Motores eléctricos y generadores

Motores de DC

• * vario diverso nmemonics se utiliza para recordar la dirección de la fuerza. Algunos utilizan la mano derecha, alguna la izquierda. Para los estudiantes que conocen la multiplicación del vector, es fácil de utilizar la fuerza de Lorentz directamente: F = q v X B, de dónde F = i DL X B. Ése es el origen del diagrama mostrado aquí.

• En todas partes, utilizamos azul para el Polo Norte y el rojo para el del sur. Esto es apenas un convenio para hacer la orientación claramente: no hay diferencia en el material en cualquier extremo del imán, y no son pintaron generalmente un diverso color.

Observe el efecto de los cepillos sobre el anillo partido. Cuando el avión de la bobina giratoria alcanza horizontal, los cepillos romperán el contacto (no se pierde mucho, porque éste es el punto del esfuerzo de torsión cero de todos modos – las fuerzas actúan hacia adentro). El ímpetu angular de la bobina la lleva pasado este punto de desempate y los flujos de entonces actuales en la dirección opuesta, que invierte el dipolo magnético. Así pues, después de pasar el punto de desempate, el rotor continúa dando vuelta en sentido contrario a las agujas del relojdejktw'n y comienza a alinear en la dirección opuesta. En el texto siguiente, utilizaré en gran parte ‘esfuerzo de torsión en la imagen de un imán’, pero seré consciente que el uso de cepillos o de la corriente de la CA puede hacer los polos del electroimán en la pregunta intercambiar la posición cuando la dirección actual de los cambios.

El esfuerzo de torsión generó sobre un ciclo varía con la separación vertical de las dos fuerzas. Por lo tanto depende del seno del ángulo entre el eje de la bobina y el campo. Sin embargo, debido al anillo partido, está siempre en el mismo sentido. La animación abajo muestra su variación a tiempo, y usted puede pararla en cualquier etapa y comprobar la dirección aplicando la regla derecha.
 

Motores y generadores

Si usted utiliza energía mecánica para girar la bobina (vueltas de N, área A) en el ω uniforme de la velocidad angular en el campo magnético B, producirá a un emf sinusoidal en la bobina. emf (un emf o una fuerza electromotriz casi es la misma cosa que un voltaje). El θ dejado sea el ángulo entre B y el normal de la bobina, así que el φ del flujo magnético es θ de NAB.cos. La ley de Faraday da:

• emf = − dφ/dt = − (d/dt) (θ de NBA lechuga romana)

  = θ del pecado de NBA (dθ/dt) = ωt del pecado de NBAω.

Un alternador

En la animación siguiente, los dos cepillos entran en contacto con dos anillos continuos, así que los dos terminales externos están conectados siempre con los mismos extremos de la bobina. El resultado es el emf unrectified, sinusoidal dado por el ωt del pecado de NBAω, que se muestra en la animación siguiente.

Emf de la parte posterior

Tan aquí está un corolario interesante. Cada motor es un generador. Esto es verdad, en cierto modo, incluso cuando funciona como un motor. Llaman el emf que un motor genera el emf de la parte posterior. Los aumentos traseros del emf con la velocidad, debido a la ley de Faraday. Así pues, si el motor no tiene ninguna carga, da vuelta muy rápidamente y acelera hasta el emf trasero, más la caída de voltaje debido a las pérdidas, iguala el voltaje de fuente. El emf de la parte posterior puede ser pensado en como ‘regulador’: para el motor que da vuelta infinitamente rápidamente (los físicos de tal modo de ahorro una cierta vergüenza). Cuando se carga el motor, después la fase del voltaje se convierte más cercano a la del actual (él comienza a parecer resistente) y esta resistencia evidente da un voltaje. El emf de la parte posterior requerido es tan más pequeño, y el motor da vuelta más lentamente. (Para añadir al emf de la parte posterior, que es inductivo, al componente resistente, usted necesita añadir los voltajes que son fuera de fase. Vea los circuitos de la CA.)

Las bobinas tienen generalmente corazones

En la práctica, (y a diferencia de los diagramas que hemos dibujado), los generadores y los motores de DC tenga a menudo una alta base de la permeabilidad dentro de la bobina, de modo que los campos magnéticos grandes sean producidos por las corrientes modestas. Esto se muestra en la izquierda en la figura abajo en la cual los estatores (los imanes que están inmóviles) son imanes permanentes.

Motores ‘universales’

Los imanes del estator, se podrían hacer también como electroimanes, como se muestra arriba en la derecha. Los dos estatores se hieren en la misma dirección para dar un campo en la misma dirección y el rotor tenga un campo que invierta dos veces por ciclo porque está conectado con los cepillos, que se omiten aquí. Una ventaja de herir los estatores en un motor es que uno puede hacer un motor que corra en la CA o DC, un supuesto motor universal. Cuando usted conduce tal motor con la CA, la corriente en los cambios de la bobina dos veces en cada ciclo (además de cambios de los cepillos), solamente la polaridad de los cambios de los estatores al mismo tiempo, estos cambios anularse tan. (Desafortunadamente, sin embargo, todavía hay cepillos, aunque los he ocultado en este bosquejo.) Para las ventajas y las desventajas del imán permanente contra los estatores heridos, vea abajo. También vea más en los motores universales.

Construya un motor simple

Haga la bobina fuera del alambre de cobre tieso, así que no necesita ninguna ayuda externa. Las vueltas del viento 5 a 20 en un círculo cerca de 20 milímetros de diámetro, y tienen los dos extremos señalan radialmente hacia fuera en direcciones opuestas. Estos extremos serán el árbol y los contactos. Si el alambre tiene la laca o aislamiento plástico, pélelo en los extremos.

Motores de CA

La primera cosa a hacer en un motor de CA es crear un campo de rotación. la CA del ‘ordinario’ de un zócalo de 2 o 3 pernos es CA la monofásico--tiene una sola diferencia potencial sinusoidal generada entre solamente dos alambres--el activo y neutral. (Observe que el alambre de tierra no lleva una corriente excepto en caso de faltas eléctricas.) Con la CA la monofásico, una puede producir un campo de rotación generando dos corrientes que sean fuera de fase usando por ejemplo un condensador. En el ejemplo mostrado, las dos corrientes son el 90° fuera de fase, así que el componente vertical del campo magnético es sinusoidal, mientras que el horizontal es cosusoidal, como se muestra. Esto da un campo que gira a la izquierda.

(* me han pedido explicar esto: de teoría simple de la CA, ni las bobinas ni los condensadores tienen el voltaje en fase con la corriente. En un condensador, el voltaje es un máximo cuando la carga ha acabado fluir sobre el condensador, y es alrededor comenzar a fluir apagado. Así el voltaje está detrás de la corriente. En una bobina puramente inductiva, la caída de voltaje es la más grande cuando la corriente está cambiando lo más rápidamente posible, que es también cuando la corriente es cero. El voltaje (descenso) está delante de la corriente. En bobinas del motor, el ángulo de fase es bastante menos del ¡90, porque la energía eléctrica se está convirtiendo a la energía mecánica.)

En esta animación, los gráficos muestran la variación a tiempo de las corrientes en las bobinas verticales y horizontales. El diagrama de los componentes Bx del campo y por muestra que la suma de vector de estos dos campos es un campo de rotación. La imagen principal muestra el campo de rotación. También muestra la polaridad de los imanes: como arriba, el azul representa un Polo Norte y una a roja South Pole.

Si ponemos un imán permanente en esta área del campo de rotación, o si ponemos en una bobina cuya corriente corra siempre en la misma dirección, después esto se convierte en un motor síncrono. Bajo una amplia gama de condiciones, el motor dará vuelta a la velocidad del campo magnético. Si tenemos muchos estatores, en vez apenas ante los dos pares mostrados aquí, después de nosotros podría considerarlo como motor de pasos: cada pulso mueve el rotor encendido a los pares siguientes de polos actuados. Recuerde por favor mi advertencia sobre la geometría idealizada: ¡los motores de pasos reales tienen docenas de polos y de geometrías muy complicadas!

Motores de inducción

La animación en la derecha representa un motor de la jaula de ardilla. La jaula de ardilla tiene (en esta geometría simplificada, de todos modos!) dos conductores circulares unidos por varias barras rectas. Cualquier dos barras y los arcos que se unan a las para formar una bobina – según lo indicado por las rociadas azules en la animación. (Solamente dos de los muchos circuitos posibles se han mostrado, para la simplicidad.)

Este diagrama esquemático sugiere porqué puede ser que sean llamados los motores de la jaula de ardilla. La realidad es diferente: para las fotos y más detalles, vea los motores de inducción. El problema con los motores de la jaula de la inducción y de ardilla mostrados en esta animación es que los condensadores del elevado valor y del grado de alto voltaje son costosos. Una solución es el motor del ‘polo sombreado’, pero su campo de rotación tiene algunas direcciones donde está pequeño el esfuerzo de torsión, y tiene una tendencia a correr al revés bajo algunas condiciones. La manera más aseada de evitar esto es utilizar los motores múltiples de la fase.

Motores de inducción trifásicos de la CA

Si uno pone un imán permanente en tal sistema de estatores, se convierte en un motor trifásico síncrono. La animación muestra una jaula de ardilla, en cuál para la simplicidad se muestra solamente una de los muchos lazos actuales inducidos. Sin carga mecánica, está dando vuelta virtualmente en fase con el campo de rotación. El rotor no necesita ser una jaula de ardilla: de hecho cualquier conductor que lleve corrientes de Foucault girará, tendiendo a seguir el campo de rotación. Este arreglo puede dar un motor de inducción capaz de eficacia alta, de poder más elevado y de altos esfuerzos de torsión sobre una gama de tarifas de la rotación.

Motores lineares