Come funziona un motore elettrico—in teoria
Foto: Un elettricista ripara un motore elettricoa bordo di una portaerei.Il metallo lucido che sta usando può sembrare oro, ma in realtà è rame, un buon conduttore che è molto meno costoso. Foto di Jason Jacobowitz per gentile concessione della US Navy.
Il legame tra elettricità, magnetismo e movimento fu originariamente scoperto nel 1820 dal fisico francese André-MarieAmpère(1775-1867) ed è la scienza di base dietro un motore elettrico., Ma se vogliamo trasformare questa straordinaria scoperta scientifica in una tecnologia più pratica per alimentare i nostri tosaerba elettrici e spazzolini da denti, dobbiamo andare un po ‘ oltre. Gli inventori che hanno fatto che erano inglesi Michael Faraday (1791-1867)e William Sturgeon (1783-1850) e Americananjoseph Henry (1797-1878). Ecco come loroarrivato alla loro brillante invenzione.
Supponiamo di piegare il nostro filo in un anello squadrato a forma di U, quindi ci sono due fili paralleli che attraversano il campo magnetico., Uno di loro toglie la corrente elettrica da noi attraverso il filo e l’altro riporta di nuovo la corrente. Poiché la corrente scorre in direzioni opposte nei fili, la regola della mano sinistra di Fleming ci dice che i due fili si muoveranno in direzioni opposte. In altre parole, quando weswitch sull’elettricità, uno dei fili si muoverà verso l’alto e theother si muoverà verso il basso.
Se la bobina di filo potesse continuare a muoversi in questo modo, ruoterebbe continuamente—e saremmo sulla buona strada per creare un motore elettrico. Ma questo non può accadere con la nostra configurazione attuale: i fili si aggrovigliano rapidamente., Non solo, ma se la bobina potesse ruotare farenough, succederebbe qualcos’altro. Una volta che la bobina ha raggiunto il verticalposition, sarebbe capovolgere, in modo che la corrente elettrica wouldbe che scorre attraverso di essa il modo opposto. Ora le forze su ciascunolato della bobina si invertirebbero. Invece di ruotare continuamente nella stessa direzione, si sposterebbe indietro nella direzione in cui era appena arrivato!Immaginate un treno elettrico con un motore come questo: sarebbe keepshuffling avanti e indietro sul posto senza mai in realtà goinganywhere.,
Come funziona un motore elettrico—in pratica
Ci sono due modi per superare questo problema. Uno è usare una corrente di ofelectric di genere che inverte periodicamente la direzione, che è knownas una corrente alternata (CA). Nel genere di piccolo, batteria-poweredmotors che usiamo intorno alla casa, una migliore soluzione è di aggiungere un componentcalled un commutatore ai theends della bobina. (Non preoccuparti del nome tecnico senza senso: questa parola leggermente antiquata ” commutazione “è un po ‘ come la parola”pendolari”., Significa semplicemente cambiare avanti e indietro nello stessomodo che i pendolari significa viaggiare avanti e indietro.) Nella sua forma più semplice, thecommutator è un anello di metallo diviso in due metà separate eil suo compito è quello di invertire la corrente elettrica nella bobina ogni volta che thecoil ruota attraverso mezzo giro. Un’estremità della bobina è attaccata aogni metà del commutatore. La corrente elettrica dalla batteriacollega ai terminali elettrici del motore.,Questi alimentano energia elettrica nel commutatore attraverso un paio di looseconnectors chiamati spazzole, fatte da pezzi di grafite (carbonio morbido simile a matita”piombo”) o sottili lunghezze di metallo elastico,che (come suggerisce il nome) “pennello” contro il commutatore. Con thecommutator sul posto, quando l’elettricità scorre attraverso il circuito, thecoil ruoterà continuamente nella stessa direzione.
Artwork: un diagramma semplificato delle parti in un motore elettrico. Animazione: Come funziona nella pratica., Si noti come il commutatore inverte la corrente ogni volta che la bobina turnshalfway. Ciò significa che la forza su ciascun lato della bobina è alwayspushing nella stessa direzione, che mantiene la bobina rotante in senso orario.
Un motore semplice e sperimentale come questo non è in grado di produrre molta potenza. Possiamo aumentare la forza di rotazione (o la coppia)che il motore può creare in tre modi: o possiamo avere un magnete permanente più potente, o possiamo aumentare la corrente elettrica che scorre attraverso il filo, o possiamo fare la bobina in modo che abbia molti”giri” (loop) di filo molto sottile invece di un “giro” di filo spesso.,In pratica, un motore ha anche il magnete permanente curvo in forma circolare in modo che quasi tocca la bobina di filo che ruota al suo interno. Più il magnete e la bobina sono vicini, più grande è la forza che il motore può produrre.
Anche se abbiamo descritto un certo numero di parti diverse, si può pensare a un motore come avente solo due componenti essenziali:
- C’è un magnete permanente (o magneti) intorno al bordo della cassa del motore che rimane statico, quindi è chiamato lo statore di un motore.,
- All’interno dello statore, c’è la bobina, montata su un asse che gira intorno ad alta velocità—e questo è chiamato il rotore. Il rotore include anche il commutatore.
Motori universali
I motori DC come questo sono ottimi per i giocattoli alimentati a batteria (cose come treni modello, auto radiocomandate o rasoi elettrici), ma non li trovi in molti elettrodomestici. Piccoli elettrodomestici (cose come macinacaffè o frullatori alimentari elettrici) tendono ad utilizzare quelli che vengono chiamati motori universali, che possono essere alimentati da AC o DC., A differenza di un semplice motore a corrente continua, un motore universale ha un elettromagnete, invece di un magnete permanente, e prende la sua potenza dalla corrente continua o CA in cui si alimenta:
- Quando si alimenta in corrente continua, l’elettromagnete funziona come un magnete permanente convenzionale e produce un campo magnetico che punta sempre nella stessa direzione. Il commutatore inverte la corrente della bobina ogni volta che la bobina si ribalta, proprio come in un semplice motore a corrente continua, quindi la bobina gira sempre nella stessa direzione.,
- Quando si alimenta in AC, tuttavia, la corrente che scorre attraverso l’elettromagnete e la corrente che scorre attraverso la bobina sia inversa, esattamente al passo, quindi la forza sulla bobina è sempre nella stessa direzione e il motore gira sempre in senso orario o antiorario. E il commutatore? La frequenza della corrente cambia molto più velocemente di quanto ruota il motore e, poiché il campo e la corrente sono sempre al passo, in realtà non importa in quale posizione si trova il commutatore in un dato momento.,
Animazione: Come funziona un motore universale: L’alimentazione elettrica alimenta sia il campo magnetico che la bobina rotante. Con un’alimentazione DC, un motore universale funziona proprio come un DC convenzionale, come sopra. Con un’alimentazione CA, sia il campo magnetico che la corrente della bobina cambiano direzione ogni volta che la corrente di alimentazione si inverte. Ciò significa che la forza sulla bobina punta sempre allo stesso modo.,
Foto: All’interno di un tipico motore universale: Le parti principali all’interno di un motore di medie dimensioni da un macinino da caffè, che può funzionare su DC o AC. L’elettromagnete grigio intorno al bordo è lo statore (parte statica) e la sua alimentato dalle bobine di colore arancione. Notare anche le fessure nel commutatore e le spazzole di carbone che spingono contro di esso, che forniscono energia al rotore (parte rotante)., I motori asincroni in cose come i treni ferroviari elettrici sono molte volte più grandi e più potenti di questo, e funzionano sempre usando la corrente alternata ad alta tensione (AC), invece della corrente continua a bassa tensione (DC), o la CA domestica moderatamente bassa tensione che alimenta i motori universali.
Altri tipi di motori elettrici
Nei motori semplici DC e universali, il rotore gira all’interno dello statore. Il rotore è una bobina collegata all’alimentazione elettrica e lo statore è un magnete permanente o elettromagnete., I grandi motori a corrente alternata (usati in cose come le macchine di fabbrica) funzionano in un modo leggermente diverso: passano corrente alternata attraverso coppie opposte di magneti per creare un campo magnetico rotante, che “induce” (crea) un campo magnetico nel rotore del motore, facendolo girare intorno. Puoi leggere di più su questo nel nostro articolo sui motori asincroni CA. Se si prende uno di questi motori asincroni e “scartarlo”, in modo che lo statore sia effettivamente disposto in una lunga traccia continua, il rotore può rotolare lungo di esso in linea retta., Questo ingegnoso design è conosciuto come un motore lineare, e lo troverete in cose come macchine di fabbrica e ferrovie galleggianti “maglev” (levitazione magnetica).
Un altro design interessante è il motore brushless DC (BLDC). Lo statore e il rotore si scambiano efficacemente, con più bobine di ferro statiche al centro e il magnete permanente che ruota attorno a loro, e il commutatore e le spazzole sono sostituiti da un circuito elettronico. Puoi leggere di più nel nostro articolo principale sui motori dei mozzi.Motori passo-passo, che girano intorno attraverso angoli controllati con precisione, sono una variazione di motori brushless DC.,
