jak działa silnik elektryczny—teoretycznie
zdjęcie: Elektryk naprawia Silnik elektryczny na lotniskowcu.Lśniący metal, którego używa, może wyglądać jak złoto,ale w rzeczywistości jest to miedź,dobry przewodnik, który jest znacznie tańszy. Zdjęcie autorstwa Jasona Jacobowitza dzięki uprzejmości US Navy.
związek między elektrycznością, magnetyzmem i ruchem został pierwotnie odkryty w 1820 roku przez francuskiego fizyka André-MarieAmpère(1775-1867) i jest to podstawowa nauka stojąca za silnikiem elektrycznym., Ale jeśli chcemy przekształcić to niesamowite odkrycie naukowe w bardziej praktyczną technologię do zasilania naszych kosiarek elektrycznych i szczoteczek do zębów, musimy posunąć się nieco dalej. Wynalazcami, którzy to zrobili, byli Anglicy Michael Faraday (1791-1867) i William Sturgeon (1783-1850) oraz Amerykanin John Henry (1797-1878). Oto, jak udało im się stworzyć swój genialny wynalazek.
Załóżmy, że wyginamy nasz drut w kwadratową, U-kształtną pętlę, aby przez pole magnetyczne przebiegały dwa równoległe druty., Jeden z nich odbiera prąd elektryczny od nas przez przewód, a drugi przywraca prąd z powrotem. Ponieważ prąd płynie w przeciwnych kierunkach w przewodach, zasada Fleminga mówi nam, że dwa przewody będą poruszać się w przeciwnych kierunkach. Innymi słowy, gdy włącza się prąd, jeden z przewodów przesunie się w górę, a drugi w dół.
gdyby cewka drutu mogła się tak poruszać, obracałaby się bez przerwy—a my bylibyśmy na dobrej drodze do zrobienia silnika elektrycznego. Ale to nie może się zdarzyć z naszym obecnym ustawieniem: przewody będą szybko się plątać., Nie tylko to, ale gdyby cewka mogła się obracać farenough, stało by się coś innego. Gdy cewka osiągnie pionową pozycję, przewróci się, więc prąd elektryczny przepływałby przez nią w przeciwnym kierunku. Teraz siły na każdej stronie cewki będą się cofać. Zamiast obracać się w sposób ciągły w tym samym kierunku, poruszałby się z powrotem w kierunku, który właśnie nadszedł!Wyobraźcie sobie pociąg elektryczny z takim silnikiem: utrzymywałby ruch do tyłu i do przodu na miejscu, nigdy nie idąc dokądkolwiek.,
jak działa silnik elektryczny—w praktyce
są dwa sposoby na rozwiązanie tego problemu. Jednym z nich jest użycie pewnego rodzaju prądu elektrycznego, który okresowo odwraca kierunek, który jest znany jako prąd zmienny (AC). w rodzaju małych, zasilanych bateryjnie silników, których używamy w całym domu, lepszym rozwiązaniem jest dodanie komponentu zwanego komutatorem do końcówek cewki. (Nie przejmuj się bezsensowną nazwą techniczną: to nieco Staromodne słowo ” komutacja „jest trochę jak słowo”dojazdy”., Oznacza to po prostu zmianę tam iz powrotem w tym samym kierunku, który dojeżdża do pracy oznacza Podróżowanie tam iz powrotem.) W najprostszej formie, komutator jest metalowym pierścieniem podzielonym na dwie oddzielne połówki i jego zadaniem jest odwrócenie prądu elektrycznego w cewce za każdym razem, gdy Koil obraca się o połowę. Jeden koniec cewki jest przymocowany dokażda połowa komutatora. Prąd elektryczny z akumulatora łączy się z zaciskami elektrycznymi silnika.,Są one zasilane energią elektryczną do komutatora za pomocą pary luźnych łączników zwanych szczotkami, wykonanych z kawałków grafitu (miękkiego węgla podobnego do ołówka”ołówka”) lub cienkich długości sprężystego metalu,który (jak sama nazwa wskazuje) „szczotkuje” o komutator. Z komutatorem na miejscu, gdy energia elektryczna przepływa przez obwód, Koil będzie obracał się w sposób ciągły w tym samym kierunku.
grafika: uproszczony schemat części w silniku elektrycznym. Animacja: jak to działa w praktyce., Zauważ, jak komutator odwraca prąd za każdym razem, gdy cewka skręca. Oznacza to, że siła po każdej stronie cewki jest zawsze pchanie w tym samym kierunku, co utrzymuje cewkę obracającą się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
taki prosty, eksperymentalny silnik nie jest w stanie uzyskać takiej mocy. MoĹĽemy zwiÄ ™ kszyÄ ‡ siĹ 'Ä ™ obrotowÄ … (lub moment obrotowy), ktĂłrÄ … moĹĽna wytworzyÄ ‡ na trzy sposoby: albo moĹĽemy mieÄ ‡ mocniejszy magnes trwaĹ' y, albo moĹĽemy zwiÄ ™ kszyÄ ‡ prÄ … d elektryczny przepĹ 'ywajÄ … cy przez drut, albo moĹĽemy wykonaÄ ‡ cewkÄ ™ tak, aby miaĹ 'a ona wiele”zwojăłw” (pętli) bardzo cienkiego drutu zamiast jednego „zwoju” grubego drutu.,W praktyce silnik ma również magnes trwały zakrzywiony wokółku, dzięki czemu prawie dotyka zwoju drutu, który obraca się przy nim. Im bliżej magnesu i cewki, tym większa siła, jaką może wytworzyć silnik.
chociaż opisaliśmy wiele różnych części, można myśleć, że silnik ma tylko dwa zasadnicze elementy:
- wokół krawędzi obudowy silnika znajduje się magnes trwały (lub magnesy), który pozostaje statyczny, więc nazywa się to stojanem silnika.,
- wewnątrz stojana znajduje się cewka, zamontowana na osi, która obraca się z dużą prędkością—a to się nazywa wirnik. Wirnik zawiera również komutator.
Silniki uniwersalne
silniki PRĄDU STAŁEGO są świetne do zabawek zasilanych bateryjnie (takich jak modele pociągów, samochody sterowane radiowo lub golarki elektryczne), ale nie można ich znaleźć w wielu urządzeniach gospodarstwa domowego. Małe urządzenia (takie jak Młynki do kawy lub elektryczne miksery do żywności) zwykle używają tak zwanych silników uniwersalnych, które mogą być zasilane prądem przemiennym lub stałym., W przeciwieństwie do prostego silnika PRĄDU stałego, silnik uniwersalny ma elektromagnes zamiast magnesu stałego i pobiera swoją moc z prądu stałego lub prądu przemiennego, w którym zasilasz:
- gdy zasilasz prąd stały, elektromagnes działa jak konwencjonalny magnes trwały i wytwarza pole magnetyczne, które zawsze jest skierowane w tym samym kierunku. Komutator odwraca prąd cewki za każdym razem, gdy cewka się przewraca, tak jak w prostym silniku PRĄDU STAŁEGO, więc cewka zawsze obraca się w tym samym kierunku.,
- podczas podawania prądu przemiennego, prąd przepływający przez elektromagnes i prąd przepływający przez cewkę są odwrotne, dokładnie w kroku, więc siła na cewce jest zawsze w tym samym kierunku, a silnik zawsze obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. A co z komutatorem? Częstotliwość prądu zmienia się znacznie szybciej niż silnik obraca się, a ponieważ pole i prąd są zawsze w kroku, nie ma znaczenia, w jakiej pozycji znajduje się komutator w danym momencie.,
animacja: jak działa uniwersalny silnik: zasilanie elektryczne zasila zarówno pole magnetyczne, jak i obracającą się cewkę. Z zasilaniem DC, uniwersalny silnik działa tak jak konwencjonalny DC, jak powyżej. Przy zasilaniu prądu przemiennego zarówno pole magnetyczne, jak i prąd cewki zmieniają kierunek za każdym razem, gdy prąd zasilający się odwraca. Oznacza to, że siła na cewce jest zawsze skierowana w ten sam sposób.,
zdjęcie: wewnątrz typowego silnika uniwersalnego: główne części wewnątrz średniej wielkości silnika z młynka do kawy, który może pracować na DC lub AC. Szary elektromagnes wokół krawędzi jest stojanem (część statyczna)i jest zasilany przez pomarańczowe cewki. Zwróć również uwagę na szczeliny w komutatorze i pchające do niego szczotki węglowe, które zapewniają moc wirnikowi (części wirującej)., Silniki indukcyjne w takich rzeczach jak elektryczne pociągi kolejowe są wielokrotnie większe i mocniejsze niż to i zawsze pracują przy użyciu wysokiego napięcia prądu przemiennego (AC), zamiast niskiego napięcia PRĄDU STAŁEGO (DC) lub umiarkowanie niskiego napięcia prądu przemiennego, który zasila silniki uniwersalne.
inne rodzaje silników elektrycznych
w prostych silnikach prądu stałego i uniwersalnych wirnik obraca się wewnątrz stojana. Wirnik jest cewką podłączoną do zasilania elektrycznego, a Stojan jest magnesem trwałym lub elektromagnesem., Duże silniki PRĄDU PRZEMIENNEGO (stosowane w maszynach fabrycznych) działają w nieco inny sposób: przepuszczają prąd zmienny przez przeciwstawne pary magnesów, tworząc wirujące pole magnetyczne, które „indukuje” (tworzy) pole magnetyczne w wirniku silnika, powodując jego wirowanie. Możesz przeczytać więcej na ten temat w naszym artykule na temat silników indukcyjnych AC. Jeśli weźmiesz jeden z tych silników indukcyjnych i „rozpakujesz” go, aby Stojan został skutecznie ułożony w długą, ciągłą prowadnicę, wirnik może toczyć się wzdłuż niego w linii prostej., Ten genialny projekt jest znany jako silnik liniowy, i znajdziesz go w takich rzeczach, jak maszyny fabryczne i pływające „maglev” (Lewitacja Magnetyczna) kolei.
kolejną ciekawą konstrukcją jest bezszczotkowy silnik DC (BLDC). Stojan i wirnik skutecznie się zmieniają, z wieloma cewkami żelaznymi statycznymi w środku i magnesem trwałym obracającym się wokół nich, a komutator i szczotki są zastępowane obwodem elektronicznym. Możesz przeczytać więcej w naszym głównym artykule na temat silników piasty.Silniki krokowe, które obracają się dzięki precyzyjnie kontrolowanym kątom, są odmianą bezszczotkowych silników prądu stałego.,
