Hvordan en elektrisk motor works—i teorien
Foto: elektriker reparerer en elektrisk motoronboard et hangarskip.Den skinnende metall han bruker kan se ut som gull,men det er faktisk kobber,en god leder som er mye billigere. Foto: Jason Jacobowitz courtesy of US Navy.
koblingen mellom elektrisitet, magnetisme, og bevegelsen ble originallydiscovered i 1820 av den franske fysikeren André-MarieAmpère(1775-1867) og det er den grunnleggende vitenskapen bak en elektrisk motor., Men ifwe ønsker å slå denne fantastiske vitenskapelige funn inn i en mer practicalbit av teknologien til å drive de elektriske gressklippere og tannbørster, vi er nødt til å ta det en liten bit ytterligere. Oppfinnerne som gjorde at det var Engelskmenn som Michael Faraday (1791-1867)og William Stør (1783-1850) og AmericanJoseph Henry (1797-1878). Her er hvordan theyarrived på deres geniale oppfinnelse.
la oss Anta at vi bøyer våre ledningen til en squarish, U-formet løkke så det areeffectivelytwo parallelle ledninger gjennom det magnetiske feltet., En av themtakes den elektriske strømmen bort fra oss gjennom ledningen og otherone bringer gjeldende tilbake igjen. Fordi dagens renn inopposite retningene i ledningene, Fleming ‘ s Venstre Regel forteller oss thetwo ledningene vil gå i motsatt retning. Med andre ord, når weswitch på strøm, en av ledningene vil bevege seg oppover og theother vil bevege seg nedover.
Hvis spolen av ledningen kan bære på bevegelse som dette, ville det rotatecontinuously—og vi vil være godt på vei til å gjøre en electricmotor. Men det kan ikke skje med vår nåværende oppsett: ledningene willquickly floke opp., Ikke bare det, men hvis spolen kan rotere farenough, noe annet ville skje. Når spolen nådd verticalposition, det ville snu, slik at den elektriske strømmen wouldbe strømmer gjennom det motsatt vei. Nå styrker på eachside av spolen ville omvendt. I stedet for å rotere kontinuerlig i thesame retning, det ville flytte tilbake i den retningen den hadde bare komme!Tenk deg et elektrisk tog med en motor som dette: det ville keepshuffling frem og tilbake på stedet uten noen gang faktisk goinganywhere.,
Hvordan en elektrisk motor fungerer i praksis
Det er to måter å overvinne dette problemet. Det ene er å bruke en form ofelectric gjeldende som med jevne mellomrom reverserer retning, noe som er knownas en vekselstrøm (AC).I form av små, batteri-poweredmotors vi bruker rundt hjemmet, en bedre løsning er å legge en componentcalled en commutator å theends av spolen. (Ikke bry deg om det meningsløse technicalname: dette litt gammeldags ord «commutation» er litt som theword «pendle»., Det betyr ganske enkelt å endre frem og tilbake i sameway som pendler betyr å reise frem og tilbake. I sin enkleste form, thecommutator er en metallring delt inn i to separate omganger andits jobb er å reversere den elektriske strømmen i spolen hver gang thecoil roterer gjennom en halv omdreining. En ende av spolen er festet toeach halvparten av commutator. Den elektriske strømmen fra batteryconnects til motorens elektriske terminaler.,Disse fôr elektrisk kraft i commutator gjennom et par av looseconnectors kalt børster,madeeither fra deler av grafitt (soft karbon lik blyant»bly») eller tynne lengder av fjærende metall,som (asthe navnet antyder) «pensel» mot commutator. Med thecommutator på plass, når strøm flyter gjennom kretsen, thecoil vil rotere kontinuerlig i samme retning.
Kunstverk: Et forenklet diagram av delene i en electricmotor. Animasjon: Hvordan det fungerer i praksis., Legg merke til hvordan commutator reverserer den nåværende hver gang coil turnshalfway. Dette betyr at styrken på hver side av spolen er alwayspushing i samme retning, som holder spolen roterer med klokken.
En enkel, eksperimentelle motor som dette er ikke i stand til makingmuch makt. Vi kan øke slå kraft (eller kraft)som themotor kan lage på tre måter: enten kan vi ha en morepowerful permanent magnet, eller vi kan øke den elektriske currentflowing gjennom ledningen, eller vi kan gjøre spolen slik at den har mange»slår» (looper) av meget tynn tråd i stedet for en «tur» i tykk ståltråd.,I praksis vil en motor har også permanent magnet buet i acircular formen, så det nesten berører coil av ledningen som rotatesinside det. Den nærmere sammen magnet og spole, thegreater styrke motoren kan produsere.
Selv om vi har beskrevet en rekke forskjellige deler, kan du tenke på en motor som har bare to vesentlige komponenter:
- Det er en permanent magnet (eller magneter) rundt kanten av motor sak som forblir statisk, slik det heter statoren av en motor.,
- Inne i statoren, det er spolen, montert på en aksel som spinner rundt i høy hastighet—og dette er det som kalles rotoren. Rotoren omfatter også commutator.
Universal motorer
DC-motorer som dette er flott for batteridrevne leker (ting som modelltog, radiostyrte biler, eller elektriske barbermaskiner), men du ikke finner dem i mange husholdningsapparater. Små apparater (ting som kaffekverner eller elektrisk mat blendere) har en tendens til å bruke det som kalles universell motorer, som kan være drevet av enten AC eller DC., I motsetning til en enkel DC-motor, en universal motor har en elektromagnet, i stedet for en permanent magnet, og det tar strøm fra DC eller AC-strøm, kan du mate i:
- Når du mater inn i DC, elektromagnet fungerer som en konvensjonell permanent magnet og genererer et magnetisk felt som alltid peker i samme retning. Den commutator reverserer coil nåværende hver gang coil flips over, akkurat som på en enkel DC-motor, så spolen alltid spinn i samme retning.,
- Når du mater inn i AC, imidlertid, gjeldende strømmer gjennom elektromagnet og strøm flyter gjennom spolen både bakover, akkurat i trinn, slik at styrken på spolen er alltid i samme retning, og motoren alltid spins enten med eller mot klokken. Hva om commutator? Hyppigheten av de aktuelle endringene, mye raskere enn motoren roterer og, fordi feltet, og den nåværende er alltid i trinn, betyr det ikke egentlig rolle hvilken posisjon den commutator er i til enhver tid.,
Animasjon: Hvordan en universal motor fungerer Det: kraftforsyning krefter både magnetfelt og den roterende spole. Med en DC-forsyning, en universal motor fungerer akkurat som en vanlig DC-en, som ovenfor. Med en AC-forsyning, både det magnetiske feltet og spole gjeldende endre retning hver gang tilførsel gjeldende reverserer. Det betyr at styrken på spolen er alltid peker samme vei.,
Foto: Inne i en typisk universal motor: De viktigste delene inne i en middels stor motor fra en kaffekvern, som kan kjøres på enten DC eller AC. Den grå elektromagnet rundt kanten er statoren (statisk del) og dens drevet av den oransje-farget spoler. Merk også spalter i commutator og kullbørster presser mot det, som gir strøm til rotoren (roterende delen)., Asynkronmotorer i slike ting som elektrisk jernbane tog er mange ganger større og kraftigere enn dette, og jobber alltid med høyspent vekselstrøm (AC), i stedet for lav-spenning likestrøm (DC) eller moderat lav spenning husholdning AC som driver universal motorer.
Andre typer elektriske motorer
I enkle DC og universell motorer, rotoren spinner inne i statoren. Rotoren er en spiral som er koblet til strømforsyningen og statoren er en permanent magnet eller elektromagnet., Stort AC-motorer (brukt i ting som fabrikken maskiner) fungerer på en litt annen måte: de passerer vekselstrøm gjennom motstridende par av magneter for å skape et roterende magnetfelt, som «fører» (skaper) et magnetisk felt i motoren er rotor, forårsaker den til å snurre rundt. Du kan lese mer om dette i vår artikkel om AC induksjonsmotor. Hvis du tar en av disse induksjonsmotorer og «pakk» det, så statoren er effektivt lagt ut i en lang sammenhengende spor, rotoren kan rulle langs den i en rett linje., Denne geniale design er kjent som en lineær motor, og du finner det i slike ting som fabrikken maskiner og flytende «maglev» (magnetisk levitasjon) jernbaner.
en Annen interessant design er den børsteløse DC (BLDC) motor. Statoren og rotoren effektivt bytte over, med flere strykejern spoler statisk på midten og den permanente magneten roterer rundt dem, og commutator og børster er erstattet av en elektronisk krets. Du kan lese mer i vår viktigste artikkel på hub-motorer.Stepper motorer, som slår rundt gjennom nøyaktig kontrollert vinkler, er en variant av børsteløse DC-motorer.,
