hoe een elektromotor werkt-in theorie
Foto: een elektricien repareert een elektromotorbord op een vliegdekschip.Het glanzende metaal dat hij gebruikt lijkt misschien op goud,maar het is eigenlijk koper,een goede geleider die veel minder duur is. Foto Door Jason Jacobowitz met dank aan US Navy.het verband tussen elektriciteit, magnetisme en beweging werd oorspronkelijk ontdekt in 1820 door de Franse natuurkundige André-MarieAmpère(1775-1867) en het is de basiswetenschap achter een elektromotor., Maar als we van deze verbazingwekkende wetenschappelijke ontdekking een praktischere technologie willen maken om onze elektrische maaiers en tandenborstels van stroom te voorzien, moeten we een beetje verder gaan. De uitvinders die dat deden waren de Engelsen Michael Faraday (1791-1867) en William Sturgeon (1783-1850) en AmericanJoseph Henry (1797-1878). Hier is hoe zeaankwamen bij hun briljante uitvinding.stel dat we onze draad buigen tot een rechthoekige, U-vormige lus, zodat er effectief twee parallelle draden door het magnetische veld lopen., Een van hen neemt de elektrische stroom weg van ons door de draad en de andereen brengt de stroom weer terug. Omdat de stroom in tegengestelde richtingen in de draden stroomt, vertelt Fleming ‘ s Linkerregel ons dat de twee draden in tegengestelde richtingen zullen bewegen. Met andere woorden, wanneer weswitch op de elektriciteit, een van de draden zal omhoog bewegen en de andere zal naar beneden bewegen.
als de draadspoel zo kon blijven bewegen, zou hij continu roteren—en we zouden goed op weg zijn om een elektrische motor te maken. Maar dat kan niet met onze huidige opstelling: de draden zullen snel in de war raken., Niet alleen dat, maar als de spoel kon draaien farenough, iets anders zou gebeuren. Zodra de spoel de verticale positie bereikte, zou hij omslaan, zodat de elektrische stroom er omgekeerd doorheen zou stromen. Nu zouden de krachten aan elke kant van de spoel omkeren. In plaats van continu in dezelfde richting te draaien, zou het terug gaan in de richting die het net was gekomen!Stel je een elektrische trein voor met een motor als deze: hij zou op de plek heen en weer blijven rijden zonder ooit ergens naartoe te gaan.,
hoe een elektromotor werkt-in de praktijk zijn er twee manieren om dit probleem op te lossen. Een daarvan is het gebruik van een soort elektrische stroom die periodiek omkeert richting, die bekend is als een wisselstroom (AC).in het soort kleine, batterij aangedreven motoren die we gebruiken rond het huis, een betere oplossing is om een component genaamd commutator toe te voegen aan de uiteinden van de spoel. (Maak je geen zorgen over de betekenisloze technische naam: dit enigszins ouderwetse woord “commutatie” is een beetje als het woord “commute”., Het betekent gewoon heen en weer veranderen op dezelfde manier als pendelen betekent heen en weer reizen. In zijn eenvoudigste vorm, de commutator is een metalen ring verdeeld in twee afzonderlijke helften en zijn taak is om de elektrische stroom in de spoel om te keren elke keer dat de coil draait door een halve draai. Een uiteinde van de spoel is aan elke helft van de commutator bevestigd. De elektrische stroom van de batterij sluit aan op de elektrische aansluitingen van de motor.,Deze voeren elektrische energie in de commutator door middel van een paar losse aansluitingen genaamd borstels,hetzij van stukken grafiet (zachte koolstof vergelijkbaar met potlood”lood”) of dunne lengtes van verende metaal,die (zoals de naam al doet vermoeden) “borstel” tegen de commutator. Met de commutator op zijn plaats, wanneer elektriciteit door het circuit stroomt, zal de coil continu in dezelfde richting draaien.
kunstwerk: een vereenvoudigd schema van de onderdelen in een elektrische motor. Animatie: hoe het in de praktijk werkt., Merk op hoe de commutator de stroom omkeert elke keer dat de spoel turnshalfway. Dit betekent dat de kracht aan elke kant van de spoel altijd in dezelfde richting pusht, waardoor de spoel met de klok mee blijft draaien.
een eenvoudige, experimentele motor zoals deze is niet in staat om veel vermogen te maken. We kunnen de draaikracht (of koppel)die de motor kan creëren op drie manieren verhogen: of we kunnen een meer krachtige permanente magneet hebben, of we kunnen de elektrische stroom die door de draad stroomt verhogen, of we kunnen de spoel zo maken dat het veel”bochten” (lussen) van zeer dunne draad heeft in plaats van een “beurt” van dikke draad.,In de praktijk heeft een motor ook de permanente magneet in een cirkelvormige vorm gebogen, zodat hij bijna de draadspoel raakt die erin roteert. Hoe dichter bij de magneet en de spoel, hoe groter de kracht die de motor kan produceren.
hoewel we een aantal verschillende onderdelen hebben beschreven, kun je denken dat een motor slechts twee essentiële componenten heeft:
- Er is een permanente magneet (of magneten) rond de rand van de motorbehuizing die statisch blijft, dus het wordt de stator van een motor genoemd.,
- in de stator bevindt zich de spoel, gemonteerd op een as die met hoge snelheid ronddraait—en dit wordt de rotor genoemd. De rotor bevat ook de commutator.
universele motoren
DC-motoren zoals deze zijn geweldig voor speelgoed op batterijen (dingen zoals modeltreinen, radiogestuurde auto ‘ s of elektrische scheerapparaten), maar je vindt ze niet in veel huishoudelijke apparaten. Kleine apparaten (dingen zoals koffiemolens of elektrische voedselmixers) hebben de neiging om zogenaamde universele motoren te gebruiken, die kunnen worden aangedreven door AC of DC., In tegenstelling tot een eenvoudige gelijkstroommotor heeft een universele motor een elektromagneet, in plaats van een permanente magneet, en hij neemt zijn kracht van de gelijk-of wisselstroom die u invoert:
- wanneer u in gelijkstroom voedt, werkt de elektromagneet als een conventionele permanente magneet en produceert een magnetisch veld dat altijd in dezelfde richting wijst. De commutator draait de spoelstroom om elke keer dat de spoel omslaat, net als bij een eenvoudige gelijkstroommotor, zodat de spoel altijd in dezelfde richting draait.,
- wanneer u AC invoert, echter, worden de stroom die door de elektromagneet stroomt en de stroom die door de spoel stroomt, beide omgekeerd, precies in stap, zodat de kracht op de spoel altijd in dezelfde richting is en de motor altijd met de klok mee of tegen de klok in draait. En de commutator? De frequentie van de stroom verandert veel sneller dan de motor draait en, omdat het veld en de stroom altijd in stap zijn, maakt het eigenlijk niet uit in welke positie de commutator zich op een bepaald moment bevindt.,
animatie: Hoe werkt een universele motor: de elektriciteitsvoorziening voorziet zowel het magnetische veld als de roterende spoel van stroom. Met een DC-voeding werkt een universele motor net als een conventionele DC-motor, zoals hierboven. Bij een AC-voeding veranderen zowel het magnetische veld als de spoelstroom van richting telkens wanneer de voedingsstroom omkeert. Dat betekent dat de kracht op de spoel altijd dezelfde kant op wijst.,
Foto: in een typische universele motor: de belangrijkste onderdelen in een middelgrote motor van een koffiemolen, die kan draaien op gelijkstroom of AC. De grijze elektromagneet rond de rand is de stator (statisch deel) en wordt aangedreven door de oranje-gekleurde spoelen. Let ook op de spleten in de commutator en de koolborstels die er tegenaan duwen, die de rotor van stroom voorzien (roterend deel)., Inductiemotoren in zaken als elektrische spoorweg treinen zijn vele malen groter en krachtiger dan dit, en werken altijd met behulp van hoogspanning wisselstroom (AC), in plaats van laagspanning gelijkstroom (DC), of de matig laagspanning huishoudelijke AC dat de bevoegdheden van universele motoren.
andere soorten elektromotoren
bij enkelvoudige gelijkstroom-en universele motoren draait de rotor in de stator. De rotor is een spoel aangesloten op de elektrische voeding en de stator is een permanente magneet of elektromagneet., Grote wisselstroommotoren (gebruikt in zaken als fabrieksmachines) werken op een iets andere manier: ze passeren wisselstroom door tegengestelde paren magneten om een roterend magnetisch veld te creëren, dat een magnetisch veld in de rotor van de motor “induceert” (creëert), waardoor het ronddraait. U kunt hier meer over lezen in ons artikel over AC inductiemotoren. Als je een van deze inductiemotoren uitpakt, zodat de stator effectief in een lange continue baan wordt gelegd, kan de rotor er in een rechte lijn langs rollen., Dit ingenieuze ontwerp staat bekend als een lineaire motor, en je vindt het in zaken als fabrieksmachines en drijvende “maglev” (magnetische levitatie) spoorwegen.
een ander interessant ontwerp is de borstelloze DC (BLDC) motor. De stator en de rotor wisselen effectief over, waarbij meerdere ijzeren spoelen statisch in het midden staan en de permanente magneet eromheen draait, en de commutator en borstels worden vervangen door een elektronisch circuit. U kunt meer lezen in ons hoofdartikel over naafmotoren.Stappenmotoren, die draaien door nauwkeurig gecontroleerde hoeken, zijn een variatie van borstelloze gelijkstroommotoren.,
