Elektrische motoren en generatoren

Een elektrische motor zet elektrische energie om in rotatiekinetische energie met behulp van de magnetische kracht op een stroomdragende spoel in een magnetisch veld, terwijl een generator het omgekeerde doet, waarbij roterende energie wordt omgezet in elektrische energie door een spoel te draaien in een veld om een emf te induceren. In het kort: het koppel op een motorspoel is τ = NBIA sin θ. Een generatorspoel die met hoeksnelheid ω in een veld B draait, produceert een afwisselende emf ε = NBAω sin ωt, met een piekwaarde NBAω. In een DC motor keert een split-ring pendelaar de stroom om de helft om het koppel in één richting te houden; in een AC generator geven slipringen een afwisselende output.

Bijna alle elektriciteit wordt geproduceerd door generatoren, en elektrische motoren draaien industriële machines, apparaten en elektrische voertuigen. Deze handleiding legt uit hoe motoren en generatoren werken, de rollen van de forensator en slipringen, vergelijkt de twee machines in een tabel, werkt door middel van numerieke voorbeelden voor koppel en emf en corrigeert gemeenschappelijke fouten.

Hoe werkt een DC motor?

Een eenvoudige DC motor heeft een rechthoekige spoel tussen de polen van een magneet. Wanneer een stroom stroomt, is de kracht aan de twee lange zijden van de spoel gelijk en tegenovergesteld (door Fleming’s linker-regel, omdat de stromen in tegengestelde richtingen), waardoor een koppel dat maakt dat de spoel roteert. Het koppel voor een spoel van N-draaiingen, gebied A, die stroom I, onder een hoek θ tussen het vlak normaal en het veld: τ = NBIA sin θ . Het koppel is maximaal wanneer de spoel evenwijdig aan het veld en nul is wanneer hij loodrecht staat. Bij de zero-torque positie, inertie draagt de spoel over, en de split-ring forenzenator, met penselen die de twee helften raken, keert de stroom in de spoel, zodat het koppel hetzelfde gevoel en de rotatie blijft. De snelheid kan worden verhoogd met de stroom of spanning, de sterkte van het veld en het aantal bochten. Praktische motoren gebruiken veel spoelen, gebogen paalstukken en ijzerkernen om een soepel koppel te verkrijgen. Als de spoel draait in het veld, wordt een emf opgewekt die zich verzet tegen de voedingsspanning (de back emf), die de stroom beperkt als de motor versnelt (een gekraakte motor trekt een zeer grote stroom).

Hoe werkt een generator?

In een generator (dynamo of dynamo) wordt de spoel gedraaid door een externe bron van mechanische energie (een turbine aangedreven door stoom, water, wind of een motor). De flux door de spoel is Φ = BA cos ωt, en de geïnduceerde emf, volgens de wet van Faraday, is ε = −N dΦ/dt = NBAω sin ωt . De output wordt afgewisseld, met een piek emf ε₀ = NBAω,, en frequentie f = ω ÷ 2π. De root- mean- square waarde is ε_rms = ε₀ ÷ √2 = 0.707ε₀. In een AC generator worden de uiteinden van de spoel aangesloten op twee slipringen, die tijdens de rotatie contact houden met het externe circuit. Een DC generator gebruikt een split-ring forenzen om een output van één polariteit (pulseren) te geven. Grote elektriciteitscentrales gebruiken roterende elektromagneten (de rotor) binnen vaste spoelen (de stator), met driefasenuitgangen, die 50 Hz of 60 Hz AC produceren. De output kan worden verhoogd door het verhogen van de snelheid, het veld, het gebied of het aantal bochten.

Vergelijkende motoren en generatoren

Gewerkt voorbeeld: koppel en piek emf

1. Motorkoppel. Een spoel met N = 50 toeren en een oppervlakte van 0.0040 m² draagt 3.0 A in een veld van 0.20 T. Het maximumkoppel (coil parallel aan het veld, sin θ = 1) is τ = NBIA = 50 × 0.20 × 3.0 × 0.0040 = 0.12 N·m.
2. Macht. Als de motor draait op 1,500 rpm (ω = 1,500 × 2π ÷ 60 = 157 rad/s) met een gemiddeld koppel van 0.08 N·m, is het mechanische vermogen P = τω = 0.08 × 157 = 12.6 W.
3. Generator emf. Een spoel heeft N = 100 draaiingen, gebied 0.020 m²,, en draait in een veld van 0.50 T bij 50 omwentelingen per seconde. ω = 2π × 50 = 314 rad/s. Piekemf = NBAω = 100 × 0.50 × 0.020 × 314 = 314 V. De RMS waarde = 314 ÷ 1.414 = 222 V.
4. Verdubbel de snelheid. Bij 100 omwentelingen per seconde is de piek emf 628 V en de frequentie verdubbelt tot 100 Hz.
5. Achteruit. Een motor op een 12 V voorziening met spoelweerstand 2.0 Ω trekt 6.0 A wanneer hij stilstaat (I = V ÷ R). Op volle snelheid is de achterkant 10 V, dus de huidige is (12 − 10) ÷ 2.0 = 1.0 A.

Hoe zijn ze uitgevonden?

Michael Faraday toonde de eerste elektrische motor in 1821 (a draad die rond een magneet draaide) en de eerste generator in 1831. Hippolyte Pixii bouwde een hand-cranked dynamo met een pendelaar in 1832. Werner von Siemens introduceerde de zelf opgewonden dynamo in 1866, en Nikola Tesla ontwikkelde AC inductiemotoren en polyfasesystemen in het 1880s, met George Westinghouse. Tegenwoordig gebruiken elektrische motoren ongeveer de helft van de elektriciteit ter wereld en zijn ze essentieel in elektrische voertuigen.

Welke fouten zijn er vaak?

Fouten 1: Verwarrende motoren en generatoren

Een motor gebruikt stroom om beweging te produceren, en een generator gebruikt beweging om stroom te produceren. Het apparaat is in principe hetzelfde.

Fout 2: Het zeggen dat de pendelaar maakt de huidige AC

In een DC motor keert hij de stroom in de spoel om zodat het koppel in dezelfde richting blijft.

Fouten 3: Vergeten van de achterkant emf

Een loopmotor trekt minder stroom dan een stilstaande.

Fouten 4: Het mengen van piek- en rms-waarden

De opgegeven netspanning (zoals 230 V) is de rms-waarde. De piekwaarde is 1.41 keer groter (325 V).