Wie ein Elektromotor funktioniert-in der Theorie
Foto: Ein Elektriker repariert einen Elektromotor an Bord eines Flugzeugträgers.Das glänzende Metall, das er verwendet, mag wie Gold aussehen,aber es ist tatsächlich Kupfer, ein guter Leiter, der viel weniger teuer ist. Foto von Jason Jacobowitz mit freundlicher Genehmigung der US Navy.
Die Verbindung zwischen Elektrizität, Magnetismus und Bewegung wurde ursprünglich 1820 vom französischen Physiker André-MarieAmpère(1775-1867) entdeckt und ist die Grundlagenwissenschaft hinter einem Elektromotor., Aber wenn wir diese erstaunliche wissenschaftliche Entdeckung in eine praktischere Technologie verwandeln wollen, um unsere elektrischen Mäher und Zahnbürsten mit Strom zu versorgen, müssen wir noch ein bisschen weiter gehen. Die Erfinder, die das taten, waren die Engländer Michael Faraday (1791-1867)und William Sturgeon (1783-1850) und AmerikanJoseph Henry (1797-1878). Hier ist, wie theyarrived bei ihrer brillanten Erfindung.
Angenommen, wir biegen unseren Draht in eine quadratische, U-förmige Schleife, so dass zwei parallele Drähte, die durch das Magnetfeld verlaufen, wirksam sind., Einer von ihnen nimmt den elektrischen Strom von uns durch den Draht weg und der andere bringt den Strom wieder zurück. Da der Strom in entgegengesetzte Richtungen in die Drähte fließt, sagt Flemings linke Regel, dass sich die beiden Drähte in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Mit anderen worten, wenn wirschalter auf die strom, einer der drähte wird bewegen nach oben und die andere wird bewegen nach unten.
Wenn sich die Drahtspule so weiter bewegen könnte, würde sie sich ununterbrochen drehen—und wir wären auf dem besten Weg, einen Elektromotor zu bauen. Aber das kann bei unserem jetzigen Setup nicht passieren: Die Drähte werden sich schnell verheddern., Nicht nur das, aber wenn sich die Spule weit genug drehen könnte, würde etwas anderes passieren. Sobald die Spule die vertikale Position erreicht hat, würde sie umkippen, so dass der elektrische Strom entgegengesetzt durch sie fließen würde. Nun würden sich die Kräfte auf jeder Seite der Spule umkehren. Anstatt sich kontinuierlich in dieselbe Richtung zu drehen, würde es sich wieder in die Richtung bewegen, in die es gerade gekommen war!Stellen Sie sich einen elektrischen Zug mit einem solchen Motor vor: Er würde vor Ort immer wieder hin-und herschlendern, ohne jemals wirklich irgendwohin zu fahren.,
Funktionsweise eines Elektromotors-in der Praxis
Gibt es zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu überwinden. Eine ist, eine Art von zu verwendenelektrischer Strom, der periodisch die Richtung umkehrt, was bekannt istals Wechselstrom (AC).In der Art von kleinen, batteriebetriebenen Motoren, die wir rund um das Haus verwenden, ist eine bessere Lösung, eine Komponente hinzuzufügengengenannt ein Kommutator an der Spitze der Spule. (Mach dir keine Sorgen über den bedeutungslosen technischen Namen: Dieses etwas altmodische Wort “ Kommutierung „ist ein bisschen wie das Wort“Pendeln“., Es bedeutet einfach, hin und her in der gleichen Richtung zu wechseln, die pendeln bedeutet, hin und her zu reisen.) In seiner einfachsten Form ist der Kommutator ein Metallring, der in zwei getrennte Hälften geteilt ist, und seine Aufgabe ist es, den elektrischen Strom in der Spule jedes Mal umzukehren, wenn sich Derboden durch eine halbe Umdrehung dreht. Ein Ende der Spule ist daran befestigtjede Hälfte des Kommutators. Der elektrische Strom von der Batterie verbindet sich mit den elektrischen Anschlüssen des Motors.,Diese speisen elektrische Energie in den Kommutator durch ein Paar von losenverbindungen genannt Bürsten, madeeither aus Stücken von Graphit (weichen Kohlenstoff ähnlich Bleistift „Blei“) oder dünne Längen von federnden Metall,die (wie der Name schon sagt) „Pinsel“ gegen den Kommutator. Mit thecommutator an ort und stelle, wenn strom fließt durch die schaltung, thecoil wird drehen kontinuierlich in die gleiche richtung.
Grafik: Ein vereinfachtes Diagramm der Teile in einem Elektromotor. Animation: Wie es in der Praxis funktioniert., Beachten Sie, wie der Kommutator den Strom jedes Mal umkehrt, wenn sich die Spule drehthalfway. Dies bedeutet, dass die Kraft auf jeder Seite der Spule immer istspülung in die gleiche Richtung, die die Spule im Uhrzeigersinn dreht.
Ein einfacher, experimenteller Motor wie dieser ist nicht in der Lage, solche Kraft zu erzeugen. Wir können die Drehkraft (oder das Drehmoment)erhöhen, die dieMotor kann auf drei Arten erzeugen: Entweder können wir einen leistungsfähigeren Permanentmagneten haben, oder wir können den elektrischen Strom erhöhen, der durch den Draht fließt, oder wir können die Spule so machen, dass sie viele“Umdrehungen“ (Schleifen) aus sehr dünnem Draht anstelle einer „Umdrehung“ aus dickem Draht hat.,In der Praxis hat ein Motor auch den in einer kreisförmigen Form gebogenen Permanentmagneten, so dass er fast die Drahtspule berührt, die sich darin dreht. Je näher der Magnet und die Spule zusammenliegen, desto größer ist die Kraft, die der Motor erzeugen kann.
Obwohl wir eine Reihe verschiedener Teile beschrieben haben, können Sie sich vorstellen, dass ein Motor nur zwei wesentliche Komponenten hat:
- Es gibt einen Permanentmagneten (oder Magneten) um den Rand des Motorgehäuses, der statisch bleibt, also heißt es der Stator eines Motors.,
- Im Stator befindet sich die Spule, die auf einer Achse montiert ist, die sich mit hoher Geschwindigkeit dreht—und dies wird Rotor genannt. Der Rotor umfasst auch den Kommutator.
Universal motoren
DC motoren wie diese sind ideal für batterie-powered spielzeug (dinge wie modell züge, radio-gesteuert autos, oder elektrische rasierer), aber sie nicht finden sie in viele haushalts geräte. Kleine Geräte (Dinge wie Kaffeemühlen oder elektrische Lebensmittelmischer) neigen dazu, sogenannte Universalmotoren zu verwenden, die entweder mit AC oder DC betrieben werden können., Im Gegensatz zu einem einfachen Gleichstrommotor verfügt ein Universalmotor über einen Elektromagneten anstelle eines Permanentmagneten und bezieht seine Leistung aus der Gleichstrom-oder Wechselstromleistung, die Sie einspeisen:
- Wenn Sie Gleichstrom einspeisen, arbeitet der Elektromagnet wie ein herkömmlicher Permanentmagnet und erzeugt ein Magnetfeld, das immer in die gleiche Richtung zeigt. Der Kommutator kehrt den Spulenstrom jedes Mal um, wenn die Spule umgedreht wird, genau wie bei einem einfachen Gleichstrommotor, sodass sich die Spule immer in die gleiche Richtung dreht.,
- Wenn Sie AC einspeisen, kehren jedoch der Strom, der durch den Elektromagneten fließt, und der Strom, der durch die Spule fließt, genau in Schritt um, so dass die Kraft auf die Spule immer in der gleichen Richtung ist und der Motor dreht sich immer entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Was ist mit dem Kommutator? Die Frequenz des Stroms ändert sich viel schneller als der Motor dreht und da das Feld und der Strom immer in Schritt sind, spielt es keine Rolle, in welcher Position sich der Kommutator zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet.,
Animation: Wie ein Universalmotor funktioniert: Die Stromversorgung versorgt sowohl das Magnetfeld als auch die rotierende Spule. Bei einer Gleichstromversorgung arbeitet ein Universalmotor wie oben beschrieben wie ein herkömmlicher Gleichstrommotor. Bei einer Wechselstromversorgung ändern sowohl das Magnetfeld als auch der Spulenstrom jedes Mal die Richtung, wenn sich der Versorgungsstrom umkehrt. Das bedeutet, dass die Kraft auf die Spule immer in die gleiche Richtung zeigt.,
Foto: In einem typischen Universalmotor: Die Hauptteile in einem mittelgroßen Motor einer Kaffeemühle, die entweder mit Gleichstrom oder Wechselstrom betrieben werden kann. Der graue Elektromagnet um den Rand herum ist der Stator (statischer Teil) und wird von den orangefarbenen Spulen angetrieben. Beachten Sie auch die Schlitze im Kommutator und die gegen ihn drückenden Kohlebürsten, die den Rotor (rotierendes Teil) mit Strom versorgen., Induktionsmotoren in elektrischen Eisenbahnzügen sind um ein Vielfaches größer und leistungsstärker und arbeiten immer mit Hochspannungs-Wechselstrom (AC) anstelle von Niederspannungs-Gleichstrom (DC) oder dem mäßig Niederspannungs-Haushalts-Wechselstrom, der Universalmotoren antreibt.
Andere Arten von Elektromotoren
Bei einfachen Gleichstrom-und Universalmotoren dreht sich der Rotor im Stator. Der Rotor ist eine Spule, die mit der elektrischen Stromversorgung verbunden ist, und der Stator ist ein Permanentmagnet oder Elektromagnet., Große Wechselstrommotoren (die in Fabrikmaschinen verwendet werden) arbeiten etwas anders: Sie leiten Wechselstrom durch gegenüberliegende Magnetenpaare, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das ein Magnetfeld im Rotor des Motors „induziert“ (erzeugt), wodurch es sich dreht. Sie können mehr darüber in unserem Artikel über AC-Induktionsmotoren lesen. Wenn Sie einen dieser Induktionsmotoren nehmen und“ auspacken“, so dass der Stator effektiv in eine lange durchgehende Spur gelegt wird, kann der Rotor in einer geraden Linie entlang rollen., Dieses geniale Design ist als Linearmotor bekannt, und Sie werden es in solchen Dingen wie Fabrikmaschinen und schwimmenden „Maglev“ (Magnetschwebebahn) Eisenbahnen finden.
Ein weiteres interessantes Design ist der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC). Der Stator und der Rotor tauschen sich effektiv aus, wobei mehrere Eisenspulen in der Mitte statisch sind und sich der Permanentmagnet um sie dreht, und der Kommutator und die Bürsten werden durch eine elektronische Schaltung ersetzt. Sie können mehr in unserem Hauptartikel über Nabenmotoren lesen.Schrittmotoren, die sich durch präzise gesteuerte Winkel drehen, sind eine Variation von bürstenlosen Gleichstrommotoren.,
