Moteurs électriques et générateurs
Moteurs électriques, générateurs, alternateurs et des haut-parleurs sont expliqués à l'aide des animations et des schémas.
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Le couple généré au cours d'un cycle varie avec la séparation verticale des deux forces. Elle dépend donc du sinus de l'angle entre l'axe de la bobine et sur le terrain. Cependant, en raison de la bague fendue, il est toujours dans le même sens. L'animation ci-dessous montre la variation dans le temps, et vous pouvez l'arrêter à tout moment et vérifier la direction en appliquant la règle de la main droite.
Moteurs et générateurs
Maintenant, un moteur à courant continu est également un générateur de courant continu. Jetez un oeil à l'animation suivante. La bobine, anneau fendu, brosses et aimant sont exactement le même matériel que le moteur ci-dessus, mais la bobine est tournée, ce qui génère une fem.
Si vous utilisez énergie mécanique pour faire tourner la bobine (N spires, zone A) à ω la vitesse angulaire uniforme dans le champ magnétique B. il va produire une force électromotrice sinusoïdale dans la bobine. fem (force électromotrice ou une force électromotrice est presque la même chose qu'une tension). Soit θ être l'angle entre B et la normale à la bobine, de sorte que le flux magnétique φ est NAB.cos θ. La loi de Faraday donne:-
fem = - phiv / dt = - (d / dt) (cos θ NBA)
un alternateur
Si nous voulons AC, on n'a pas besoin recification, donc on n'a pas besoin des anneaux brisés. (Ce sont de bonnes nouvelles, parce que les anneaux brisés provoquent des étincelles, l'ozone, des interférences radio et une usure supplémentaire. Si vous voulez DC, il est souvent préférable d'utiliser un alternateur et de rectification avec des diodes.)
Ceci est un générateur de courant alternatif. Les avantages des générateurs CA et CC sont comparés dans une section ci-dessous. Nous avons vu plus haut qu'un moteur à courant continu est également un générateur de courant continu. De même, un alternateur est également un moteur à courant alternatif. Cependant, il est plutôt inflexible. (Voir Comment réels moteurs électriques fonctionnent pour plus de détails.)
Voici donc un corollaire intéressant. Chaque moteur est un générateur. Cela est vrai, dans un sens, même quand il fonctionne comme un moteur. La force électromotrice d'un moteur qui génère est appelée la force contre-électromotrice. Le fcem augmente avec la vitesse, en raison de la loi de Faraday. Ainsi, si le moteur n'a pas de charge, il tourne très vite et accélère jusqu'à la fcem, plus la chute de tension due à des pertes, égale à la tension d'alimentation. Le fcem peut être considéré comme un « régulateur »: il arrête le moteur tourner infiniment rapidement (ainsi sauver des physiciens un peu d'embarras). Lorsque le moteur est chargé, la phase de la tension se rapproche de celle du courant (il commence à regarder de résistance) et cette résistance apparente donne une tension. Ainsi, le fcem requis est plus petit, et le moteur tourne plus lentement. (Pour ajouter le fcem, qui est inductif, au composant résistif, vous devez ajouter des tensions qui sont hors de phase. Voir les circuits AC.)
Bobines ont généralement des noyaux
Dans la pratique, (et contrairement aux schémas que nous avons dessinés), générateurs et moteurs à courant continu ont souvent un noyau à haute perméabilité à l'intérieur de la bobine, de sorte que de grands champs magnétiques sont produits par des courants modestes. Ceci est montré à gauche dans la figure ci-dessous dans laquelle les stators (les aimants qui sont stat-ionary) sont des aimants permanents.
moteurs « Universal »
Les aimants de stator, aussi, pourrait être comme électroaimants, comme indiqué ci-dessus à droite. Les deux stators sont bobinés dans le même sens de façon à donner un champ dans la même direction et le rotor a un champ qui renverse deux fois par cycle, car il est relié à des brosses, qui sont omis ici. Un avantage d'avoir stators plaie dans un moteur est que l'on peut faire un moteur qui fonctionne sur courant alternatif ou continu, un soi-disant moteur universel. Lorsque vous conduisez un moteur AC, le courant dans les changements de bobine deux fois dans chaque cycle (en plus des changements des brosses), mais la polarité des changements de stators en même temps, de sorte que ces modifications annulent. (Malheureusement, cependant, il existe des brosses encore, même si je les ai caché dans ce croquis.) Pour les avantages et les inconvénients de l'aimant permanent par rapport stators plaie, voir ci-dessous. Voir aussi plus sur les moteurs universels.
Construire un simple moteur
Pour construire ce moteur simple mais étrange, vous avez besoin de deux aimants assez forts (aimants de terres rares sur un diamètre de 10 mm serait bien, tout comme plus gros aimants de bar), un peu de fil de cuivre rigide (au moins 50 cm), deux fils avec des pinces crocodile sur ou l'autre extrémité, une batterie de lanterne de six volts, deux canettes de boisson gazeuse, deux blocs de bois, un peu de ruban adhésif et un clou pointu.
Maintenant obtenir une batterie et deux fils avec des pinces crocodile. Connecter les deux bornes de la batterie aux deux supports métalliques pour la bobine et il devrait tourner.
Notez que ce moteur a au moins un « point mort »: Il arrête souvent à l'endroit où il n'y a pas de couple sur la bobine. Ne le laissez pas trop longtemps: il aplatir rapidement la batterie.
Une autre relisation du moteur simple, par James Taylor.
Un moteur encore plus simple (qui est beaucoup plus simple à comprendre!) Est le moteur homopolaire.
La première chose à faire dans un moteur à courant alternatif est de créer un champ tournant. « Ordinaire » AC à partir d'une douille de broche 2 ou 3 est monophasé AC - il présente une différence de potentiel unique sinusoïdale générée entre seulement deux fils - actif et neutre. (Notez que le fil de terre ne porte pas de courant, sauf en cas de défauts électriques.) Avec du courant alternatif monophasé, on peut produire un champ tournant en générant deux courants qui sont hors de phase en utilisant par exemple un condensateur. Dans l'exemple représenté, les deux courants sont de 90 ° hors de phase, de sorte que la composante verticale du champ magnétique est sinusoïdale, tandis que l'horizontale est cosusoidal, comme illustré. Cela donne un champ tournant dans le sens antihoraire.
(* On m'a demandé d'expliquer ceci:. De la simple théorie alternative ni bobines ni condensateurs ont la tension en phase avec le courant dans un condensateur, la tension est maximale lorsque la charge est terminée qui coule sur le condensateur, et est. sur le point de commencer à couler au large. Ainsi, la tension est derrière le courant. Dans une bobine purement inductive, la chute de tension est le plus grand lorsque le courant est en train de changer plus rapidement, ce qui est quand le courant est nul. la tension (chute) est en avance sur le courant. en bobines du moteur, l'angle de phase est plutôt inférieure à 90Ў, parce que l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique).
Dans cette animation, les graphiques montrent la variation dans le temps des courants dans les bobines verticales et horizontales. Le tracé des composantes de champ Bx et By montre que la somme vectorielle de ces deux champs est un champ tournant. L'image principale montre le champ tournant. Il montre également la polarité des aimants: comme ci-dessus, le bleu représente un pôle nord et un pôle sud rouge.
Si nous mettons un aimant permanent dans ce domaine de champ tournant, ou si l'on met dans une bobine dont le courant tourne toujours dans le même sens, alors cela devient un moteur synchrone. Dans le cadre d'un large éventail de conditions, le moteur tourne à la vitesse du champ magnétique. Si nous avons beaucoup de stators, au lieu de seulement les deux paires montrés ici, alors nous pourrions considérer comme un moteur pas à pas: chaque impulsion déplace le rotor à la prochaine paire de pôles actionnés. S'il vous plaît rappelez-vous mon avertissement sur la géométrie idéalisée: moteurs pas à pas réel ont des dizaines de pôles et des géométries très complexes!
Les moteurs à induction
Maintenant, puisque nous avons un champ magnétique variable dans le temps, on peut utiliser la fem induite dans une bobine - ou même seulement les courants de Foucault dans un conducteur - pour rendre le rotor un aimant. C'est vrai, une fois que vous avez un champ magnétique tournant, vous pouvez simplement mettre dans un chef d'orchestre et il tourne. Cela donne plusieurs des avantages des moteurs à induction. pas des brosses ou des moyens plus faciles fabrication commutateur, pas d'usure, pas d'étincelles, pas de production d'ozone et aucune de la perte d'énergie qui leur est associée. En bas à gauche est un schéma d'un moteur à induction. (Pour les photos de vrais moteurs à induction et plus de détails, voir les moteurs à induction.)
L'animation à droite représente un moteur à cage d'écureuil. La cage d'écureuil a (dans cette géométrie simplifiée, en tout cas!) Deux conducteurs circulaires reliées par plusieurs barres droites. Tous les deux barres et les arcs qui les relient forment une bobine - comme indiqué par les tirets bleus dans l'animation. (Seulement deux des nombreux circuits possibles ont été montré, par souci de simplicité.)
Ce schéma suggère pourquoi ils pourraient être appelés moteurs à cage d'écureuil. La réalité est différente: pour les photos et plus de détails, voir les moteurs à induction. Le problème avec les moteurs asynchrones et à cage d'écureuil montrés dans cette animation est que les condensateurs de haute valeur et note haute tension sont chers. Une solution est le moteur « pôle ombragé », mais son champ tournant a des directions où le couple est faible, et il a tendance à courir en arrière dans certaines conditions. La neatest façon d'éviter cela est d'utiliser des moteurs de plusieurs phases.
Trois moteurs à induction à courant alternatif phase
Si l'on met un aimant permanent dans un tel ensemble de stators, il devient un moteur triphasé synchrone. L'animation montre une cage d'écureuil, dans lequel, pour la simplicité que l'une des nombreuses boucles de courant induit est représentée. En l'absence de sollicitation mécanique, il se tourne pratiquement en phase avec le champ tournant. Le rotor ne doit pas être une cage d'écureuil: en fait, tout conducteur qui transportera des courants de Foucault tournera, tendance à suivre le champ tournant. Cet agencement peut donner un moteur à induction capable d'un rendement élevé, une puissance élevée et un couple élevé sur une gamme de vitesses de rotation.
Les moteurs linéaires
Un ensemble de bobines peut être utilisé pour créer un champ magnétique qui se traduit, plutôt que de rotation. La paire de bobines dans l'animation ci-dessous sont puisées sur, de gauche à droite, de sorte que la région de champ magnétique se déplace de gauche à droite. Un permanent ou un électro-aimant aura tendance à suivre sur le terrain. Alors, serait d'une simple dalle de matériau conducteur, car les courants de Foucault induits dans ce (non représenté) comprennent un électro-aimant. Sinon, on pourrait dire que, de la loi de Faraday, une fem dans la dalle de métal est toujours induit de manière à opposer à toute variation du flux magnétique, et les forces sur les courants entraînés par cette fem maintiennent le flux dans la dalle presque constante. (Courants de Foucault ne figurent pas dans cette animation.)
Quelques remarques sur les moteurs CA et CC pour les applications de haute puissance
moteurs à induction monophasés ont des problèmes pour des applications combinant une puissance élevée et des conditions de charge flexibles. Le problème réside dans la production du champ tournant. Un condensateur peut être utilisée pour mettre le courant dans une série de bobines en avance, mais de grande valeur, les condensateurs à haute tension sont coûteuses. pôles grisées sont utilisés à la place, mais le couple est faible à certains angles. Si on ne peut pas produire un champ tournant en douceur, et si la charge « glisse » bien derrière le champ, le couple tombe ou même revers.
Haut-parleurs
Un haut-parleur est un moteur linéaire avec une petite plage. Il a une seule bobine mobile qui est en permanence mais de manière flexible câblé à la source de tension, donc il n'y a pas de brosses.
Pour basse fréquence, un grand bruit de longueur d'onde, on a besoin de grands cônes. Le haut-parleur est illustré ci-dessous un diamètre de 380 mm. Haut-parleurs conçus pour les basses fréquences sont appelées woofers. Ils ont une grande masse et sont donc difficiles à accélérer rapidement pour les sons à haute fréquence. Sur la photo ci-dessous, une section a été découpée pour montrer les composants internes.
Haut-parleurs sont considérés comme des moteurs linéaires avec une gamme modeste - peut-être des dizaines de mm. Moteurs linéaires similaires, même si bien sûr sans le cône de papier, sont souvent utilisés pour déplacer la tête de lecture et d'écriture radialement sur un lecteur de disque.
Haut-parleurs comme microphones
Dans le tableau ci-dessus, on peut voir qu 'un diaphragme en carton (le cône de haut-parleur) est relié à une bobine de fil dans un champ magnétique. Si une onde acoustique se déplace le diaphragme, la bobine se déplace sur le terrain, la génération d'une tension. Tel est le principe d'un microphone dynamique - bien que dans la plupart des micros, le diaphragme est un peu plus petit que le cône d'un haut-parleur. Ainsi, un haut-parleur devrait fonctionner comme un microphone. C'est un beau projet: tout ce que vous avez besoin est un haut-parleur et deux fils pour le connecter à l'entrée d'un oscilloscope ou l'entrée du microphone de votre ordinateur. Deux questions: que pensez-vous de la masse du cône et la bobine fera à la réponse en fréquence? Qu'en est-il de la longueur d'onde de sons votre utilisation?
Attention: les moteurs réels sont plus complexes
Les croquis des moteurs ont été des schémas pour montrer les principes. S'il vous plaît ne soyez pas en colère si, lorsque vous tirez un moteur à part, il semble plus compliqué! (Voir Comment fonctionnent les moteurs électriques réel.) Par exemple, un moteur à courant continu typique est susceptible d'avoir de nombreuses bobines enroulées séparément pour produire un couple plus lisse: il y a toujours une bobine pour laquelle le terme sinus est proche de l'unité. Ceci est illustré ci-dessous pour un moteur à stators bobinés (ci-dessus) et des stators permanents (ci-dessous).
transformateurs
Le croquis et le circuit montrent un transformateur élévateur. Pour un transformateur abaisseur, il suffit de mettre la source à droite et la charge sur la gauche. (Note de sécurité importantes. Pour un transformateur réel, vous ne pouvez « brancher à l'envers » seulement après avoir vérifié que la tension nominale était appropriée.) Alors, comment fonctionne un transformateur?
Efficacité des transformateurs
En savoir plus sur les transformateurs: AC vs génératrices à courant continu
Les transformateurs ne fonctionnent que sur AC, qui est l'un des grands avantages de l'AC. Les transformateurs permettent 240V à un pas à des niveaux pratiques pour l'électronique numérique (seulement quelques volts) ou pour d'autres applications de faible puissance (typiquement 12 V). Les transformateurs étape la tension pour la transmission, comme indiqué plus haut, et vers le bas pour la distribution en toute sécurité. Sans transformateurs, les déchets de l'énergie électrique dans les réseaux de distribution, déjà élevé, serait énorme. Il est possible de convertir des tensions en courant continu, mais plus compliqué que AC. De plus, ces conversions sont souvent inefficaces et / ou coûteux. AC a pour avantage supplémentaire qu'il peut être utilisé sur des moteurs à courant alternatif, qui sont généralement préférables aux moteurs à courant continu pour les applications de haute puissance.
Autres ressources de nous
Quelques liens externes vers des ressources web sur les moteurs et les générateurs
Quand j'ai reçu cette question sur le tableau d'affichage physique High School. Je l'ai envoyé à John Storey qui, en plus d'être un astronome distingué, est un constructeur de voitures électriques. Voici sa réponse: