.(Der Einfachheit halber wurden nur zwei der vielen möglichen Schaltungen gezeigt.)

Dieses Schema legt nahe, warum sie Käfigläufermotoren genannt werden könnten.Die Realität sieht anders aus: Fotos und weitere Details finden Sie unterInduktionsmotoren.Das Problem mit den in dieser Animation gezeigten Induktions- und Käfigläufermotoren besteht darin, dass Kondensatoren mit hohem Wert und hoher Nennspannung teuer sind.Eine Lösung ist der „Spaltpol“-Motor, aber sein Drehfeld hat einige Richtungen, in denen das Drehmoment klein ist, und er neigt dazu, unter bestimmten Bedingungen rückwärts zu laufen.Der sauberste Weg, dies zu vermeiden, ist die Verwendung von Mehrphasenmotoren.

Drehstrom-Induktionsmotoren

Setzt man in einen solchen Statorsatz einen Permanentmagneten ein, wird daraus einsynchroner Drehstrommotor.Die Animation zeigt einen Käfigläufer, bei dem der Einfachheit halber nur eine der vielen induzierten Stromschleifen dargestellt ist.Ohne mechanische Belastung dreht er nahezu phasengleich mit dem Drehfeld.Der Rotor muss kein Käfigläufer sein: Tatsächlich dreht sich jeder Leiter, der Wirbelströme führt, und neigt dazu, dem rotierenden Feld zu folgen.Diese Anordnung kann eineInduktionsmotorgeeignet für hohe Effizienz, hohe Leistung und hohe Drehmomente über einen Bereich von Drehzahlen.

Linearmotoren