Elektromotoren und Generatoren
Elektromotoren, Generatoren, Generatoren und Lautsprecher verwenden Animationen und Schemata erläutern.
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Das Drehmoment über einen Zyklus erzeugt wird, variiert mit der vertikalen Trennung der beiden Kräfte. Es hängt daher von der Sinus des Winkels zwischen der Achse der Spule und Feld. Da jedoch der Spaltring, es ist immer im gleichen Sinne. Die Animation zeigt ihre Variation in der Zeit, und Sie können es jederzeit abbrechen und die Richtung überprüfen, indem Sie die rechte Hand-Regel anzuwenden.
Motoren und Generatoren
Nun wird ein Gleichstrommotor ist auch ein DC-Generator. Werfen Sie einen Blick auf die nächste Animation. Die Spule, Spaltring, Bürsten und Magnet ist genau die gleiche Hardware wie der Motor oberhalb, aber die Spule gedreht wird, die eine EMK erzeugt.
Wenn Sie mechanische Energie verwenden, um die Spule (N dreht, Bereich A) in gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit ω in dem Magnetfeld B zu drehen, wird es eine sinus emf in der Spule zu erzeugen. emf (eine emf oder elektromotorische Kraft ist fast das gleiche wie eine Spannung). Lassen θ der Winkel zwischen B und der Normalen zu der Spule sein, so dass der magnetische Fluss φ ist NAB.cos θ. Faradayschen Gesetz gibt:-
emf = - d & phi; / dt = - (d / dt) (NBA cos θ)
ein Wechselstromgenerator
Wenn wir AC wollen, brauchen wir nicht recification, so dass wir nicht Spaltringe müssen. (Dies ist eine gute Nachricht, weil die Spaltringe Funken verursachen, Ozon, Funkstörungen und zusätzlichen Verschleiß. Wenn Sie DC wollen, ist es oft besser ist, einen Generator zu verwenden und mit Dioden zu korrigieren.)
Dies ist ein Wechselstromgenerator. Die Vorteile von AC-und DC-Generatoren werden in einem Abschnitt weiter unten verglichen. Wir haben oben gesehen, dass ein Gleichstrommotor ist auch ein DC-Generator. In ähnlicher Weise ist ein Generator auch ein Wechselstrommotor. Allerdings ist es ein ziemlich unflexibel ein. (Siehe Wie echte Elektromotoren für mehr Details arbeiten.)
Also hier ist eine interessante logische Folge. Jeder Motor ist ein Generator. Dies gilt in gewissem Sinne, auch wenn er als Motor fungiert. Die emf, die ein Motor erzeugt wird, der Gegen-EMK bezeichnet. Die Gegen-EMK steigt mit der Geschwindigkeit, weil der Faradayschen Gesetz. Also, wenn der Motor keine Last hat, stellt sich sehr schnell und beschleunigt, bis die Gegen-EMK-up, sowie der Spannungsabfall aufgrund von Verlusten, gleich der Versorgungsspannung. Die Gegen-EMK kann als ‚Regulator‘ gedacht werden: es stoppt den Motor drehen unendlich schnell (und spart somit Physiker einige Verlegenheit). Wenn der Motor geladen wird, dann ist die Phase der Spannung an, dass der Strom annähert (es beginnt resistive zu sehen) und diese scheinbare Widerstand ergibt eine Spannung. So ist das Gegen-EMK erforderlich ist kleiner, und der Motor dreht langsamer. (Um den Gegen-EMK hinzufügen, die induktiv ist, an die Widerstandskomponente, die Sie benötigen Spannungen hinzuzufügen, die außer Phase sind. Siehe Wechselstromkreise.)
Die Spulen haben in der Regel Kern
In der Praxis (und im Gegensatz zu den Diagrammen wir gezogen haben), Generatoren und Gleichstrommotoren haben oft eine hohe Permeabilität Kern innerhalb der Spule, so dass große Magnetfelder, die durch geringe Ströme erzeugt werden. Dies wird auf der linken Seite in der Figur unten gezeigt, in der die Statoren (die Magnete, die STAT-ionary sind) Permanentmagnete sind.
‚Universal‘ Motoren
Die Statormagneten könnten auch, wie Elektromagneten hergestellt werden, wie oben rechts dargestellt ist. Die beiden Statoren sind in der gleichen Richtung gewickelt, um ein Feld in der gleichen Richtung zu geben, und der Rotor hat ein Feld, das zweimal pro Zyklus umkehrt, weil es Bürste verbunden ist, die hier weggelassen. Ein Vorteil von Wund Statoren in einem Motor ist, dass man einen Motor machen, der auf AC oder DC läuft, ein so genannten Universalmotor. Wenn Sie fahren einen solchen Motor mit Wechselstrom, um den Strom in den Spulenwechsel zweimal in jedem Zyklus (zusätzlich zu den Änderungen von den Bürsten), aber die Polarität der Statoren Änderungen zur gleichen Zeit, so dass diese Änderungen aufheben. (Leider jedoch gibt es Bürsten noch, obwohl ich sie in dieser Skizze versteckt habe.) Für Vor- und Nachteile des Permanentmagneten gegenüber gewickelten Statoren, siehe unten. Siehe auch mehr über die Universalmotoren.
Erstellen Sie einen einfachen Motor
Um diesen einfachen, aber seltsam Motor zu bauen, müssen Sie zwei ziemlich starke Magnete (Seltenerdmagnete etwa 10 mm Durchmesser wären schön, als würde größere Stabmagnete), einiger steifer Kupferdraht (mindestens 50 cm), zwei Drähte mit Krokodilklemmen auf entweder Ende, eine sechs-Volt-Laterne-Batterie, zwei Getränkedosen, zwei Blöcke aus Holz, einige Klebebänder und ein scharfer Nagel.
Jetzt eine Batterie erhalten, und zwei Kabel mit Krokodilklemmen. Verbinden der beiden Anschlüsse der Batterie an die beiden Metallträger für die Spule, und es sollte drehen.
Beachten Sie, dass dieser Motor mindestens einen ‚toten Punkt‘ hat: Er hält oft an der Stelle, wo kein Drehmoment auf die Spule. Lassen Sie es nicht zu lange: es wird die Batterie schnell abflachen.
Eine alternative relisation des einfachen Motor, von James Taylor.
Ein noch einfacherer Motor (eine, die auch viel einfacher zu verstehen ist!) Ist der homöopolaren Motor.
Das erste, was in einem Wechselstrommotor zu tun ist, ein Drehfeld zu erzeugen. ‚Normaler‘ AC von einer 2-oder 3-poligen Steckdose ist einphasig AC - es hat eine einzige sinusförmigen Potentialdifferenz erzeugte zwischen nur zwei Drähten - die aktiven und neutral. (Beachten Sie, dass der Erdungsdraht trägt keinen Strom, außer im Fall von elektrischen Störungen.) Mit Einphasen-Wechselstrom, kann man ein Drehfeld erzeugen, um zwei Ströme zu erzeugen, die außer Phase sind, beispielsweise mit einem Kondensator. In dem dargestellten Beispiel sind die beiden Ströme 90 ° phasenverschoben, so dass die vertikale Komponente des Magnetfeldes ist sinusförmig, während die horizontale cosusoidal ist, wie dargestellt. Daraus ergibt sich ein Drehfeld gegen den Uhrzeigersinn.
(* Ich bin gebeten worden, dies zu erklären. Von einfacher AC Theorie weder Spulen noch Kondensatoren haben die Spannung in Phase mit dem Strom in einem Kondensator die Spannung ein Maximum, wenn die Ladung auf den Kondensator floss beendet hat, und bin. über abfließende zu starten. Somit ist die Spannung hinter dem Strom. In einer rein induktiven Spule, ist der Spannungsabfall am größten, wenn der Strom am schnellsten verändert, was auch ist, wenn der Strom Null ist. die Spannung (drop) ist vor der Strom ist. In Motorspulen ist der Phasenwinkel eher weniger als 90Ў, weil elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.)
In dieser Animation zeigen die Graphen, die die zeitliche Änderung der Ströme in den vertikalen und horizontalen Spulen. Die Handlung der Feldkomponenten Bx und By zeigt, daß die Vektorsumme dieser beiden Felder ist ein Drehfeld. Das Hauptbild zeigt das Drehfeld. Es zeigt auch die Polarität der Magnete: wie oben, blau einen Südpol einen Nordpol und rot darstellt.
Wenn wir einen Permanentmagneten in diesem Bereich der Drehfeld setzen, oder wenn wir in einer Spule, deren Strom immer in derselben Richtung läuft setzen, dann wird dies ein Synchronmotor. Unter einer Vielzahl von Bedingungen, schaltet sich der Motor mit der Drehzahl des Magnetfeldes. Wenn wir eine Menge von Statoren haben, anstatt nur die beiden Paare hier gezeigt, dann könnten wir es als Schrittmotor betrachten: jeder Impuls bewegt den Rotor auf das nächste Paar betätigt Pole. Bitte beachten Sie meine Warnung über die idealisierte Geometrie: real Schrittmotoren haben Dutzende von Polen und ziemlich komplizierten Geometrien!
Induktionsmotoren
Jetzt, da wir ein zeitlich veränderliches Magnetfeld haben, können wir die induzierte emf in einer Spule verwenden - oder auch nur die Wirbelströme in einem Leiter - zu dem Rotor eines Magneten zu machen. Das ist richtig, wenn Sie ein rotierendes Magnetfeld haben, können Sie nur in einem Leiter setzen und es stellt sich. Dies gibt einige der Vorteile von Induktionsmotoren. keine Bürsten oder Kommutierungsmittels einfache Herstellung, keinen Verschleiß, keine Funken, keine Ozonproduktion und keiner des Energieverlustes mit ihnen verbunden ist. Unten links ist ein Schema eines Induktionsmotors. (Für Fotos von echten Induktionsmotoren und weitere Details finden Sie Asynchronmotoren.)
Die Animation im rechten stellt einen Käfigläufermotor. Der Käfigläufer hat (in diesem vereinfachten Geometrie, jedenfalls!) Zwei kreisförmigen Leiter durch mehr gerade Stäbe verbunden ist. Je zwei Bars und die Bögen, die sie bilden eine Spule verbinden - wie durch die blauen Striche in der Animation angezeigt. (Es werden nur zwei der vielen möglichen Schaltungen der Einfachheit halber gezeigt worden.)
Dieses Schema legt nahe, warum könnten sie Käfigläufermotoren bezeichnet werden. Die Realität sieht anders aus: für Fotos und weitere Details, Induktionsmotoren sehen. Das Problem mit den Induktions und Käfigläufermotoren in dieser Animation gezeigt ist, dass die Kondensatoren von hohem Wert und Hochspannungs Bewertung teuer sind. Eine Lösung ist der ‚Spaltpolmotor‘ Motor, aber sein Drehfeld hat einige Richtungen, in denen das Drehmoment klein ist, und es hat eine Tendenz zu laufen rückwärts unter einigen Bedingungen. Der sauberste Weg, dies zu vermeiden ist es, mehrere Strommotoren zu verwenden.
Dreiphasen-Wechselstrom-Induktionsmotoren
Wenn man einen Permanentmagneten in einer solchen Reihe von Statoren setzt, wird es ein synchroner Dreiphasenmotor. Die Animation zeigt einen Käfigläufer, bei dem der Einfachheit halber nur eine der vielen induzierten Stromschleifen gezeigt. Ohne mechanische Belastung, dreht es nahezu in Phase mit dem Drehfeld. Der Rotor braucht keinen squirrel cage zu sein: in der Tat jeder Leiter, die Wirbelströme tragen dreht, dazu neigte, das Rotationsfeld zu folgen. Diese Anordnung kann ein Induktionsmotor, der einen hohen Wirkungsgrad, hohe Leistung und hohe Drehmomente über einen Bereich von Rotationsgeschwindigkeiten ergeben.
Linearmotoren
Eine Reihe von Spulen kann verwendet werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, die, anstatt dreht übersetzt. Das Paar von Spulen, die in der Animation unter gepulst auf, von links nach rechts, so dass der Bereich des Magnetfeldes bewegt sich von links nach rechts. Ein permanenter oder Elektro neigt dazu, das Feld zu folgen. So wäre eine einfache Platte aus leitendem Material, da die Wirbelströme in ihm induziert (nicht gezeigt) einen Elektromagneten. Alternativ könnten wir sagen, dass, von den Faradayschen Gesetz, ein emf in der Metallplatte immer induziert wird, um jede Änderung des magnetischen Flusses zu widersetzen, und die Kräfte, die auf den von dieser emf angetrieben Strömen halten den Fluss in der Platte nahezu konstant. (Wirbelströme nicht in dieser Animation gezeigt.)
Einige Anmerkungen zu AC und DC-Motoren für Hochleistungsanwendungen
Einphasen-Induktionsmotoren haben Probleme für Anwendungen, die hohe Leistung und flexible Lastbedingungen kombiniert. Das Problem liegt in das Drehfeld zu erzeugen. Ein Kondensator kann verwendet werden, um den Strom in einem Satz von Spulen zu setzen voraus, aber hohe Wert, Hochspannungskondensatoren sind teuer. Schattierten Pole werden verwendet, stattdessen aber das Drehmoment ist bei einigen Winkeln klein. Wenn man nicht ein glatt Drehfeld erzeugen, und wenn die Last deutlich hinter dem Feld ‚rutscht‘, dann ist das Drehmoment fällt oder sogar umkehrt.
Lautsprecher
Ein Lautsprecher ist ein Linearmotor mit einem kleinen Bereich. Er hat eine einzige bewegliche Spule, die dauerhaft ist, sondern flexibel an die Spannungsquelle angeschlossen, so gibt es keine Bürsten.
Für niedrige Frequenz, große Wellenlänge Ton, braucht man große Kegel. Der Lautsprecher unten ist 380 mm Durchmesser. Lautsprecher für niedrigen Frequenzen ausgelegt sind Tieftönern genannt. Sie haben große Masse und sind daher schwierig, schnell für Hochfrequenztöne zu beschleunigen. Auf dem Foto unten wurde ein Abschnitt weggeschnitten, um die inneren Komponenten zu zeigen.
Die Lautsprecher sind gesehen Linearmotoren mit einem bescheidenen Bereich sein - vielleicht zehn mm. Ähnliche Linearmotoren, obwohl natürlich ohne das Papiermembran, werden häufig verwendet, um den Lese- und Schreibkopf radial auf einem Plattenlaufwerk zu bewegen.
Lautsprecher als Mikrofone
In dem Bild oben, kann man sehen, dass eine Pappe Membran (der Lautsprecherkonus) auf eine Spule aus Draht in einem Magnetfeld verbunden ist. Wenn eine Schallwelle, die Membran bewegt, wird die Spule in dem Feld bewegen, um eine Spannung zu erzeugen. Dies ist das Prinzip eines dynamischen Mikrofon - wenn auch in den meisten Mikrofonen ist die Membran eher kleiner als der Konus eines Lautsprechers. So sollte ein Lautsprecher als Mikrofon funktioniert. Dies ist ein schönes Projekt: alles, was Sie brauchen, ist ein Lautsprecher und zwei Drähte es an den Eingang eines Oszilloskops zu verbinden oder den Mikrofoneingang des Computers. Zwei Fragen: Was denken Sie, die Masse des Kegels und Spule mit dem Frequenzgang zu tun? Was ist mit der Wellenlänge von klingt Ihre Nutzung?
Achtung: Nur echte Motoren sind komplizierter
Die Skizzen von Motoren haben Pläne gewesen, die Prinzipien zu zeigen. Bitte nicht böse sein, wenn, wenn Sie einen Motor auseinander ziehen, es komplizierter aussieht! (Siehe Wie echte Elektromotoren arbeiten.) Zum Beispiel ein typischer Gleichstrommotor ist wahrscheinlich viele separat gewickelten Spulen haben, um glattere Drehmoment zu erzeugen: Es gibt immer eine Spule für die das Sinus-Term zur Einheit nahe ist. Dies wird unten für einen Motor mit gewickelten Statoren dargestellt (oben) und Permanent Statoren (unten).
Transformer
Die Skizze und Schaltung zeigen einen Aufwärtstransformator. Um einen Step-down-Transformator zu machen, muss man nur die Quelle auf der rechten Seite und die Last auf der linken Seite setzen. (Wichtiger Sicherheitshinweis. Für einen echten Transformator, können Sie nur ‚stecken Sie es in rückwärts‘ erst nach Überprüfung, ob die Spannung Bewertung angemessen waren.) Also, wie funktioniert ein Transformator?
Effizienz von Transformatoren
Mehr über Transformatoren: AC vs DC-Generatoren
Transformers nur auf AC arbeiten, die einer der großen Vorteile von AC ist. Transformatoren ermöglichen 240V (nur wenige Volt) oder für andere Anwendungen mit geringer Leistung (typischerweise 12 V) auf bequeme Ebene für digitale Elektronik getreten werden. Transformatoren, die Spannung für die Übertragung verstärken, wie oben erwähnt, und unten für die sichere Verteilung. Ohne Transformatoren, die Verschwendung von elektrischer Energie in Verteilnetzen, bereits hoch ist, wäre enorm. Es ist möglich, Spannungen in DC zu konvertieren, aber komplizierter als bei AC. Ferner sind solche Umwandlungen oft ineffizient und / oder teuer. AC hat den weiteren Vorteil, dass sie auf Wechselstrommotoren verwendet werden können, die in der Regel vorzuziehen sind Gleichstrommotoren für Hochleistungsanwendungen.
Andere Quellen von uns
Einige externe Links zu Web-Ressourcen auf Motoren und Generatoren
Als ich erhielt diese Frage auf der High School Physik Bulletin Board. Ich schickte es an John Storey, der, wie auch ein angesehener Astronom zu sein, ein Baumeister von Elektroautos ist. Hier ist seine Antwort: