Sådan fungerer en elektrisk motor—i teorien
foto: en elektriker reparerer en elektrisk motor om bord på et hangarskib.Det skinnende metal, han bruger, kan ligne guld,men det er faktisk kobber, en god dirigent, der er meget billigere. Foto af Jason Jacobo .it.med tilladelse fra US Navy.
forbindelsen mellem elektricitet, magnetisme og bevægelse blev oprindeligt opdaget i 1820 af den franske fysiker Andr.-Marieampèrere(1775-1867), og det er den grundlæggende videnskab bag en elektrisk motor., Men hvisvi ønsker at gøre denne fantastiske videnskabelige opdagelse til en mere praktiskbit teknologi til at drive vores elektriske Slåmaskiner og tandbørster, vi er nødt til at tage det lidt længere. Opfinderne, der gjorde det, var englændere Michael Faraday (1791-1867) og Williamilliam Sturgeon (1783-1850) og Amerikanerjosef Henry (1797-1878). Her er hvordan deankom til deres strålende opfindelse.
Antag, at vi bøjer vores ledning ind i en firkantet, U-formet sløjfe, så der ereffektivtto parallelle ledninger, der løber gennem magnetfeltet., En af demtager den elektriske strøm væk fra os gennem ledningen, og den anden bringer strømmen tilbage igen. Fordi strømmen strømmer i modsatte retninger i ledningerne, fortæller Flemings venstre regel os, at to ledninger vil bevæge sig i modsatte retninger. Med andre ord, når vi skifter på El, vil en af ledningerne bevæge sig opad og den anden vil bevæge sig nedad.
Hvis trådspolen kunne fortsætte med at bevæge sig sådan, ville den rotere kontinuerligt—og vi ville være godt på vej til at lave en elektrisk motor. Men det kan ikke ske med vores nuværende opsætning:ledningerne vil hurtigt sammenfiltres., Ikke kun det, men hvis spolen kunne rotere farenok, ville der ske noget andet. Når spolen nåede lodretposition, ville den vende over, så den elektriske strøm ville strømme gennem den på den modsatte måde. Nu kræfterne på hverside af spolen ville vende om. I stedet for at rotere kontinuerligt i samme retning, ville den bevæge sig tilbage i den retning, den lige var kommet!Forestil dig et elektrisk tog med en motor som denne: det ville keepshuffling frem og tilbage på stedet uden nogensinde at gå overalt.,
Sådan fungerer en elektrisk motor—i praksis
er der to måder at løse dette problem på. Den ene er at bruge en slags elektrisk strøm, der periodisk vender retning, som er kendt som en vekselstrøm(AC). i den slags små batteridrevne motorer, Vi bruger rundt om i hjemmet, er en bedre løsning at tilføje en komponentkaldet en kommutator til spolen. (Du skal ikke bekymre dig om det meningsløse tekniskenavn: dette lidt gammeldags ord “kommutation” er lidt som ordet “pendler”., Det betyder simpelthen at skifte frem og tilbage i det sammevej, der pendler betyder at rejse frem og tilbage.) I sin enkleste form er kommutatoren en metalring opdelt i to separate halvdele, og dens opgave er at vende den elektriske strøm i spolen hver gang olien roterer gennem en halv omgang. Den ene ende af spolen er fastgjort tilhver halvdel af kommutatoren. Den elektriske strøm fra batterietforbinder til motorens elektriske terminaler.,Disse fodrer elektrisk strøm ind i kommutatoren gennem et par looseconnectors kaldet børster, lavetenten fra stykker grafit (blødt kulstof svarende til blyant”bly”) eller tynde længder af fjedrende metal,som (somnavnet antyder) “børste” mod kommutatoren. Med kommutatoren på plads, når elektricitet strømmer gennem kredsløbet, vil olien rotere konstant i samme retning.
Kunstværker: Et forenklet diagram af de dele i en electricmotor. Animation: Sådan fungerer det i praksis., Bemærk, hvordan kommutatoren vender strømmen hver gang spolen turnshalf .ay. Dette betyder, at kraften på hver side af spolen altid erskubber i samme retning, hvilket holder spolen roterende med uret.
en simpel, eksperimentel motor som denne er ikke i stand til at gøremeget kraft. Vi kan øge dreje kraft (eller moment), at themotor kan skabe på tre måder: enten kan vi have en morepowerful permanent magnet, eller vi kan øge den elektriske currentflowing gennem tråden, eller vi kan gøre den spole, så det har mange”tænder” (loops) i meget tynd tråd, i stedet for en “turn” for tyk ledning.,I praksis har en motor også den permanente magnet buet i encirkelformet form, så den næsten berører trådspolen, der roterer inde i den. Jo tættere magneten og spolen er, desto større kraft kan motoren producere.
Selv om vi har beskrevet en række forskellige dele, som du kan tænke på en motor, som der kun to afgørende elementer:
- Der er en permanent magnet (eller magneter) omkring kanten af motor sag, der forbliver statisk, så det hedder stator af en motor.,
- inde i statoren er der spolen, monteret på en aksel, der drejer rundt med høj hastighed—og dette kaldes rotoren. Rotoren inkluderer også kommutatoren.
Universalmotorer
DC-motorer som denne er gode til batteridrevne legetøj (ting som modeltog, radiostyrede biler eller elektriske barbermaskiner), men du finder dem ikke i mange husholdningsapparater. Små apparater (ting som kaffekværne eller elektriske madblendere) har en tendens til at bruge det, der kaldes universalmotorer, som kan drives af enten AC eller DC., I modsætning til en simpel DC-motor har en universalmotor en elektromagnet i stedet for en permanent magnet, og den tager sin kraft fra den DC-eller vekselstrøm, du foder i:
- når du fodrer i DC, fungerer elektromagneten som en konventionel permanent magnet og producerer et magnetfelt, der altid peger i samme retning. Kommutatoren vender spolestrømmen hver gang spolen vipper over, ligesom i en simpel DC-motor, så spolen spinder altid i samme retning.,
- når du fodrer i AC, er strømmen, der strømmer gennem elektromagneten, og strømmen, der strømmer gennem spolen, begge omvendt, nøjagtigt i trin, så kraften på spolen altid er i samme retning, og motoren drejer altid enten med uret eller mod uret. Hvad med kommutatoren? Frekvensen af strømmen ændres meget hurtigere, end motoren roterer, og fordi feltet og strømmen altid er i trin, betyder det ikke noget, hvilken position kommutatoren er i på et givet tidspunkt.,
Animation: Sådan fungerer en universalmotor: elforsyningen driver både magnetfeltet og den roterende spole. Med en DC-forsyning fungerer en universalmotor ligesom en konventionel DC-motor som ovenfor. Med en vekselstrømsforsyning ændrer både magnetfeltet og spolestrømmen retning, hver gang forsyningsstrømmen vender tilbage. Det betyder, at kraften på spolen altid peger på samme måde.,
foto: inde i en typisk universalmotor: hoveddelene inde i en mellemstor motor fra en kaffekværn, der kan køre på enten DC eller AC. Den grå elektromagnet rundt om kanten er statoren (statisk del) og dens drevet af de orange-farvede spoler. Bemærk også slidserne i kommutatoren og kulbørsterne, der skubber mod den, som giver kraft til rotoren (roterende del)., Induktionsmotorer i sådanne ting som elektriske jernbanetog er mange gange større og kraftigere end dette, og arbejder altid ved hjælp af højspændings vekselstrøm (AC) i stedet for lavspændings jævnstrøm (DC) eller den moderat lavspændings husholdnings AC, der driver universalmotorer.
andre former for elektriske motorer
i enkle DC-og universalmotorer drejer rotoren inde i statoren. Rotoren er en spole forbundet til den elektriske strømforsyning, og statoren er en permanent magnet eller elektromagnet., Store vekselstrømsmotorer (bruges i ting som fabriksmaskiner) fungerer på en lidt anden måde: de passerer vekselstrøm gennem modstående par magneter for at skabe et roterende magnetfelt, som “inducerer” (skaber) et magnetfelt i motorens rotor, hvilket får det til at dreje rundt. Du kan læse mere om dette i vores artikel om AC induktionsmotorer. Hvis du tager en af disse induktionsmotorer og” pakker ” den ud, så statoren effektivt er lagt ud i et langt kontinuerligt spor, kan rotoren rulle langs den i en lige linje., Dette geniale design er kendt som en lineær motor, og du finder det i sådanne ting som fabriksmaskiner og flydende “maglev” (magnetisk levitation) jernbaner.
et andet interessant design er den børsteløse DC (BLDC) motor. Statoren og rotoren bytter effektivt over, med flere jernspoler statiske i midten og den permanente magnet, der roterer omkring dem, og kommutatoren og børsterne erstattes af et elektronisk kredsløb. Du kan læse mere i vores Hovedartikel om hub motors.Stepmotorer, der drejer rundt gennem nøjagtigt kontrollerede vinkler, er en variation af børsteløse DC-motorer.,
