hur en elektrisk motor fungerar-i teorin
foto: en elektriker reparerar en elektrisk motorbräda ett hangarfartyg.Den glänsande metallen han använder kan se ut som guld, men det är faktiskt koppar, en bra ledare som är mycket billigare. Foto Jason Jacobowitz artighet av US Navy.
kopplingen mellan elektricitet, magnetism och rörelse upptäcktes ursprungligen 1820 av den franske fysikern André-MarieAmpère(1775-1867) och det är grundvetenskapen bakom en elmotor., Men om vi vill göra den här fantastiska vetenskapliga upptäckten till en mer praktisk teknik för att driva våra elektriska gräsklippare och tandborstar, måste vi ta det lite längre. Uppfinnarna som gjorde det var Engelsmän Michael Faraday (1791-1867)och William Sturgeon (1783-1850) och AmericanJoseph Henry (1797-1878). Så här visade de på sin briljanta uppfinning.
Antag att vi böjer vår tråd i en squarish, U-formad slinga så att det finns effektivtvå parallella trådar som löper genom magnetfältet., En av demtar den elektriska strömmen bort från oss genom tråden och den andraEn ger strömmen tillbaka igen. Eftersom strömmen strömmar imotsatta riktningar i ledningarna, berättar Flemings vänstra regel oss atttvå ledningar kommer att röra sig i motsatta riktningar. Med andra ord, när wiswitch på elen, kommer en av ledningarna att röra sig uppåt och denandra kommer att röra sig nedåt.
om trådspolen kunde fortsätta att röra sig så här skulle den rotera kontinuerligt—och vi skulle vara på god väg att göra en elektrisk motor. Men det kan inte hända med vår nuvarande inställning: ledningarna kommer snabbt att trassla upp., Inte bara det, men om spolen kunde rotera farenough, skulle något annat hända. När spolen nådde vertikalpositionen skulle den vända över, så den elektriska strömmen skulle flöda genom den på motsatt sätt. Nu skulle krafterna på varjesida av spolen vända. I stället för att rotera kontinuerligt i samma riktning skulle den röra sig tillbaka i den riktning den just hade kommit!Föreställ dig ett eltåg med en motor som denna: det skulle hålla tillbaka och framåt på plats utan att någonsin faktiskt gå överallt.,
hur en elektrisk motor fungerar—i praktiken
det finns två sätt att övervinna detta problem. En är att använda en slagselektrisk ström som periodiskt vänder riktning, vilket är käntsom en växelström(AC). i den typ av små, batteridrivna motorer Vi använder runt hemmet är en bättre lösning att lägga till en komponentkallad en kommutator tillsluten av spolen. (Oroa dig inte för det meningslösa tekniskanamn: det här lite gammaldags ordet ”pendling” är lite som ordet ”pendla”., Det betyder helt enkelt att ändra fram och tillbaka på sammasätt som pendlar innebär att resa fram och tillbaka.) I sin enklaste form, thecommutator är en metallring uppdelad i två separata halvor ochdess jobb är att vända den elektriska strömmen i spolen varje gångkylen roterar genom en halv tur. Ena änden av spolen är fäst vidvarje halv av kommutatorn. Den elektriska strömmen från batterietansluter till motorns elektriska terminaler.,Dessa matar elektrisk kraft i kommutatorn genom ett par looseconnectors kallade borstar, gjordeantingen från bitar av grafit (mjukt kol som liknar penna”bly”) eller tunna längder av fjädrande metall,som (somNamnet antyder) ”borste” mot kommutatorn. Med thecommutator på plats, när el strömmar genom kretsen, kommer thecoil rotera kontinuerligt i samma riktning.
konstverk: ett förenklat diagram över delarna i en elektrisk motor. Animation: hur det fungerar i praktiken., Observera hur kommutatorn ändrar strömmen varje gång spolen vridshalfway. Detta innebär att kraften på varje sida av spolen alltidspushing i samma riktning, vilket håller spolen roterande medurs.
en enkel, experimentell motor som denna är inte kapabel att makingmuch makt. Vi kan öka vridkraften (eller vridmomentet) sommotorn kan skapa på tre sätt: antingen kan vi ha en merkraftfull permanentmagnet, eller vi kan öka den elektriska strömmenflödar genom tråden, eller vi kan göra spolen så att den har många”varv” (slingor) av mycket tunn tråd istället för en ”sväng” av tjock tråd.,I praktiken har en motor också den permanenta magneten böjd i acirkelform så att den nästan berör spolen av tråd som roterarinuti den. Ju närmare magneten och spolen är, desto större kraft kan motorn producera.
Även om vi har beskrivit ett antal olika delar, kan du tänka på en motor som har bara två väsentliga komponenter:
- Det finns en permanentmagnet (eller magneter) runt kanten av motorhuset som förblir statiskt, så det kallas stator av en motor.,
- inuti statorn finns spolen, monterad på en axel som snurrar runt med hög hastighet—och detta kallas rotorn. Rotorn innehåller också kommutatorn.
universella motorer
likströmsmotorer som detta är bra för batteridrivna leksaker (saker som modelltåg, radiostyrda bilar eller elektriska rakapparater), men du hittar dem inte i många hushållsapparater. Små apparater (saker som kaffekvarnar eller elektriska matblandare) tenderar att använda vad som kallas universalmotorer, som kan drivas av antingen AC eller DC., Till skillnad från en enkel likströmsmotor har en universalmotor en elektromagnet, istället för en permanentmagnet, och den tar sin kraft från DC-eller växelström som du matar in:
- när du matar i DC fungerar elektromagneten som en vanlig permanent magnet och producerar ett magnetfält som alltid pekar i samma riktning. Kommutatorn vänder spolströmmen varje gång spolen vänder över, precis som i en enkel DC-motor, så spolen snurrar alltid i samma riktning.,
- när du matar in AC, strömmar strömmen genom elektromagneten och strömmen som strömmar genom spolen båda bakåt, exakt i steg, så kraften på spolen är alltid i samma riktning och motorn snurrar alltid antingen medurs eller moturs. Hur är det med kommutatorn? Frekvensen av strömmen förändras mycket snabbare än motorn roterar och, eftersom fältet och strömmen alltid är i steg, spelar det ingen roll vilken position kommutatorn är i vid varje given tidpunkt.,
Animation: Hur en universell motor fungerar: elförsörjningen driver både magnetfältet och den roterande spolen. Med en DC-tillförsel fungerar en universell motor precis som en vanlig DC, som ovan. Med en växelström ändras både magnetfältet och spolströmmen varje gång matningsströmmen återgår. Det betyder att kraften på spolen alltid pekar på samma sätt.,
foto: inuti en typisk universell motor: huvuddelarna inuti en medelstor motor från en kaffekvarn, som kan köras på antingen DC eller AC. Den grå elektromagneten runt kanten är statorn (statisk del) och dess drivna av de orangefärgade spolarna. Observera också slitsarna i kommutatorn och kolborstarna som skjuter mot den, vilket ger ström till rotorn (roterande del)., Induktionsmotorer i sådana saker som elektriska järnvägståg är många gånger större och kraftfullare än detta, och alltid arbeta med högspännings växelström (AC), i stället för lågspännings likström (DC), eller måttligt lågspännings hushåll AC som driver universalmotorer.
andra typer av elmotorer
i enkla likströmsmotorer och universalmotorer snurrar rotorn inuti statorn. Rotorn är en spole ansluten till elnätet och statorn är en permanent magnet eller elektromagnet., Stora växelströmsmotorer (används i saker som fabriksmaskiner) fungerar på ett något annorlunda sätt: de passerar växelström genom motsatta par magneter för att skapa ett roterande magnetfält, vilket ”inducerar” (skapar) ett magnetfält i motorns rotor, vilket gör att det snurrar runt. Du kan läsa mer om detta i vår artikel om AC induction motors. Om du tar en av dessa induktionsmotorer och” unwrap ” det, så statorn läggs effektivt ut i ett långt kontinuerligt spår, kan rotorn rulla längs den i en rak linje., Denna geniala design är känd som en linjär motor, och du hittar den i sådana saker som fabriksmaskiner och flytande ”maglev” (magnetisk levitation) järnvägar.
en annan intressant design är den borstlösa DC (BLDC) motorn. Statorn och rotorn byter effektivt över, med flera järnspolar statiska i mitten och den permanenta magneten som roterar runt dem, och kommutatorn och borstarna ersätts av en elektronisk krets. Du kan läsa mer i vår Huvudartikel om navmotorer.Stegmotorer, som vänder sig genom exakt kontrollerade vinklar, är en variation av borstlösa likströmsmotorer.,
