Как сделать генератор с электродвигателя: Асинхронный электродвигатель в качестве генератора

Содержание

Электродвигатель как генератор — ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Содержание

  1. Законы, позволяющие использовать асинхронный электродвигатель как генератор
  2. Способы переделки электродвигателя в генератор
  3. Торможение реактивной нагрузкой
  4. Самовозбуждение электродвигателя
  5. Что нужно знать, чтобы электродвигатель работал как генератор
  6. Насколько эффективно использование электродвигателя в качестве генератора

Всем известно, что работа электродвигателя – это преобразование электрической энергии в механическую. Удастся ли заставить его преобразовывать механическую энергию в электрическую, чтобы использовать электродвигатель как генератор? Благодаря действующему в электротехнике принципу обратимости это возможно. Но нужно четко знать принцип работы агрегата и создать условия, способствующие превращению.

Законы, позволяющие использовать асинхронный электродвигатель как генератор

В генераторе напряжение, обычно подаваемое с аккумулятора, возбуждает в обмотке якоря магнитное поле, вращение же обеспечивается любым физическим устройством.

В электродвигателе возможность подачи напряжения на обмотку якоря не предусмотрена. Чтобы он не поглощал, а вырабатывал электроэнергию, магнитное поле необходимо создать искусственно.

В асинхронном двигателе вращающееся магнитное поле ротора «отстает» от поля статора, обеспечивая процесс перехода электроэнергии в механическую энергию. Следовательно, чтобы запустить обратный процесс, нужно сделать так, чтобы поле статора вращалось медленнее поля ротора, либо чтобы оно вращалось в противоположную сторону.

Способы переделки электродвигателя в генератор

Есть два способа «регулировки» магнитного поля статора.

Торможение реактивной нагрузкой

Сделать это можно с помощью мощной конденсаторной батареи. Включите ее в цепь питания двигателя, который работает в обычном режиме. Заряд, накопленный в батарее, будет в противофазе с зарядом, создаваемым питающим напряжением, что приведет к замедлению последнего. После этого двигатель вместо поглощения тока начинает генерировать его, отдавая в сеть.

Любой транспорт на электротяге работает именно благодаря этому эффекту – при «самостоятельном» движении под уклон механическая энергия не требуется, и конденсаторная батарея автоматически подключается к цепи питания. Вырабатываемая энергия подается в сеть, чтобы затем опять преобразоваться в механическую.

Самовозбуждение электродвигателя

Остаточное магнитное поле ротора может произвести ЭДС, достаточное для зарядки конденсатора. Вследствие этого возникает эффект самовозбуждения, что делает возможным переход двигателя в режим генерации электроэнергии. Непрерывность этого процесса обеспечивает конденсаторная батарея, подпитывающаяся от произведенного тока.

Этот способ является более действенным, и именно он подходит, если вы хотите применить асинхронный электродвигатель как генератор.

Что нужно знать, чтобы электродвигатель работал как генератор

При переделке двигателя в генератор следует учитывать следующие технические детали:

  • Не пытайтесь использовать электролитические конденсаторы – они не пригодны для подключения в цепь.
    Вам нужны неполярные конденсаторные батареи.
  • В трехфазных машинах конденсаторы могут включаться по схеме «треугольник» или «звезда». В первом случае величина напряжения на выходе выше, а во втором генерация начинается на меньших оборотах ротора. Выбирайте оптимальный для достижения вашей цели вариант.
  • Однофазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором тоже могут генерировать электроэнергию. Запуск осуществляется с помощью фазосдвигающего конденсатора.

Поскольку определить необходимую величину емкости конденсаторной батареи невозможно, остается подбирать ее по весу – он должен быть равен весу двигателя или слегка превышать его.

Насколько эффективно использование электродвигателя в качестве генератора

У использования электродвигателя как генератора есть свои «плюсы»:

  • Агрегат достаточно прост в обслуживании и экономичен, поскольку конденсатор получает энергию от остаточного поля ротора и от вырабатываемого тока.
  • Практически отсутствуют «побочные» траты энергии на магнитные поля или бесполезный нагрев.

И «минусы»:

  • Преобразованный в генератор двигатель чувствителен к перепадам нагрузки.
  • Частота вырабатываемого тока часто нестабильна.
  • Такой генератор не может обеспечить промышленную частоту тока.

Если в вашем случае преимущества перевешивают недостатки, то применение асинхронного генератора целесообразно.


Как переделать любой асинхронный двигатель в генератор


Тот кто знаком с устройством асинхронного двигателя прекрасно знает, что работать просто так в режиме генератора он не будет. Все дело в отсутствии магнитного поля, способного создать электродвижущую силу в обмотках его статора. Но что будет, если доработать ротор мотора постоянными магнитами? По сути должен получиться генератор, способный преобразовывать механическую энергию в электрический ток. Давайте проверим.

Понадобится



Переделка асинхронного двигателя в генератор переменного тока


Вскрываем корпус двигателя, открутив крепежные винты. Снимаем крышку одной из сторон.

Вытаскиваем якорь, он же короткозамкнутый ротор.

Осматриваем статор на повреждения на всякий случай на наличие повреждений. И определяемся с чередованием постоянных магнитов.

Неодимовые магниты плоские, а круглые, потому что их будет проще установить.

Занимаем примерное расположение магнитов на роторе.

Обклеиваем якорь малярным скотчем, повторяем расстановку.

Для наглядности рисуем полюса магнитов.

Сверлим глухие отверстия по диаметру и толщине магнитов. Разводим эпоксидную смолу и вклеиваем магнитики в углубления заподлицо.

Красим для эстетического вида и защиты от коррозии все части электродвигателя.

Устанавливаем ротор обратно. Сборку производим в обратной последовательности.

Фиксируем болтами крышки двигателя.

Проверка генератора


Подключаем дрель или шуруповерт к валу мотора.

Обеспечиваем вращение. Как видно выходное напряжение присутствует.

Теперь подключаем нагрузку. Это люминисцентная лампа на 220В и 5 Вт. Так как двигатель трехфазный, для концентрации энергии в одной точке, свободную обмотку шунтируем конденсатором.

Лампа светит ярко, почти как от сети.

Мощность, напряжения, требуемый момент вращения — все это будет зависеть от модели конкретного электродвигателя.

Заключение


В данном примере получился генератор, требующий больших оборотов. Теоретически его конечно же можно использовать, скажем, в ветряке и снимать небольшое напряжение порядка 20-30 В. Он вполне будет работать, так как в нем практически отсутствует магнитное залипание и ветер будет без лишних усилий крутить лопастя.

Смотрите видео


Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы | Секреты дедова ремонта

Электрики давно научились извлекать пользу из принципа обратимости электрических машин: когда попадает в руки вроде бы ненужный трехфазный движок, то его можно раскрутить от бытовой сети или вырабатывать бесплатную электрическую энергию.

Эта статья рассказывает, как можно просто и надежно сделать генератор из асинхронного двигателя своими руками по одной из трех доступных схем, а в ее конце приведен видеоролик, автор которого воплотил в железе эту идею.

Однако там есть ошибочные выводы. Не повторяйте их.

Секреты подбора электродвигателя

Асинхронная машина может работать в режиме:

1. двигателя, когда на нее подается электрическое напряжение;

2. или генератора, если вращать ее ротор с определенной величиной крутящего момента от дополнительного источника. Им может быть любой двигатель внутреннего сгорания, водяная турбина, ветряное колесо или другой источник энергии.

Отработавшие на производстве трехфазные электродвигатели часто списывают. Они попадают в руки домашнего мастера практически бесплатно или по символической цене.

Ими не сложно воспользоваться для решения бытовых или хозяйственных задач. Потребуется только оценить конструкцию: возможности по выработке электроэнергии определенного напряжения и мощности от источника энергии с конкретным числом оборотов.

Для этого следует изучить характеристики статора и ротора.

Коротко о статоре

Конструкция статора асинхронного двигателя представлена:

· тремя обмотками, по которым проходит электрический ток;

· магнитопроводом из пластин электротехнического железа, созданному для передачи магнитного потока.

Соединение концов обмоток может выполняться схемой звезды либо треугольника. Каждый вариант имеет свои особенности. Их надо учитывать для различных условий эксплуатации.

Чтобы не отвлекать ваше внимание на этот вопрос рекомендую тем, кого он интересует, ознакомиться с этой информацией более подробно в статье о способах подключения трехфазного асинхронного электродвигателя в однофазную сеть.

Она будет полезна многим людям.

Что надо знать о роторе

Он имеет три обмотки из изолированного провода. по которым протекают наводимые токи и формируют суммарный крутящий момент магнитного поля.

Эти обмотки могут быть:

1. выведены на внешние клеммы статора через контактные вращающиеся кольца с щеточным механизмом. Его называют ротором с фазной обмоткой;

2. короткозамкнуты встроенным алюминиевым кольцом — «беличье колесо».

Выглядят они следующим образом.

Для бытовых целей предпочтительнее использовать электродвигатель у которого работает короткозамкнутый ротор. О нем идет речь дальше.

Однако, если попалась в руки модель с фазным ротором, то ее легко переделать в короткозамкнутую: достаточно просто зашунтировать выходные контакты между собой.

Важные электрические характеристики

Чтобы сделать генератор из асинхронного двигателя стоит учесть:

· поперечное сечение провода обмотки. Оно ограничивается тепловым воздействием от протекающих суммарных токов, формируемых как от активной нагрузки, так и реактивных составляющих;

· число оборотов, на которые рассчитан электродвигатель. Это оптимальная величина, котрой следует придерживаться при выборе подключения к источнику энергии;

· КПД, cos φ;

· схему подключения обмоток.

Эти величины указываются на табличке корпуса или рассчитываются косвенными методами.

Как работает двигатель в режиме генератора

При раскрутке ротора необходимо возбудить электромагнитное поле. Его добиваются за счет параллельного подключения к обмоткам емкостной нагрузки от батареи конденсаторов разными методами. Рассмотрим их.

Две схемы звезды

Типовое подключение выглядит следующим образом.

Упрощенный вариант схемы показан ниже.

Здесь применяют рабочий и пусковой конденсаторы, которые коммутируются собственными переключателями.

Схема треугольника

Она позволяет вырабатывать 220 вольт линейного напряжения.

Как подобрать конденсаторы

Емкость конденсатора для возбуждения генератора можно подсчитать по формуле, исходя из реактивной мощности, частоты и напряжения.

С=Q/2π∙f∙U2.

Следует учитывать, что они по разному влияют на нагрев обмоток в различных режимах. Поэтому для холостого хода и работы генератора используют ступенчатое переключение.

Рекомендуемые расчеты представлены таблицей.

Конденсаторную батарею рекомендую набирать из бумажных моделей на 500 вольт. Пользоваться электрическими конструкциями не рекомендую даже при включении каждой полугармоники через диод.

Электролит при нагревании может закипеть, что приведет к взрыву корпуса.

Особенности эксплуатации

Для безопасной работы необходимо:

· правильно подобать измерительные приборы;

· включить в схему защиты автоматический выключатель и УЗО;

· смонтировать схему резервного питания;

· правильно выбрать систему напряжения;

· избегать перегрузок за счет эффективного подключения потребителей;

· контролировать рабочую частоту на выходе.

О том, как это сделать, подробно раскрыто в статье на моем сайте: «Как сделать генератор из асинхронного двигателя». Рекомендую прочитать и выполнить.

Ее хорошо дополняет видеоролик Ильи Петровича. Обязательно посмотрите и ознакомьтесь с комментариями. Он допустил несколько характерных ошибок, а люди в своих комментариях указали на них. Надеюсь, что эта информация будет полезной для вас.

До встречи в следующей публикации.

Россия напала на Украину!

Россия напала на Украину!

Мы, украинцы, надеемся, что вы уже знаете об этом. Ради ваших детей и какой-либо надежды на свет в конце этого ада –  пожалуйста, дочитайте наше письмо .

Всем нам, украинцам, россиянам и всему миру правительство России врало последние два месяца. Нам говорили, что войска на границе “проходят учения”, что “Россия никого не собирается захватывать”, “их уже отводят”, а мирное население Украины “просто смотрит пропаганду”. Мы очень хотели верить вам.

Но в ночь на 24-ое февраля Россия напала на Украину, и все самые худшие предсказания  стали нашей реальностью 

.

Киев, ул. Кошица 7а. 25.02.2022

 Это не 1941, это сегодня. Это сейчас. 
Больше 5 000 русских солдат убито в не своей и никому не нужной войне
Более 300 мирных украинских жителей погибли
Более 2 000 мирных людей ранено

Под Киевом горит нефтебаза – утро 27 февраля, 2022.

Нам искренне больно от ваших постов в соцсетях о том, что это “все сняли заранее” и “нарисовали”, но мы, к сожалению, вас понимаем.

Неделю назад никто из нас не поверил бы, что такое может произойти в 2022.

Метро Киева, Украина — с 25 февраля по сей день

Мы вряд ли найдем хоть одного человека на Земле, которому станет от нее лучше. Три тысячи ваших солдат, чьих-то детей, уже погибли за эти три дня. Мы не хотим этих смертей, но не можем не оборонять свою страну.

И мы все еще хотим верить, что вам так же жутко от этого безумия, которое остановило всю нашу жизнь.

Нам очень нужен ваш голос и смелость, потому что сейчас эту войну можете остановить только вы. Это страшно, но единственное, что будет иметь значение после – кто остался человеком.

ул. Лобановского 6а, Киев, Украина. 26.02.2022

Это дом в центре Киева, а не фото 11-го сентября. Еще неделю назад здесь была кофейня, отделение почты и курсы английского, и люди в этом доме жили свою обычную жизнь, как живете ее вы.

P.S. К сожалению, это не “фотошоп от Пентагона”, как вам говорят. И да, в этих квартирах находились люди.

«Это не война, а только спец. операция.»

Это война.

Война – это вооруженный конфликт, цель которого – навязать свою волю: свергнуть правительство, заставить никогда не вступить в НАТО, отобрать часть территории, и другие. Обо всем этом открыто заявляет Владимир Путин в каждом своем обращении.

«Россия хочет только защитить ЛНР и ДНР.»

Это не так.

Все это время идет обстрел городов во всех областях Украины, вторые сутки украинские военные борются за Киев.

На карте Украины вы легко увидите, что Львов, Ивано-Франковск или Луцк – это больше 1,000 км от ЛНР и ДНР. Это другой конец страны. 25 февраля, 2022 – места попадания ракет

25 февраля, 2022 – места попадания ракет «Мирных жителей это не коснется. «

Уже коснулось.

Касается каждого из нас, каждую секунду. С ночи четверга никто из украинцев не может спать, потому что вокруг сирены и взрывы. Тысячи семей должны были бросить свои родные города.
Снаряды попадают в наши жилые дома.

Больше 1,200 мирных людей ранены или погибли. Среди них много детей.
Под обстрелы уже попадали в детские садики и больницы.
Мы вынуждены ночевать на станциях метро, боясь обвалов наших домов.
Наши жены рожают здесь детей. Наши питомцы пугаются взрывов.

«У российских войск нет потерь.»

Ваши соотечественники гибнут тысячами.

Нет более мотивированной армии чем та, что сражается за свою землю.
Мы на своей земле, и мы даем жесткий отпор каждому, кто приходит к нам с оружием.

«В Украине – геноцид русскоязычного народа, а Россия его спасает. «

Большинство из тех, кто сейчас пишет вам это письмо, всю жизнь говорят на русском, живя в Украине.

Говорят в семье, с друзьями и на работе. Нас никогда и никак не притесняли.

Единственное, из-за чего мы хотим перестать говорить на русском сейчас – это то, что на русском лжецы в вашем правительстве приказали разрушить и захватить нашу любимую страну.

«Украина во власти нацистов и их нужно уничтожить.»

Сейчас у власти президент, за которого проголосовало три четверти населения Украины на свободных выборах в 2019 году. Как у любой власти, у нас есть оппозиция. Но мы не избавляемся от неугодных, убивая их или пришивая им уголовные дела.

У нас нет места диктатуре, и мы показали это всему миру в 2013 году. Мы не боимся говорить вслух, и нам точно не нужна ваша помощь в этом вопросе.

Украинские семьи потеряли больше 1,377,000 родных, борясь с нацизмом во время Второй мировой. Мы никогда не выберем нацизм, фашизм или национализм, как наш путь. И нам не верится, что вы сами можете всерьез так думать.

«Украинцы это заслужили.»

Мы у себя дома, на своей земле.

Украина никогда за всю историю не нападала на Россию и не хотела вам зла. Ваши войска напали на наши мирные города. Если вы действительно считаете, что для этого есть оправдание – нам жаль.

Мы не хотим ни минуты этой войны и ни одной бессмысленной смерти. Но мы не отдадим вам наш дом и не простим молчания, с которым вы смотрите на этот ночной кошмар.

Искренне ваш, Народ Украины

Генератор для ветряка из асинхронного двигателя

В качестве генератора для ветряка было решено переделать асинхронный двигатель. Такая переделка очень проста и доступна, поэтому в самодельных конструкциях ветрогенераторов часто можно видеть генераторы сделанные из асинхронных двигателей.

Переделка заключается в проточке ротора под магниты, далее магниты обычно по шаблону приклеивают к ротору и заливают эпоксидной смолой чтобы не отлетели. Так-же обычно перематывают статор более толстым проводом чтобы уменьшить слишком большое напряжение и поднять силу тока. Но этот двигатель не хотелось перематывать и было решено оставить все как есть, только переделать ротор на магниты. В качестве донора был найден трехфазный асинхронный двигатель мощностью 1,32Кв. Ниже фото данного электродвигателя.

> Ротор электродвигателя был проточен на токарном станке на толщину магнитов. В этом роторе не применяется металлическая гильза, которую обычно вытачивают и надевают на ротор под магниты. Гильза нужна для усиления магнитной индукции, через нее магниты замыкают свои поля питая из под низа друг друга и магнитное поле не рассеивается, а идет все в статор. В этой конструкции применены достаточно сильные магниты размером 7,6*6мм в количестве 160 шт. , которые и без гильзы обеспечат хорошую ЭДС.

>

> Сначала, перед наклейкой магнитов ротор был размечен на четыре полюса, и со скосом были расположены магниты. Двигатель был четырех-полюсной и так как статор не перематывался на роторе тоже должно быть четыре магнитных полюса. Каждый магнитный полюс чередуется, один полюс условно «север», второй полюс «юг». Магнитные полюса сделаны с промежутками, так в полюсах магниты сгруппированы плотнее. Магниты после размещения на роторе были замотаны скотчем для фиксации и залиты эпоксидной смолой.

После сборки ощущалось залипание ротора, при вращение вала чувствовались залипания. Было решено переделать ротор. Магниты были сбиты вместе с эпоксидной смолой и снова размещены, но теперь они более менее равномерно установлены по всему ротору, ниже фото ротора с магнитами перед заливкой эпоксидной смолой. После заливки залипание несколько снизилось и было замечено что немного упало напряжение при вращении генератора на одних и тех же оборотах и немного подрос ток.

>

После сборки готовый генератор было решено покрутить дрелью и что нибудь к ниму подключить в качестве нагрузки. Подключалась лампочка на 220 вольт 60 ватт, при 800-1000 об/м она горела в полный накал. Так-же для проверки на что способен генератор была подключена лампа мощностью 1 Кв, она горела в полнакала и сильнее дрель не осилила крутить генератор.

>

В холостую на максимальных оборотах дрели 2800 об/м напряжение генератора было более 400 вольт. При оборотах примерно 800 об/м напряжение 160 вольт. Так-же попробовали подключить кипятильник на 500 ватт, после минуты кручения вода в стакане стала горячей. Вот такие испытания прошел генератор, который был сделан из асинхронного двигателя.

Далее дошла очередь до винта. Лопасти для ветрогенератора были вырезаны из ПВХ трубы диаметром160мм. Ниже на фото сам винт диаметром 1,7 м., и расчетные данные, по которым делались лопасти.

>

После для генератора была сварена стойка с поворотной осью для крепления генератора и хвоста. Конструкция сделана по схеме с уводом ветроголовки от ветра методом складывания хвоста, поэтому генератор смещен от центра оси, а штырек позади, это шкворень, на который одевается хвост.

>

Здесь фото готового ветрогенератора. Ветрогенератор был установлен на девятиметровую мачту. Генератор при силе ветра выдавал напряжение холостого хода до 80 вольт. К нему пробовали подсоединять тенн на два киловатта, через некоторое время тенн стал теплым, значит ветрогенератор все-таки имеет какую-то мощность.

>

Потом был собран контроллер для ветрогенератора и через него подключен аккумулятор на зарядку . Зарядка была достаточно хорошим током, аккумулятор быстро зашумел, как будто его заряжают от зарядного устройства.

Пока к сожалению никаких подробных данных по мощности ветрогенератора нет, так-как пользователь разместивший свой ветрогенератор вот здесь Фотоальбом ветряки ВК. не оставил эти данных. Но руководствуясь расчетами попробую немного просчитать что все-таки дает генератор на ветру 8-9 м/с, так-как напряжение холостого хода 80 вольт на этом ветре.

Данные на шиндике электродвигателя говорили 220/380 вольт 6,2/3,6 А.значит сопротивление генератора 35,4Ом треугольник/105,5 Ом звезда. Если он заряжал 12-ти вольтовый аккумулятор по схеме включения фаз генератора в треугольник, что скорее всего, то 80-12/35,4=1,9А. Получается при ветре 8-9 м/с ток зарядки был примерно 1,9 А, а это всего 23 ватт/ч, да немного, но может я где-то ошибся, если что поправьте в комментариях и я исправлю.

Такие большие потери из-за высокого сопротивления генератора, поэтому статор обычно перематывают более толстым проводом чтобы уменьшить сопротивление генератора, которое влияет на силу тока, и чем выше сопротивление обмотки генератора, тем меньше сила тока и выше напряжение.

Некоторые данные по ветрогенератору. Автор данного ветрогенератора Сергей написал что ток короткого замыкания 3,5А. .При ветре 5-7м,с ,75в холостого хода,с нагрузкой надва АКБ,это 24в,2,5А и при этом на контролере срабатывал постоянно баласт..Это показания на 14.09.13г..А так получилось всё отлично..

как переделать ветромотор своими руками

Не всегда покупка заводского генератора является целесообразной. Иногда проще использовать подручные материалы и инструменты, чтобы сделать его самостоятельно. Устройства мощностью до 1 кВт будет достаточно для подключения уличного освещения на даче или любых других бытовых приборов. Можно соорудить такой генератор из асинхронного двигателя.

Конструктивные особенности

Изготовление асинхронного генератора своими руками дает множество преимуществ. Это бесплатный источник электричества, который можно использовать в разных целях. К тому же сделать такую работу может даже начинающий мастер.

Конструктивно схема электрогенератора будет состоять из нескольких ключевых элементов:

  1. Ротор. Он имеет лопасти, турбину и хвост, который позволяет монтировать конструкцию против направления ветра.
  2. Мачта. Может быть с растяжками или без, которые нужны для установки ротора. Как правило, высота мачт составляет около 5—6 метров, хотя это зависит от ветров в определённом регионе.
  3. Аккумуляторы. Можно взять старые свинцовые агрегаты.
  4. Электрогенератор переменного тока. Для этого нужно подготовить двигатель для последующей переделки.
  5. Устройство с дисплеем, чтобы регулировать уровень заряда аккумулятора.
  6. Преобразователь электричества. Достаточно мощности в 1 тыс. Вт.
  7. Система заземления.

Принцип работы устройства

Принцип работы самодельных генераторов переменного тока на 220 В ничем не отличается от устройств, которые применяются в промышленных целях. И те и другие перерабатывают кинетическую энергию в электрическую.

В конструкциях, изготовленных своими руками, сила ветра крутит ветряк, который закреплён на роторе. Таким образом, кинетическая энергия передаётся генератору. Он и производит электроэнергию. В качестве генератора зачастую используется переделанный асинхронный двигатель.

Вырабатываемая генератором электроэнергия передаётся в аккумуляторы. Последние должны оснащаться модулем контроля заряда. Из аккумуляторов электроэнергия поступает в инвертор постоянного напряжения. Таким образом, можно создать переменное напряжение. Оно будет подходить для использования в бытовых целях, то есть с параметрами 220 В и 50 Гц.

Чтобы преобразовать переменное напряжение в постоянное, необходимо установить специальный контроллер. Именно благодаря ему аккумуляторы заряжаются. Иногда инверторы могут выполнять функцию источника бесперебойного питания. То есть в случае отсутствия централизованного электричества или перебоев в его работе асинхронный генератор переменного тока можно использовать для бытовых целей, питания различных приборов, работающих на 220 В.

Необходимые материалы и инструменты

Для изготовления мотора-генератора своими руками достаточно иметь антисинхронный двигатель. Остальные материалы можно найти в хозяйстве или на специализированных рынках радиотехники.

Могут понадобиться такие инструменты и материалы:

  1. Труба из стали с толщиной стенок не менее 3 мм и общим диаметром 6 см и больше. Высоту нужно подбирать индивидуально, в зависимости от скорости ветров в регионе. Но нужно помнить, что чем выше будет мачта, тем сильнее будет дуть ветер и, соответственно, вырабатываться больше электричества.
  2. Для изготовления лопастей можно использовать различные материалы, но лучше купить готовую деталь заводского производства, так как она будет идеально откалибрована. Самостоятельно изготовить её можно из труб или листов ПВХ, металла. Кроме этого, может подойти деревянная доска, профиль из стеклоткани.
  3. В качестве основы (опоры для мачты) подойдёт бетонная стяжка. С другой стороны, можно использовать металл или дерево. Нужно только помнить, что за надёжность конструкции отвечает основа. Если опора будет слабой, то мачта со временем рухнет от ветра.
  4. Дрель и набор свёрл.
  5. Ножовка.
  6. Разводной ключ.
  7. Рулетка.
  8. Лист металла, который будет служить материалом для изготовления мачты.
  9. Стальная рама. Она будет выполнять функцию основы для ветрогенератора, поворотного механизма и лопастей.
  10. Весь необходимый дополнительный инструмент, включая сварку, с помощью которого можно изготовить устройство.
  11. Хомуты для фиксации растяжек.
  12. Металлический трос с сечением 12 мм.

Характеристики ветрогенератора

Сначала необходимо определиться с желаемым итоговым результатом. Характеристики электродвигателя, выполняющего роль генератора, могут быть разными, и от этого зависит, сколько электроэнергии устройство будет вырабатывать за единицу времени.

Для производства среднего количества энергии генератор должен иметь приблизительно такие характеристики:

  1. Минимальная мощность установки — 1.3 кВт.
  2. Желательны неодимовые магниты в конструкции. Их функция заключается в обеспечении электромагнитной движущейся силы. Для этого может применяться и стальная гильза, которая устанавливается на ротор.
  3. Расположение магнитов на роторе должно соответствовать схеме. Это значит, что их полюсы должны быть развёрнуты в правильную сторону.
  4. Предварительно вал ротора нужно проточить и подогнать размеры под диаметр магнитов.
  5. При установке магнитов не всегда требуется переделывать обмотку. Если она состоит из проводов с большим сечением — ничего страшного, это только увеличит мощность. Самым лучшим вариантом обмотки будет устройство, имеющее шесть полюсов, провод с сечением не более 1.2 мм и максимум 24 витка на катушке.

Нюансы монтажа

Как правило, для изготовления ветро генератора из асинхронного двигателя своими руками применяется ветряк с тремя лопастями, которые в диаметре достигают двух метров. Если увеличить количество лопастей или их длину, то улучшение характеристик не произойдёт. Перед тем как выбирать модификацию устройства, тип, характеристики, габариты, необходимо осуществить правильный расчёт.

Для начала нужно рассчитать мощность самой мачты. Она должна устанавливаться на бетонную основу толщиной полметра. Предварительно следует вырыть яму, также учитывая при этом состояние и тип почвы.

Подключать к электросети каждый из приборов нужно в определённом порядке. Сначала идут аккумуляторы, а потом уже и ветрогенератор. Вращаться вал электромотора может либо горизонтально, либо вертикально. Как правило, устанавливают в вертикальном положении, это связано с конструктивными особенностями. Для обеспечения защиты от влаги генератор оборудуют прокладками или колпаком.

Для установки мачты необходимо выбрать открытое место, где будет максимальное количество ветров. Высота монтажа генераторного устройства должна быть достаточно большой. Переделанный асинхронник в идеальном варианте устанавливается на высоте 15 метров, но на практике мачты более 7 метров никто не использует.

В качестве основного источника электрического питания дома устройство лучше не использовать. Такое тихоходное устройство следует устанавливать для страховки от ситуаций с перебоями в электричестве или для экономии семейного бюджета, поскольку счёт за централизованную подачу существенно уменьшается.

Стоит отметить, что установки подобного типа можно использовать не во всех регионах. Минимальная скорость ветра для целесообразности использования должна постоянно держаться на отметке 7 метров за секунду. Если этот показатель меньше, то и электроэнергии будет вырабатываться очень мало.

Перед установкой проводятся необходимые расчёты. В некоторых ситуациях могут возникнуть сложности с обработкой узлов асинхронного движка. Ветряк нельзя изготовить без соответствующих модулей, а также проведения предварительных испытаний устройства. Подключение такого оборудования осуществить невозможно.

Переделка своими руками

Конечно, можно купить асинхронный генератор заводского производства, но вариант самостоятельного изготовления значительно экономнее и не занимает много времени. В процессе не должно возникнуть никаких сложностей даже у неопытного человека.

Для переделки коллекторного двигателя переменного тока необходимо подготовить некоторые инструменты. Выполнять работу нужно с учётом определённых правил:

  1. Основной особенностью работы устройства является более высокая скорость вращения вала генератора, нежели двигателя. Поэтому сначала следует выяснить количество оборотов мотора за определённое время. Сделать можно такую операцию тахометром.
  2. Зная этот показатель, к полученой цифре требуется прибавить 10%. То есть при оборотах мотора в 1200 оборотов за минуту генератор должен иметь вращение 1310 оборотов.
  3. Для производства однофазного устройства или трёхфазного на 380 вольт необходимо подготовить ёмкость для конденсаторов. Следует учесть, что все конденсаторы системы не должны отличаться фазами.
  4. Ёмкость лучше подбирать средних размеров. Если она будет очень большой, то моторчик может перегреваться.
  5. К выбору и установке конденсаторов нужно подойти особо тщательно. Они должны обеспечивать нужное вращение вала двигателя. Их изоляция также важна во избежание попадания влаги.

Генератор можно взять и с других устройств, к примеру, от автомобиля ВАЗ. После этого требуется переходить к его монтажу на мачту. Следует помнить, что в случае использования ротора, работающего в короткозамкнутом режиме, устройство будет вырабатывать ток с высоким напряжением.

Для получения 220 вольт следует оснастить устройство понижающим трансформатором. Устройство не нужно подключать к электросети, поскольку оно работает по методу самозапитки.

Таким образом, сделать генератор из асинхронного двигателя не является сложной задачей даже для начинающего мастера. Если учесть все возможности устройства, то можно сделать вывод, что в определённых ситуациях оно поможет с перебоями электричества, а при установлении очень мощного ветрогенератора будет основным источником энергии в доме.

Электродвигатель, используемый в качестве генератора

В=-N(dΦ/dt)

Электричество и магнетизм

Электродвигатель, используемый в качестве генератора

Практическая деятельность для 14-16

Демонстрация

Вы можете генерировать переменный ток с помощью двигателя с дробной мощностью.

Аппаратура и материалы

Здоровье и безопасность и технические примечания

Для удобства двигатель должен быть установлен на плате, как показано, с гнездами 4 мм, позволяющими подключать обмотки ротора и статора.

Ознакомьтесь с нашим стандартным руководством по охране труда и технике безопасности

Процедура

  1. Подсоедините обмотки якоря (ротора) к демонстрационному измерителю.
  2. Подсоедините обмотки возбуждения (статора) к низковольтному источнику питания.
  3. Установите питание на 2 В пост. тока. и включите
  4. Поверните якорь, вручную вращая шкив на валу.
  5. Измените направление вращения, чтобы увидеть разницу.
  6. Повторить без подачи напряжения на полевые клеммы.

Учебные заметки

  • Только небольшие динамо-машины имеют постоянные магниты для создания магнитного поля; большие имеют электромагниты (катушки которых обычно питаются небольшим количеством собственного выходного тока динамо-машины).
  • Очень большой а.с. генераторы на электростанциях называются генераторами переменного тока. В них вращается узел катушек возбуждения, приводимый в движение турбиной, и называется ротором. Катушки якоря, в которых создается выходное напряжение, удерживаются в рамке вне ротора и остаются неподвижными; это статор.
  • Эта компоновка удобна для больших машин, так как не требует щеток, коммутатора или токосъемных колец для проведения большого выходного тока. Электромагниты вращающегося ротора питаются небольшим постоянным током, в котором они нуждаются, от небольшого d.в. динамо на том же вращающемся валу, что и большой генератор.
  • Динамо-машина, вращающаяся с постоянной скоростью, с магнитным полем, поддерживающим постоянную силу, создает постоянную разность потенциалов (ЭДС), как хорошо работающая батарея ячеек. Даже если выходной ток отсутствует, динамо-машина все равно создает ЭДС. Он готов управлять током. Когда вы позволяете ему управлять током, подключая что-то к его выходным клеммам, величина тока зависит от сопротивления того, что вы подключаете (и внутреннего сопротивления катушек динамо).

Этот эксперимент был проверен на безопасность в апреле 2006 г.

  • Видео, показывающее аналогичный эксперимент с электромагнитной индукцией:

Шесть ключевых компонентов, из которых состоит ваш промышленный электродвигатель

Ваш промышленный электродвигатель имеет несколько важных компонентов, которые позволяют ему эффективно и действенно преобразовывать электрическую энергию в механическую.Каждый из них помогает управлять критическим взаимодействием между магнитным полем вашего двигателя и электрическим током в его проволочной обмотке для создания силы в виде вращения вала. Именно механическая энергия, вырабатываемая этим вращением вала, помогает поддерживать бесперебойную работу вашего предприятия.

Эти шесть компонентов включают:

1) Ротор

Ротор — это движущаяся часть вашего электродвигателя. Он вращает вал, который обеспечивает механическую мощность, упомянутую выше.В типичной конфигурации ротор имеет проводники, по которым проходят токи, которые затем взаимодействуют с магнитным полем статора, создавая силы, вращающие вал. Сказав это, некоторые роторы несут постоянные магниты, а статор удерживает проводники.

2) Статор (и сердечник статора)

Статор является неподвижной частью электромагнитной цепи вашего двигателя и обычно состоит либо из обмоток, либо из постоянных магнитов. Сердечник статора состоит из множества тонких металлических листов, называемых пластинами.Ламинирование используется для уменьшения потерь энергии, которые могли бы возникнуть при использовании твердого сердечника.

3) Подшипники

Ротор вашего электродвигателя поддерживается подшипниками, которые позволяют ему вращаться вокруг своей оси. Эти подшипники, в свою очередь, опираются на корпус двигателя. Вал двигателя проходит через подшипники наружу двигателя, где прикладывается нагрузка. Поскольку силы нагрузки действуют за пределы самого внешнего подшипника, говорят, что нагрузка «висит».

4) Обмотки

Обмотки представляют собой провода, уложенные в витки, обычно намотанные на многослойный магнитный сердечник из мягкого железа, чтобы образовать магнитные полюса при подаче тока.Электродвигатели бывают двух основных конфигураций полюсов магнитного поля: с явно выраженными и неявнополюсными. В явнополюсном двигателе магнитное поле полюса создается обмоткой, намотанной вокруг полюса под поверхностью полюса. В неявнополюсном двигателе обмотка распределяется в пазах на торцах полюсов. Двигатель с экранированными полюсами имеет обмотку вокруг части полюса, которая задерживает фазу магнитного поля для этого полюса.

5) Воздушный зазор

Хотя воздушный зазор не является физическим компонентом, он представляет собой расстояние между ротором и статором.Воздушный зазор вашего двигателя имеет важные последствия и, как правило, должен быть как можно меньше, так как большой зазор оказывает сильное негативное влияние на производительность. Это основной источник низкого коэффициента мощности, при котором работают двигатели. Поскольку ток намагничивания увеличивается с увеличением воздушного зазора, воздушный зазор должен быть минимальным. При этом очень маленькие зазоры могут создавать механические проблемы в дополнение к шуму и потерям.

6) Коммутатор

И, наконец, коммутатор — это механизм, используемый вашим двигателем для переключения входа большинства двигателей постоянного тока и некоторых двигателей переменного тока.Он состоит из сегментов контактных колец, изолированных друг от друга и от вала. Ток якоря вашего двигателя подается через стационарные щетки, контактирующие с вращающимся коммутатором, что вызывает необходимое изменение направления тока и оптимальным образом подает мощность на машину, когда ротор вращается от полюса к полюсу. (Отсутствие такого реверсирования тока приведет к полной остановке двигателя.)

Что общего у всех этих компонентов?

Каждому из них в любой момент может потребоваться техническое обслуживание, ремонт или замена. Вот где на помощь приходит Red Stick Armature Works. Мы обладаем более чем 60-летним опытом организации обслуживания, хранения и продажи промышленных электродвигателей. Наши преданные своему делу и опытные технические специалисты доступны на месте 24-7-365, чтобы помочь вам обеспечить бесперебойную работу ваших двигателей и ваших операций. Свяжитесь с нами или позвоните нам сегодня по телефону 800-895-0443, чтобы узнать больше.

Как работают электрические генераторы и динамо-машины

Как работают электрические генераторы и динамо-машины — Объясните этот материал Реклама

Масло

может быть любимым топливом в мире, но ненадолго. Современные дома питаются в основном от электричества и вскоре большинство из нас тоже будут водить электромобили. Электричество очень удобно. Вы можете производить его самыми разными способами, используя все, от угля и нефти до ветра и волн. Вы можете сделать это в одно место и использовать его на другой стороне мира, если вы хотите. И, как только вы произвели его, вы можете хранить его в батареях и использовать это дни, недели, месяцы или даже годы спустя.Что делает электрический возможная — и действительно практическая — мощность — это превосходный электромагнитный устройство, называемое генератором электроэнергии: разновидность электродвигателя работающий в обратном направлении, который преобразует обычную энергию в электричество. Давайте поближе познакомимся с генераторами и узнаем, как они работают!

Фото: Дизельный электрогенератор середины 20-го века в Музее электростанций REA недалеко от Хэмптона, штат Айова. Предоставлено фотографиями в Архив Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Откуда берется электричество?

Лучший способ понять электричество — начать с изучения собственное название: электрическая энергия. Если вы хотите запустить что-либо электрический, от тостера или зубная щетка MP3-плеер или телевидение, вам нужно кормить его постоянным источником электроэнергии. Откуда ты это возьмешь? Есть основной закон физики называется законом сохранения энергии, который объясняет, как можно получить энергия — и как вы не можете. В соответствии с этим законом существует фиксированная количество энергии во Вселенной и некоторые хорошие новости и некоторые плохие новости о том, что мы можем с этим сделать.Плохая новость в том, что мы не можем создать больше энергии, чем у нас уже есть; хорошая новость в том, что мы не можем уничтожить любую энергию либо. Все, что мы можем сделать с энергией, это преобразовать его из одной формы в другую.

Фото: Большой электрогенератор, работающий на паре, на геотермальной электростанции CalEnergy’s Leathers в округе Империал, Калифорния. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Если вы хотите найти электричество для питания вашего телевизора, вы не будут делать энергию из воздуха: сохранение энергии говорит нам, что это невозможно.То, что вы будете делать, это использовать энергию преобразуется из какой-либо другой формы в электрическую энергию, которая вам нужна. Как правило, это происходит на электростанции. на некотором расстоянии от вашего дома. Подключите телевизор к розетке, и электрическая энергия поступит в него через кабель. Кабель намного длиннее, чем вы думаете: на самом деле проходит весь путь от вашего телевизора — под землей или по воздуху — до электростанция, где для вас готовится электроэнергия от богатое энергией топливо, такое как уголь, нефть, газ или атомное топливо.В этих экологически чистые времена, часть вашего электричества также будет поступать из ветряные турбины, гидроэлектростанции (которые вырабатывают энергию, используя энергию запруженных рек) или геотермальную энергию (внутренняя энергия Земли). высокая температура). Откуда бы ни исходила ваша энергия, она почти наверняка будет превращается в электричество с помощью генератора. Только солнечные элементы и топливные элементы производить электричество без использования генераторов.

Рекламные ссылки

Как мы можем производить электричество?

Фото: Типичный электрогенератор.Этот может производить до 225 кВт электроэнергии и используется для испытаний прототипов ветряных турбин. Фото Ли Фингерш любезно предоставлено Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Если вы читали нашу подробную статью о электродвигатели, вы будете уже довольно много знаю, как работают генераторы: генератор просто электродвигатель, работающий в обратном направлении. Если вы еще не прочтите эту статью, возможно, вам захочется бросить быстрый взгляд, прежде чем читать on— но вот краткий обзор в любом случае.

Электродвигатель — это, по сути, просто туго натянутая катушка медной проволоки, намотанная на железный сердечник, который может свободно вращаться с высокой скоростью внутри мощного постоянного магнита. Когда вы подаете электричество в медную катушку, она становится временный магнит с электрическим приводом, другими словами, электромагнит — и создает вокруг себя магнитное поле. Этот временное магнитное поле давит на магнитное поле, которое постоянный магнит создает и заставляет катушку вращаться. Немного умная конструкция, катушку можно заставить вращаться непрерывно в в том же направлении, вращаясь по кругу и приводя в действие что угодно из электрическая зубная щетка к электричке.

Фото: Вращающаяся часть (ротор) типичного небольшого электродвигателя. Генератор электричества имеет точно такие же компоненты, но работает противоположным образом, превращая движение в электрическую энергию.

Так чем же отличается генератор? Предположим, у вас есть электрический зубная щетка с перезаряжаемой батареей внутри. Вместо того, чтобы позволить батарее питать двигатель, который толкает щетку, что, если бы вы сделали противоположный? Что, если вы несколько раз повернете кисть туда-сюда? То, что вы будете делать, будет вручную поворачивать электродвигатель. ось вокруг.Это заставило бы медную катушку внутри двигателя вращаться. несколько раз вокруг своего постоянного магнита. Если вы переместите электрический провод внутри магнитного поля, вы создаете поток электричества по проводу — по сути, вы вырабатываете электричество. Так держать поворачивая зубную щетку достаточно долго, и, теоретически, вы достаточно электроэнергии, чтобы зарядить аккумулятор. Это, в сущности, то, как генератор работает. (На самом деле, это немного сложнее, чем это и вы не можете перезарядить свою зубную щетку таким образом, хотя можете попробовать!)

Как работает генератор?

Возьмите отрезок провода, подсоедините его к амперметру (тому, что измеряет тока) и поместите его между полюсами магнита.Теперь резко переместите проволоку сквозь невидимую магнитное поле, создаваемое магнитом, и по проводу на короткое время потечет ток (регистрация на счетчике). Это фундаментальная наука, лежащая в основе генератора электричества, продемонстрированная в 1831 году британским ученым Майклом Фарадеем. (прочитать краткая биография или длинную биографию). Если вы двигаете провод в противоположном направлении, вы генерируете ток, который течет в другую сторону. (Если вам интересно, вы можете выяснить направление, в котором течет ток, используя нечто, называемое правило правой руки или правило генератора, которое является зеркальным отражением правила левой руки, используемого для выяснения того, как работают двигатели.)

Важно отметить, что вы генерируете ток только тогда, когда перемещаете провод через магнитное поле (или когда вы перемещаете магнит мимо провода, что равнозначно). Недостаточно просто поместить провод рядом с магнитом: для выработки электричества либо провод должен пройти мимо магнита, либо наоборот. Предположим, вы хотите генерировать много электроэнергии. Поднимать и опускать провод весь день не очень весело, поэтому вам нужно придумать какой-нибудь способ перемещения провода мимо магнита, установив один или другой из них на колесе.Затем, когда вы поворачиваете колесо, проволока и магнит будут двигаться относительно друг друга, и будет производиться электрический ток.

Работа: простой генератор, подобный этому, производит переменный ток (электрический ток, который периодически меняется на противоположное). Каждая сторона генератора (зеленая или оранжевая) движется либо вверх, либо вниз. Когда он движется вверх, он генерирует ток, текущий в одну сторону; когда он движется вниз, ток течет в другую сторону. Если вы измеритель, подключенный к проводу, вы не знаете, в каком направлении движется провод: все, что вы видите, это то, что направление тока периодически меняется на противоположное: вы видите переменный ток.

А теперь самое интересное. Предположим, вы согнули проволоку в петлю, поместили ее между полюсами магнита и расположили так, чтобы она постоянно вращалась, как показано на рисунке. Вероятно, вы видите, что при повороте петли каждая сторона провода (либо оранжевая, либо зеленая сторона) будет иногда двигаться вверх, а иногда вниз. Когда он движется вверх, электричество будет течь в одну сторону; когда он движется вниз, ток будет течь в другую сторону. Таким образом, простой генератор, подобный этому, будет производить электрический ток, который меняет направление каждый раз, когда петля провода переворачивается (другими словами, переменный ток или переменный ток).Однако большинство простых генераторов на самом деле производят постоянный ток — так как же они им управляют?

Генераторы постоянного тока

Подобно тому, как простой электродвигатель постоянного тока использует электричество постоянного тока (DC) для непрерывного вращательного движения, простой генератор постоянного тока производит стабильную подачу электроэнергии постоянного тока, когда он вращается. Как двигатель постоянного тока, генератор постоянного тока использует коммутатор. Звучит технически, но это всего лишь металлическое кольцо с прорезями, которое периодически меняет местами электрические контакты катушки генератора, одновременно меняя направление тока.Как мы видели наверху, простая проволочная петля автоматически меняет направление тока, который она производит, каждые пол-оборота просто потому, что она вращается, а работа коммутатора состоит в том, чтобы нейтрализовать эффект вращения катушки, гарантируя, что вырабатывается постоянный ток.

Работа: Сравнение простейшего генератора постоянного тока с простейшим генератором переменного тока. В этой конструкции катушка (серая) вращается между полюсами постоянного магнита. Каждый раз, когда он поворачивается на пол-оборота, ток, который он генерирует, меняется на противоположный.В генераторе постоянного тока (вверху) коммутатор меняет направление тока каждый раз, когда катушка перемещается на пол-оборота, компенсируя изменение направления тока. В генераторе переменного тока (внизу) нет коммутатора, поэтому выходная мощность просто увеличивается, падает и реверсируется по мере вращения катушки. Вы можете увидеть выходной ток каждого типа генератора на диаграмме справа.

Генераторы переменного тока

Фото: Генератор переменного тока представляет собой генератор переменного тока (переменного тока) вместо постоянного тока (постоянного тока).Здесь мы видим, как механик снимает генератор с лодочного подвесного мотора. Фото Есении Розас предоставлено ВМС США.

Что делать, если вы хотите генерировать переменный ток (AC) вместо постоянного тока? Тогда вам нужен генератор это просто генератор переменного тока. Самый простой тип генератора переменного тока подобен генератору постоянного тока без коммутатора. По мере того, как катушка или магниты вращаются относительно друг друга, ток естественным образом возрастает, падает и меняет направление, давая на выходе переменный ток. Так же, как есть Асинхронные двигатели переменного тока, в которых вместо постоянных магнитов для создания вращающегося магнитного поля используются электромагниты, поэтому существуют генераторы переменного тока, которые работают за счет индукции аналогичным образом.

Генераторы в основном используются для выработки электроэнергии от двигателей транспортных средств. В автомобилях используются генераторы переменного тока, приводимые в движение их бензиновые двигатели, которые заряжают их батареи по мере их движения (переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диоды или выпрямители).

Генераторы в реальном мире

Фото: Генератор ветряной турбины находится сразу за лопастями ротора. (это крайний правый цилиндр). Фото Джо Смита предоставлено NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Производство электроэнергии звучит просто — и это так. Сложность в том, что вам нужно приложить огромное количество физических усилий. генерировать даже небольшое количество энергии. Вы узнаете это, если у вас есть велосипед с динамо-машиной. фары, приводимые в движение колесами: нужно крутить педали несколько сильнее, чтобы фары светились, и это только для производства крошечного количества электроэнергии, необходимого для питания пара лампочек накаливания. Динамо — это просто очень маленькое электричество. генератор. С другой стороны, на реальных электростанциях гигантские электрогенераторы работают от паровых турбин.Это немного похоже на вращающиеся пропеллеры или ветряные мельницы, приводимые в движение паром. пар производится путем кипячения воды с использованием энергии, выделяемой при сжигании угля, масла или другого топлива. (Обратите внимание, как закон сохранения энергии применяется здесь тоже. Энергия, питающая генератор, поступает от турбина. Энергия, которая питает турбину, исходит от топлива. А также топливо — если это уголь или нефть — первоначально поступали от электростанций, работающих на энергия Солнца. Суть проста: энергия всегда должна исходить от где-то.)

Сколько энергии производит генератор?

Генераторы оцениваются в ваттах (измерение мощности, показывающее, сколько энергии производится каждую секунду). Как и следовало ожидать, чем больше генератор, тем больше энергии он производит. Вот примерное руководство от меньшего к большему:

Тип Мощность (Вт)
Велосипедная динамо-машина 3
USB-генератор с ручным приводом 20
Микро ветряная турбина 500
Малый дизель-генератор 5000 (5 кВт)
Ветряная турбина (средняя) 2 000 000 (2 МВт)

Портативные генераторы

Фото: Портативный электрогенератор, работающий от дизель. Фото Брайана Рида Кастильо, любезно предоставлено ВМС США.

Большую часть времени мы воспринимаем электричество как должное. Мы включаем светильники, телевизоры или стиральные машины, не переставая думать, что электрическая энергия, которую мы используем, должна откуда-то поступать. Но что, если вы работаете на открытом воздухе, в глуши, и нет электропитание, которое можно использовать для питания бензопилы или электрическая дрель?

Одной из возможностей является использование аккумуляторных инструментов с перезаряжаемые батарейки. Другой вариант — купить пневматический инструмент. такие как отбойные молотки.Они полностью механические и питаются от сжатый воздух вместо электричества. Третий вариант заключается в использовании переносной электрогенератор. Это просто небольшой бензиновый двигатель (бензиновый двигатель), похожий на компактный двигатель мотоцикла, с подключен генератор электроэнергии. Когда двигатель заглохнет, сжигая бензин, он толкает поршень вперед и назад, поворачивая генератор, вырабатывающий на выходе постоянный электрический ток. С участием с помощью трансформатора, вы можете использовать такой генератор, чтобы производить практически любое напряжение, которое вам нужно, в любом месте, где вам это нужно.Так как пока у вас достаточно бензина, вы можете сделать свое собственное электричество поставлять бессрочно. Но помните о сохранении энергии: кончаются газа, и у вас закончилось электричество!

Произведение искусства: Генераторные технологии быстро развивались в 19 веке. Английский химик и физик Майкл Фарадей построил первый примитивный генератор в 1831 году. В течение нескольких десятилетий многочисленные изобретатели создавали практические электрические генераторы. Эта («динамо-электрическая машина») была разработана Эдвардом Уэстоном в 1870-х годах как способ «преобразовывать механическую энергию в электрическую с большей эффективностью, чем прежде.Он имеет статическое внешнее кольцо магнитов (синее) и вращающийся якорь (катушки) в центре (красный). Коммутатор (зеленый) преобразует генерируемый ток в постоянный. Из патента США 180 082, переиздание 8 141 Эдварда Уэстона, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Вам могут понравиться эти другие статьи на нашем сайте, посвященные связанным темам:

Видео

  • Демонстрация электрического генератора?: Отличное короткое видео, снятое доктором Джонатаном Хэйром и Vega Science Trust, очень ясно показывает, как перемещение катушки через магнитное поле может производить электричество.
  • Простой генератор: электрический генератор для научной выставки: Уильям Бити дает пошаговое руководство по сборке простого генератора с использованием легкодоступных компонентов (эмалевая проволока, магниты, картон и т. д.).
  • Велосипедный генератор: Как привести в действие кухонный комбайн с помощью велосипеда, приводящего в действие генератор переменного тока (разновидность генератора электроэнергии). Довольно аккуратный эксперимент, хотя комментарий мог бы быть немного яснее.

Книги

Для читателей постарше
Для юных читателей

Артикул

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2020) Генераторы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/generators.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Как сделать простой электродвигатель | Научный проект

  • Батарея D
  • Провод изолированный 22G
  • 2 длинные металлические швейные иглы с большими ушами (уши должны быть достаточно большими, чтобы продеть проволоку)
  • Пластилин для лепки
  • Изолента
  • Хобби-нож
  • Малый круглый магнит
  • Тонкий маркер
  1. Начиная с центра проволоки, плотно и аккуратно обмотайте ее вокруг маркера 30 раз.
  2. Сдвиньте спираль, которую вы сделали, с маркера.
  3. Оберните каждый свободный конец провода вокруг катушки несколько раз, чтобы скрепить ее, затем направьте провода от петли, как показано на рисунке:

Что это? Какова его цель?

  1. Попросите взрослого с помощью канцелярского ножа снять верхнюю половину изоляции провода на каждом свободном конце катушки. Открытый провод должен быть обращен в одном направлении с обеих сторон. Как вы думаете, почему половина провода должна оставаться изолированной?
  1. Проденьте каждый свободный конец катушки проволоки через большое игольное ушко. Старайтесь, чтобы катушка была как можно более прямой, не сгибая концы проволоки.
  1. Положите батарею D боком на ровную поверхность.
  2. Наклейте пластилин для лепки с обеих сторон батареи, чтобы она не скатилась.
  3. Возьмите 2 маленьких шарика пластилина и накройте острые концы иглы.
  4. Поместите иглы вертикально рядом с клеммами каждой батареи так, чтобы сторона каждой иглы касалась одной клеммы батареи.
  1. Используйте изоленту, чтобы прикрепить иглы к концам батареи. Ваша катушка должна висеть над батареей.
  2. Прикрепите небольшой магнит к боковой стороне батареи так, чтобы он располагался по центру под катушкой.
  1. Покрутите свою катушку. Что происходит? Что происходит, когда вы вращаете катушку в другом направлении? Что произойдет с большим магнитом? Аккумулятор побольше? Более толстый провод?

Двигатель будет продолжать вращаться при перемещении в правильном направлении.Двигатель не будет вращаться, когда первоначальный толчок будет в противоположном направлении.

Металл, иглы и проволока создали замкнутый контур цепи , по которой может проходить ток. Ток течет от отрицательной клеммы батареи через цепь к положительной клемме батареи. Ток в замкнутом контуре также создает собственное магнитное поле , которое можно определить по «Правилу правой руки». Делая знак «большой палец вверх» правой рукой, большой палец указывает в направлении тока, а изгиб пальцев показывает, в какую сторону ориентировано магнитное поле.

В нашем случае ток проходит через созданную вами катушку, которая называется якорем двигателя. Этот ток индуцирует магнитное поле в катушке, что помогает объяснить, почему катушка вращается.

Магниты имеют два полюса, северный и южный. Взаимодействие север-юг скрепляет друг друга, а взаимодействия север-север и юг-юг отталкивают друг друга. Поскольку магнитное поле, создаваемое током в проводе, не перпендикулярно магниту, прикрепленному лентой к батарее, по крайней мере, некоторая часть магнитного поля провода будет отталкиваться и заставлять катушку продолжать вращаться.

Так почему же нам нужно было снимать изоляцию только с одной стороны каждого провода? Нам нужен способ периодически разрывать цепь, чтобы она пульсировала и выключалась в такт вращению катушки. В противном случае магнитное поле медной катушки выровняется с магнитным полем магнита и перестанет двигаться, потому что оба поля будут притягиваться друг к другу. То, как мы настроили наш двигатель, делает так, что всякий раз, когда ток проходит через катушку (придавая ей магнитное поле), катушка находится в хорошем положении, чтобы отталкиваться магнитным полем неподвижного магнита.Всякий раз, когда катушка активно не отталкивается (в те доли секунды, когда цепь выключена), импульс переносит ее по кругу до тех пор, пока она не окажется в правильном положении, чтобы замкнуть цепь, создать новое магнитное поле и оттолкнуться от стационарного поля. снова магнит.

После перемещения катушка может продолжать вращаться, пока батарея не разрядится. Причина того, что магнит вращается только в одном направлении, заключается в том, что вращение в неправильном направлении заставит магнитные поля не отталкивать друг друга, а притягивать.

Отказ от ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для ознакомления только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и отказаться от каких-либо претензий к Образованию.com, которые возникают из-за этого. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, включая ограничения об ответственности Education. com.

Настоящим предупреждаем, что не все проектные идеи подходят для всех отдельных лиц или во всех обстоятельствах. Реализация любой идеи научного проекта следует проводить только в соответствующих условиях и с соответствующими родителями. или другой надзор.Чтение и соблюдение мер предосторожности всех материалы, используемые в проекте, является исключительной ответственностью каждого человека. Для дополнительную информацию см. в справочнике по научной безопасности вашего штата.

20.2 Двигатели, генераторы и трансформаторы. Физика

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Как мы узнали ранее, на проводник с током в магнитном поле действует сила — вспомним F=IℓBsinθF=IℓBsinθ . Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенным приложением магнитной силы на проводах с током.Двигатели состоят из проволочных петель в магнитном поле. Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. На рис. 20.23 показан схематический чертеж электродвигателя.

Фигура 20.23 Крутящий момент в токовой петле. Вертикальная проволочная петля в горизонтальном магнитном поле прикреплена к вертикальному валу. Когда ток проходит через проволочную петлю, на нее действует крутящий момент, заставляющий вращать вал.

Давайте рассмотрим силу, действующую на каждый сегмент петли на рис. 20.23, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала, — это приведет к полезному уравнению для крутящего момента в петле. Мы считаем магнитное поле однородным по всей прямоугольной петле, которая имеет ширину w и высоту ℓ, ℓ, как показано на рисунке. Сначала рассмотрим силу, действующую на верхний сегмент петли. Для определения направления силы воспользуемся правилом правой руки. Ток идет слева направо внутрь страницы, а магнитное поле идет слева направо в плоскости страницы. Согните правые пальцы от текущего вектора к вектору магнитного поля, и ваш правый большой палец указывает вниз. Таким образом, сила на верхнем сегменте направлена ​​вниз, что не создает крутящего момента на валу. Повторение этого анализа для нижнего сегмента — пренебрегая небольшим зазором, где выходят провода — показывает, что сила на нижнем сегменте направлена ​​вверх, снова не создавая крутящего момента на валу.

Рассмотрим теперь левый вертикальный сегмент петли. Снова используя правило правой руки, мы находим, что сила, действующая на этот сегмент, перпендикулярна магнитному полю, как показано на рисунке 20.23. Эта сила создает крутящий момент на валу. Повторение этого анализа на правом вертикальном сегменте петли показывает, что сила на этом сегменте направлена ​​в направлении, противоположном силе на левом сегменте, таким образом создавая равный крутящий момент на валу. Таким образом, общий крутящий момент на валу вдвое превышает крутящий момент на одном из вертикальных сегментов петли.

Чтобы найти величину крутящего момента при вращении проволочной петли, рассмотрите рис. 20.24, на котором показан вид проволочной петли сверху.Напомним, что крутящий момент определяется как τ=rFsinθ,τ=rFsinθ, где F — приложенная сила, r — расстояние от оси вращения до места приложения силы, а θ — угол между r и Ф . Обратите внимание, что при вращении петли ток в вертикальных сегментах петли всегда перпендикулярен магнитному полю. Таким образом, уравнение F=IℓBsinθF=IℓBsinθ дает величину силы на каждом вертикальном сегменте как F=IℓB.F=IℓB. Расстояние r от вала до места приложения этой силы равно w /2, поэтому крутящий момент, создаваемый этой силой, равен

τsegment=rFsinθ=w/2IℓBsinθ=(w/2)IℓBsinθ.τsegment=rFsinθ=w/2IℓBsinθ=(w/2)IℓBsinθ.

20.10

Поскольку есть два вертикальных сегмента, общий крутящий момент в два раза больше, или

τ=wIℓBsinθ. τ=wIℓBsinθ.

20.11

Если у нас есть многократная петля с Н витками, мы получаем Н крутящего момента, умноженного на одиночную петлю. Используя тот факт, что площадь петли равна A=wℓ;A=wℓ; выражение для крутящего момента становится равным

τ=NIABsinθ.τ=NIABsinθ.

20.12

Это крутящий момент на контуре с током в однородном магнитном поле.Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.

Фигура 20.24 Вид сверху на проволочную петлю с рис. 20.23. Магнитное поле создает силу F на каждом вертикальном сегменте проволочной петли, которая создает крутящий момент на валу. Обратите внимание, что токи Iin и IoutIin и Iout имеют одинаковую величину, потому что они оба представляют ток, протекающий в проводной петле, но IinIin течет в страницу, а IoutIout выходит из страницы.

Из уравнения τ=NIABsinθ,τ=NIABsinθ видно, что крутящий момент равен нулю, когда θ=0,θ=0. По мере вращения проволочной петли крутящий момент увеличивается до максимального положительного крутящего момента wℓBwℓB, когда θ=90°.θ=90°. Затем крутящий момент снова уменьшается до нуля по мере того, как проволочная петля поворачивается до θ=180°.θ=180°. От θ=180°, θ=180° до θ=360°, θ=360°, крутящий момент отрицательный. Таким образом, крутящий момент меняет знак каждые пол-оборота, поэтому проволочная петля будет совершать возвратно-поступательные колебания.

Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, ток меняется на противоположный, когда катушка проходит через θ=0 и θ=180°, θ=0 и θ=180° с помощью автоматических переключателей, называемых щетками , как показано на рисунке 20.25.

Фигура 20.25 (а) Поскольку угловой момент катушки переносит ее через θ = 0, θ = 0, щетки меняют направление тока, и крутящий момент остается по часовой стрелке. (b) Катушка непрерывно вращается по часовой стрелке, при этом ток меняется на противоположное каждые пол-оборота, чтобы поддерживать крутящий момент по часовой стрелке.

Рассмотрим теперь, что произойдет, если мы запустим двигатель в обратном направлении; то есть мы прикрепляем ручку к валу и механически заставляем катушку вращаться в магнитном поле, как показано на рисунке 20.26. Согласно уравнению F=qvBsinθF=qvBsinθ — где θθ — угол между векторами v→v→ и B→ — зарядыB→ — заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, поскольку они движутся в магнитном поле. . Снова используя правило правой руки, когда мы сгибаем пальцы от вектора v→v→ к вектору B→B→, мы обнаруживаем, что заряды в верхнем и нижнем сегментах испытывают силу, перпендикулярную проводнику, которая не вызывает ток . Однако заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, в результате чего ток течет по проводу и через внешнюю цепь, если она подключена.Такое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, называется генератором.

Фигура 20.26 Когда эта катушка поворачивается на четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС, которая пропускает ток через внешнюю цепь.

Поскольку ток индуцируется только в боковых проводах, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только эти провода. Как поясняется в разделе «Наведенный ток в проводе», ЭДС движения в прямом проводе, движущемся со скоростью v через магнитное поле B , равна E=Bℓv, E=Bℓv, где скорость перпендикулярна магнитному полю.В генераторе скорость составляет угол θθ с B (см. рис. 20.27), поэтому составляющая скорости, перпендикулярная B , равна vsinθ.vsinθ. Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная на каждом вертикальном отрезке провода, равна E=Bℓvsinθ, E=Bℓvsinθ, и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС вокруг контура тогда равна

E=2Bℓvsinθ.E=2Bℓvsinθ.

20.13

Хотя это выражение верно, оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти, как изменяется ЭДС во времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω. ω. Угол θθ связан с угловой скоростью соотношением θ=ωt, θ=ωt, так что

E=2Bℓvsinωt.E=2Bℓvsinωt.

20.14

Напомним, что тангенциальная скорость v связана с угловой скоростью ωω соотношением v=rω.v=rω. Здесь r=w/2r=w/2, так что v=(w/2)ωv=(w/2)ω и

E=2Bℓ(w2ω)sinωt=Bℓwωsinωt.E=2Bℓ(w2ω)sinωt=Bℓwωsinωt.

20.15

Заметив, что площадь петли равна A=ℓwA=ℓw и учитывая N проволочных петель, мы находим, что

E=NABωsinωtE=NABωsinωt

20.16

— ЭДС индукции в генераторной катушке Н витков и площадью А , вращающейся с постоянной угловой скоростью ωω в однородном магнитном поле В . Это также может быть выражено как

E=E0sinωtE=E0sinωt

20.17

где

— максимальная (пиковая) ЭДС.

Фигура 20.27 Мгновенная скорость вертикальных отрезков проволоки составляет угол θθ с магнитным полем. Скорость показана на рисунке зеленой стрелкой, указан угол θθ.

На рис. 20.28 показан генератор, подключенный к лампочке, и график зависимости ЭДС от времени. Обратите внимание, что ЭДС колеблется от положительного максимума E0E0 до отрицательного максимума -E0.-E0. Между ними ЭДС проходит через ноль, что означает, что в эти моменты через лампочку протекает нулевой ток. Таким образом, лампочка на самом деле загорается и гаснет с частотой 2 f , потому что за период приходится два пересечения нуля. Поскольку переменный ток, подобный этому, используется в домах по всему миру, почему мы не замечаем мерцание света? В США частота переменного тока составляет 60 Гц, поэтому лампочки мигают с частотой 120 Гц.Это быстрее, чем частота обновления человеческого глаза, поэтому вы не замечаете мерцания огней. Кроме того, другие факторы препятствуют столь быстрому включению и выключению различных типов лампочек, поэтому светоотдача 90 371 немного сглажена по сравнению с 90 304.

Фигура 20.28 ЭДС генератора передается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. E0E0 – пиковая ЭДС. Период равен T=1/f=2π/ω, T=1/f=2π/ω, где f – частота вращения катушки в магнитном поле.

Виртуальная физика

Генератор

Используйте эту симуляцию, чтобы узнать, как работает электрический генератор. Управляйте подачей воды, которая заставляет водяное колесо вращать магнит. Это индуцирует ЭДС в соседней проволочной катушке, которая используется для зажигания лампочки. Вы также можете заменить лампочку вольтметром, который позволяет увидеть полярность напряжения, которая меняется с положительной на отрицательную.

Проверка захвата

Установите количество проволочных петель равным трем, силу стержневого магнита примерно на 50 процентов и площадь петли на 100 процентов. Обратите внимание на максимальное напряжение на вольтметре. Предполагая, что одно основное деление вольтметра равно 5 В, каково максимальное напряжение при использовании только одной проволочной петли вместо трех проволочных?

  1. 5 В
  2. 15 В
  3. 125 В
  4. 53 В

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей змеевик, может быть падающая вода, гидроэнергия, пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра.На рис. 20.29 показан разрез паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Фигура 20.29 Генератор паровой турбины. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Набонако, Викисклад)

Другое очень полезное и распространенное устройство, использующее магнитную индукцию, называется трансформатором. Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое; термин напряжение используется, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление.Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют встроенный трансформатор, который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. На рис. 20.30 показаны два разных трансформатора. Обратите внимание на проволочные катушки, которые видны в каждом устройстве. Назначение этих катушек объясняется ниже.

Фигура 20.30 Слева — обычный трансформатор с многослойным сердечником, который широко используется в электропередаче и электроприборах.Справа тороидальный трансформатор, который меньше трансформатора с многослойным сердечником при той же номинальной мощности, но его изготовление дороже из-за оборудования, необходимого для намотки проводов в форме пончика.

На рис. 20.31 показан трансформатор с пластинчатой ​​катушкой, основанный на законе индукции Фарадея и очень похожий по конструкции на аппарат, который Фарадей использовал для демонстрации того, что магнитные поля могут генерировать электрические токи. Две проволочные катушки называются первичной и вторичной катушками.При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но и его намагничивание увеличивает напряженность поля, что аналогично тому, как диэлектрик увеличивает напряженность электрического поля в конденсаторе. Поскольку входное напряжение переменного тока, через вторичную катушку проходит изменяющийся во времени магнитный поток, индуцирующий выходное напряжение переменного тока.

Фигура 20.31 Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитном сердечнике. Магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, в основном ограничивается и усиливается сердечником, который передает его вторичной катушке. Любое изменение тока в первичной обмотке индуцирует ток во вторичной обмотке.

Ссылки на физику

Магнитная веревочная память

Чтобы отправить людей на Луну, программа «Аполлон» должна была разработать бортовую компьютерную систему, которая была бы надежной, потребляла мало энергии и была бы достаточно маленькой, чтобы поместиться на борту космического корабля.В 1960-х годах, когда была запущена программа «Аполлон», целые здания регулярно предназначались для размещения компьютеров, вычислительная мощность которых легко превзошла бы самый простой сегодня карманный калькулятор.

Чтобы решить эту проблему, инженеры Массачусетского технологического института и крупный оборонный подрядчик обратились к памяти на магнитной веревке , которая была ответвлением аналогичной технологии, использовавшейся до того времени для создания памяти с произвольным доступом. В отличие от памяти с произвольным доступом, память на магнитной веревке была памятью только для чтения, которая содержала не только данные, но и инструкции.Таким образом, на самом деле это было больше, чем память: это была встроенная компьютерная программа.

Компонентами памяти магнитной веревки были провода и железные кольца, которые назывались сердечниками . Железные сердечники служили трансформаторами, как показано на предыдущем рисунке. Однако вместо того, чтобы несколько раз обматывать провода вокруг сердечника, отдельные провода проходили через сердечники только один раз, создавая эти одновитковые трансформаторы. До 63 проводов слова могут проходить через одно ядро ​​вместе с одним проводом бит .Если бы провод слова проходил через данный сердечник, импульс напряжения на этом проводе индуцировал бы ЭДС в проводе бита, что интерпретировалось бы как 1 . Если бы провод слова не проходил через сердечник, на проводе бита не индуцировалась бы ЭДС, которая интерпретировалась бы как ноль .

Инженеры создадут программы, которые будут жестко связаны с этими магнитными веревками памяти. Процесс подключения мог занять до месяца, поскольку рабочие кропотливо протягивали провода через одни жилы и вокруг других.Если бы были допущены какие-либо ошибки либо в программировании, либо в проводке, отладка была бы чрезвычайно трудной, если не невозможной.

Эти модули неплохо справились со своей задачей. Им приписывают исправление ошибки астронавта в процедуре посадки на Луну, что позволило Аполлону-11 приземлиться на Луну. Сомнительно, чтобы Майкл Фарадей когда-либо представлял себе такое применение магнитной индукции, когда он его открыл.

Если бы битовый провод был дважды обмотан вокруг каждого сердечника, как это повлияло бы на напряжение, индуцированное в битовом проводе?

  1. Если количество витков вокруг провода удвоить, ЭДС уменьшится вдвое.

  2. Если число витков вокруг провода удваивается, ЭДС не изменяется.

  3. Если количество витков вокруг провода удвоится, ЭДС также удвоится.

  4. Если количество витков вокруг провода удвоить, ЭДС в четыре раза больше исходного значения.

Для трансформатора, показанного на рис. 20.31, выходное напряжение VSVS со вторичной обмотки почти полностью зависит от входного напряжения VPVP на первичной обмотке и количества витков в первичной и вторичной обмотках. Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение VSVS равным

. VS=-NSΔΦΔt, VS=-NSΔΦΔt,

20.19

, где NSNS — число витков вторичной обмотки, а ΔΦ/ΔtΔΦ/Δt — скорость изменения магнитного потока. Выходное напряжение равно ЭДС индукции (VS = ES), (VS = ES) при условии, что сопротивление катушки мало — разумное предположение для трансформаторов.Площадь поперечного сечения катушек одинакова с каждой стороны, как и напряженность магнитного поля, поэтому ΔΦ/ΔtΔΦ/Δt одинаково с каждой стороны. Входное первичное напряжение VPVP также связано с изменением потока на

VP=-NPΔΦΔt.VP=-NPΔΦΔt.

20.20

Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение

ВСВП=НСНП(3.07).ВСВП=НСНП(3.07).

20.21

Это известно как уравнение трансформатора. В нем просто говорится, что отношение вторичного напряжения к первичному напряжению в трансформаторе равно отношению количества витков во вторичной обмотке к количеству витков в первичной обмотке.

Передача электроэнергии

Трансформаторы

широко используются в электроэнергетике для повышения напряжения (так называемые повышающие трансформаторы ) перед передачей на большие расстояния по высоковольтным проводам. Они также используются для снижения напряжения — называемые понижающими трансформаторами — для подачи электроэнергии в дома и на предприятия. Подавляющее большинство электроэнергии вырабатывается с помощью магнитной индукции, при которой проволочная катушка или медный диск вращаются в магнитном поле.Первичная энергия, необходимая для вращения катушек или диска, может быть обеспечена различными способами. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию воды для привода электрогенераторов. Угольные или атомные электростанции производят пар для привода паровых турбин, которые вращают змеевики. Другие источники первичной энергии включают ветер, приливы или волны на воде.

После того, как мощность произведена, она должна быть передана потребителю, что часто означает передачу мощности на сотни километров. Для этого напряжение силовой установки повышают повышающим трансформатором, то есть ступенчато, а ток уменьшается пропорционально т.к.

Ptransmitted=ItransmittedVtransmitted⋅Ptransmitted=ItransmittedVtransmitted⋅

20. 22

Меньший ток ItransmittedI, передаваемый в проводах передачи, уменьшает потери Джоуля , которые представляют собой нагрев провода из-за протекания тока. Этот нагрев вызван малым, но ненулевым сопротивлением RwireRwire проводов передачи. Мощность, потерянная в окружающую среду за счет этого тепла, равна

. Plost=Itransmitted2Rwire,Plost=Itransmitted2Rwire,

20.23

, что пропорционально току в квадрате в проводе передачи.Поэтому передаваемый ток Iпередаваемый Iпередаваемый должен быть как можно меньше и, следовательно, напряжение должно быть большим для передачи мощности Pпереданного⋅Pпереданного⋅

Напряжение от 120 до 700 кВ используется для передачи электроэнергии на большие расстояния. Напряжение повышается на выходе электростанции с помощью повышающего трансформатора, как показано на рис. 20.32.

Фигура 20.32 Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжении от 120 до 700 кВ для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии в районы или предприятия проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния при напряжении от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для обеспечения безопасности на объекте отдельного пользователя.

Как только электроэнергия поступает в населенный пункт или промышленный центр, напряжение на подстанции снижается до 5–30 кВ.Наконец, в отдельных домах или на предприятиях мощность снова снижается до 120, 240 или 480 В. Каждое повышающее и понижающее преобразование выполняется с помощью трансформатора, разработанного на основе закона индукции Фарадея. Мы прошли долгий путь с тех пор, как королева Елизавета спросила Фарадея, как можно использовать электричество.

Электродвигатели и генераторы

Электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и громкоговорители объясняются с помощью анимации и схем.
Это ресурсная страница от Physclips, многоуровневое мультимедийное введение в физику (скачайте анимацию на этой странице).

Двигатели постоянного тока

Простой двигатель постоянного тока имеет катушку с проволокой, которая может вращаться в магнитном поле. То ток в катушке подается через две щетки, контактирующие с подвижным контактом. разрезное кольцо. Катушка находится в постоянном магнитном поле. Приложенные силы на токоведущих проводах создают вращающий момент на катушке. Сила F, действующая на провод длиной L, по которому течет ток i в магнитном поле B равно iLB, умноженному на синус угла между B и i, который был бы равен 90°, если бы поле было равномерно вертикальным.Направление F исходит справа ручное правило*, как показано здесь. Две показанные здесь силы равны и противоположны друг другу. но они смещены по вертикали, поэтому они создают крутящий момент. (Силы на две другие стороны катушки действуют вдоль одной и той же линии и поэтому не создают крутящего момента. )
    * Для запоминания направления силы используется ряд различных нэмоник. Кто-то использует правую руку, кто-то левую. Для студентов, которые знают вектор умножения, легко использовать силу Лоренца напрямую: F = Q V 6, откуда F = I DL x Б .Это происхождение диаграммы, показанной здесь.
Катушку также можно рассматривать как магнитный диполь или маленький электромагнит, как указано стрелкой SN: согните пальцы правой руки в направление течения, а ваш большой палец — это северный полюс. В эскизе справа изображен электромагнит, образованный катушкой ротора. как постоянный магнит, и тот же крутящий момент (Север притягивает Юг) виден быть тем, что действует для выравнивания центрального магнита.
    Всюду мы используем синий цвет для Северного полюса и красный цвет для Южного. Это просто условность, чтобы прояснить ориентацию: нет разницы в материале на обоих концах магнита, и они обычно не окрашены в разные цвета.

Обратите внимание на влияние щеток на разрезное кольцо . Когда плоскость вращающейся катушки станет горизонтальной, щетки разорвут контакт (потеряно немного, потому что это и так точка нулевого крутящего момента – силы действовать внутрь).Угловой момент катушки уносит ее мимо этого разрыва. точка, и ток затем течет в противоположном направлении, которое меняет направление магнитный диполь. Итак, после прохождения точки останова ротор продолжает поворачиваться против часовой стрелки и начинает выравниваться в противоположном направлении. в В следующем тексте я буду в основном использовать картинку «крутящий момент на магните», но имейте в виду, что использование щеток или переменного тока может привести к тому, что полюса рассматриваемый электромагнит меняет положение, когда ток меняет направление.

Крутящий момент, создаваемый за цикл, зависит от вертикального разделения две силы. Следовательно, она зависит от синуса угла между оси катушки и поля. Однако из-за разъемного кольца всегда в том же смысле. Анимация ниже показывает его изменение во времени, и вы может остановить его на любом этапе и проверить направление, прикладывая правую руку правило.

Двигатели и генераторы

Теперь двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока.Посмотрите следующую анимацию. То катушка, разрезное кольцо, щетки и магнит точно такое же оборудование, как и двигатель выше, но катушка вращается, что создает ЭДС.

Если вы используете механическую энергию для вращения катушки (N витков, площадь A) с равномерной угловая скорость ω в магнитном поле B , в катушке возникает синусоидальная ЭДС. ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила — это почти то же самое, что и напряжение).Пусть θ будет угол между B и нормалью к катушке, поэтому магнитный поток φ равен NAB.cos θ. Закон Фарадея дает:

Анимация выше будет называться генератором постоянного тока. Как и в двигателе постоянного тока, концы катушки соединяются с разъемным кольцом, две половины которого соприкасаются по кистям. Обратите внимание, что щетки и разрезное кольцо «выпрямляют» создаваемую ЭДС: контакты организованы так, что ток всегда будет течь в одном и том же направлении, потому что когда катушка поворачивается мимо мертвой точки, где щетки встречаются зазор в кольце, соединения между концами катушки и внешние клеммы перепутаны.ЭДС здесь (без учета мертвой зоны, которая обычно возникает при нуле вольт) равна |NBAω sin ωt|, как нарисовано.

Генератор

Если мы хотим AC, нам не нужна повторная проверка, поэтому нам не нужны разрезные кольца. (Этот это хорошая новость, потому что разрезные кольца вызывают искры, озон, радиопомехи и дополнительный износ. Если хочешь постоянного тока, часто лучше использовать генератор переменного тока и выпрямлять диодами.)

В следующей анимации две щетки касаются двух непрерывных колец, поэтому две внешние клеммы всегда подключены к одним и тем же концам катушки. Результатом является невыпрямленная синусоидальная ЭДС, определяемая NBAω sin ωt, который показан в следующей анимации.


Это генератор переменного тока. Преимущества переменного и постоянного тока генераторы сравниваются в разделе ниже. Мы видели выше, что двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока. Точно так же генератор переменного тока также является двигателем переменного тока. Однако, это довольно негибкий. (Смотри как настоящие электродвигатели работают подробнее.)

Обратная ЭДС

Теперь, как показывают первые две анимации, двигатели постоянного тока и генераторы могут быть то же самое. Например, двигатели поездов становятся генераторами, когда поезд замедляется: они преобразуют кинетическую энергию в электрическую и помещают питание обратно в сеть. В последнее время некоторые производители начали выпускать легковые автомобили. рационально. В таких автомобилях электродвигатели, используемые для привода автомобиля, также используется для зарядки аккумуляторов при остановке автомобиля — это называется регенеративным торможение.

Вот интересное следствие. Каждый двигатель является генератором . Это правда, в некотором смысле, даже когда он функционирует как двигатель. ЭДС этого двигателя генерирует называется обратной ЭДС . Противо-ЭДС увеличивается с скорость по закону Фарадея. Так что, если двигатель без нагрузки, он крутится очень быстро и разгоняется до противо-ЭДС, плюс падение напряжения из-за потерь, равно напряжению питания. Обратную ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: он останавливает бесконечно быстрое вращение двигателя (тем самым избавляя физиков от некоторого смущения).Когда двигатель загружен, то фаза напряжения становится ближе к фазе тока (начинает выглядеть резистивным), и это кажущееся сопротивление дает напряжение. Итак, спина ЭДС необходима меньше, и двигатель вращается медленнее. (Чтобы добавить заднюю ЭДС, которая индуктивная, к резистивной составляющей нужно добавить напряжения которые не совпадают по фазе. См. AC схемы.)

Катушки обычно имеют сердечник

На практике (и в отличие от нарисованных нами схем) генераторы и постоянный ток двигатели часто имеют сердечник с высокой проницаемостью внутри катушки, так что большой магнитные поля создаются небольшими токами.Это показано слева на рисунок ниже на котором статоры (магниты стационарные) являются постоянными магнитами.

Универсальные двигатели

Магниты статора также могут быть выполнены в виде электромагнитов, как показано выше. справа. Два статора намотаны в одном направлении, чтобы дать поле в том же направлении, а ротор имеет поле, которое дважды меняет направление за цикл, потому что он связан со щетками, которые здесь не показаны.Один Преимущество обмотки статора в двигателе состоит в том, что можно сделать двигатель который работает на переменном или постоянном токе, так называемый универсальный двигатель . Когда вы едете такой двигатель с переменным током, ток в катушке изменяется дважды в каждом цикле (помимо изменений со щеток), но полярность статоров изменяется одновременно, поэтому эти изменения компенсируются. (К сожалению, кисти все же есть, хотя я их и спрятал в этом наброске.) Для преимуществ и недостатки постоянного магнита по сравнению со статором с обмоткой см. ниже. Также см. больше на универсальных двигателях.

Сборка простого двигателя

Чтобы построить этот простой, но странный двигатель, вам понадобятся два довольно сильных магнита. (подойдут редкоземельные магниты диаметром около 10 мм, как и стержень большего размера). магниты), немного жесткой медной проволоки (не менее 50 см), два провода с крокодилом зажимы на обоих концах, шестивольтовая батарея для фонаря, две банки из-под безалкогольных напитков, два блока дерева, клейкой ленты и острого гвоздя.

Сделайте катушку из жесткой медной проволоки, чтобы не требовалось никаких внешних служба поддержки. Намотайте от 5 до 20 витков по кругу диаметром около 20 мм и два конца направлены радиально наружу в противоположных направлениях. Эти концы будут быть и осью, и контактами. Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, обрежьте его на концах.

Опоры для оси могут быть изготовлены из алюминия, поэтому чтобы они вступали в электрический контакт.Например, сделать дырки в безалкогольном напитке. банки с гвоздем, как показано на рисунке. Расположите два магнита с севера на юг, так что магнитное поле проходит через катушку под прямым углом к оси. Приклейте или приклейте магниты к деревянным брускам (не показаны). на схеме), чтобы держать их на нужной высоте, затем переместите блоки поставить их в положение, довольно близко к катушке. Сначала поверните катушку так что магнитный поток через катушку равен нулю, как показано на схеме.

Теперь возьмите аккумулятор и два провода с зажимами типа «крокодил». Соединять две клеммы аккумулятора к двум металлическим опорам для катушка и она должна крутиться.

Обратите внимание, что у этого двигателя есть по крайней мере одна «мертвая зона»: он часто останавливается в положении, когда на катушке нет крутящего момента. Не уходи это слишком долго: это быстро разрядит батарею.

Оптимальное количество витков в катушке зависит от внутренней сопротивление аккумулятора, качество опорных контактов и тип провода, поэтому следует поэкспериментировать с разными значениями.

Как было сказано выше, это тоже генератор, но очень неэффективный. Чтобы сделать большую ЭДС, используйте больше витков (может понадобиться использовать более тонкую проволоку и рамку, на которую ее можно намотать.) Вы можете использовать например, электрическая дрель, чтобы быстро повернуть ее, как показано на рисунке выше. С помощью осциллографа посмотрите на генерируемую ЭДС. Это переменный или постоянный ток?

В этом двигателе нет разрезного кольца, так почему на ДК работает? Проще говоря, если бы он был точно симметричным, он бы не работал.Однако, если ток в одном полупериоде немного меньше, чем в другом, то средний крутящий момент не будет равен нулю, и, поскольку он вращается достаточно быстро, угловой момент, приобретенный в течение полупериода с большим током, переносит его через полупериод, когда крутящий момент направлен в противоположную сторону. По крайней мере, два эффекта могут вызвать асимметрию. Даже если провода идеально зачищены и провода чистые, контактное сопротивление вряд ли будет точно равным даже в состоянии покоя. Кроме того, само вращение вызывает прерывистый контакт, поэтому, если во время одной фазы происходят более длительные отскоки, этой асимметрии достаточно.В принципе, можно было бы частично зачистить провода таким образом, чтобы за один полупериод ток был равен нулю.

Альтернативная версия простого двигателя от Джеймса. Тейлор.
Еще более простой двигатель (тот, который также намного проще для понимания!) является униполярным двигателем.

Двигатели переменного тока

С переменным током мы можем изменить направление поля без использования щеток.Это хорошая новость, потому что мы можем избежать дугового разряда, образования озона и омические потери энергии, которые могут повлечь за собой щетки. Далее, поскольку щетки соприкасаются между движущимися поверхностями, они изнашиваются.

Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, это создать вращающееся поле. ‘Обычный’ Переменный ток от 2- или 3-контактной розетки является однофазным переменным током — он имеет одну синусоидальную форму. разность потенциалов возникает только между двумя проводами — активным и нейтральным. (Обратите внимание, что провод заземления не пропускает ток, за исключением случаев электрические неисправности.) С однофазным переменным током можно создать вращающееся поле путем создания двух токов, которые не совпадают по фазе, с использованием, например, конденсатора. В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90°, поэтому вертикальный составляющая магнитного поля синусоидальная, а горизонтальная — косусоидальная, как показано. Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки.

(* Меня попросили объяснить это: от простого переменного тока теории, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с электрический ток.В конденсаторе напряжение максимально, когда заряд закончил течь на конденсатор, и вот-вот начнет течь. Таким образом, напряжение отстает от тока. В чисто индуктивной катушке падение напряжения наибольшее, когда ток изменяется наиболее быстро, что также, когда ток равен нулю. Напряжение (падение) опережает ток. В катушках двигателя угол сдвига фаз меньше 90°, т.к. энергия превращается в механическую энергию.)

В этой анимации графики показывают изменение токов во времени в вертикальных и горизонтальных катушках. График компонентов поля B x и B y показывает, что векторная сумма этих двух полей представляет собой вращающуюся поле. На основном рисунке показано вращающееся поле. Он также показывает полярность магнитов: как и выше, синий представляет северный полюс, а красный — южный полюс.

Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля, или если мы поместим в катушке, ток которой всегда течет в одном и том же направлении, то это становится синхронный двигатель .В широком диапазоне условий двигатель будет вращаться со скоростью магнитного поля. Если у нас много статоров, вместо только двух пар, показанных здесь, мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель. двигатель: каждый импульс перемещает ротор к следующей паре задействованных полюсов. Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели иметь десятки полюсов и довольно сложную геометрию!

Асинхронные двигатели

Теперь, поскольку у нас есть переменное во времени магнитное поле, мы можем использовать ЭДС индукции в катушке — или даже просто вихревые токи в проводнике — чтобы ротор магнит.Правильно, если у вас есть вращающееся магнитное поле, вы можете просто вставьте проводник и он крутится. Это дает несколько преимуществ асинхронные двигатели : отсутствие щеток или коллектора означает простоту изготовления, отсутствие износа, отсутствия искр, образования озона и связанных с этим потерь энергии. с ними. Слева внизу показана схема асинхронного двигателя. (Для фотографий настоящие асинхронные двигатели и более подробную информацию см. в разделе Индукция моторы. ) Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Анимация справа представляет двигатель с короткозамкнутым ротором . Белка Клетка имеет (во всяком случае, в этой упрощенной геометрии!) два круглых проводника, соединенных несколькими прямыми стержнями. Любые два стержня и соединяющие их дуги образуют катушка — как показано синими черточками на анимации. (Только два из для простоты показано много возможных схем.)

На этой схеме показано, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором.Реальность другая: фотографии и подробности см. в разделе «Индукция». моторы. Показана проблема с асинхронным двигателем и двигателем с короткозамкнутым ротором. в этой анимации то, что конденсаторы высокой стоимости и высокого номинального напряжения дорогие. Одним из решений является двигатель с экранированными полюсами, но его вращение поле имеет некоторые направления, где крутящий момент мал, и имеет тенденцию бежать назад при некоторых условиях. Самый простой способ избежать этого использовать многофазные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Однофазный используется в бытовых целях для маломощных приложений, но у него есть некоторые недостатки. Во-первых, он выключается 100 раз в секунду (вы не обратите внимание, что флуоресцентные лампы мерцают с такой скоростью, потому что ваши глаза слишком медленные: даже 25 кадров в секунду на телевизоре достаточно быстро, чтобы дать иллюзию непрерывного движения.) Во-вторых, это делает его неудобным для создания вращающихся магнитных полей.По этой причине некоторая большая мощность (несколько кВт) для бытовых устройств может потребоваться трехфазная установка. Промышленное применение широко используйте трехфазный двигатель, а трехфазный асинхронный двигатель является стандартным рабочая лошадка для приложений высокой мощности. Три провода (не считая земли) несут три возможные разности потенциалов, которые не совпадают по фазе с каждым другой на 120°, как показано на анимации ниже. Таким образом, три статора дают плавный вращающееся поле. (Видеть это ссылка для получения дополнительной информации о трехфазном питании.)

Если в такой набор статоров поместить постоянный магнит, он станет синхронным . трехфазный двигатель . На анимации показана беличья клетка, в которой для простота показана только одна из многих петель индуцированного тока. Без механической нагрузки, он вращается практически синхронно с вращающимся полем. Ротор не обязательно должен быть беличьей клеткой: на самом деле любой проводник, который переносимые вихревые токи будут вращаться, стремясь следовать за вращающимся полем.Такая компоновка может дать асинхронный двигатель с высоким КПД, высокая мощность и высокий крутящий момент в диапазоне скоростей вращения.

Линейные двигатели

Набор катушек можно использовать для создания магнитного поля, которое перемещается, а не чем вращается. Пара катушек на анимации ниже пульсирует от слева направо, поэтому область магнитного поля движется слева направо. А постоянный или электромагнит будет стремиться следовать за полем.Так бы и простой пластина из проводящего материала, поскольку в ней индуцируются вихревые токи (не показаны) содержат электромагнит. В качестве альтернативы мы могли бы сказать, что из теории Фарадея Согласно закону, в металлической пластине всегда индуцируется ЭДС, препятствующая любым изменениям. в магнитном потоке, а силы на токи, движимые этой ЭДС, удерживают поток в плите почти постоянный. (Вихревые токи на этой анимации не показаны.)

В качестве альтернативы мы могли бы иметь наборы активных катушек в подвижной части, и вызвать вихревые токи в рельсе.В любом случае мы получаем линейный двигатель, что было бы полезно, скажем, для поездов на магнитной подвеске. (В анимации геометрия как обычно на этом сайте, сильно идеализирован, и только один вихревой ток показано.)

Некоторые примечания о двигателях переменного и постоянного тока для мощных приложений

    Изначально этот сайт был создан, чтобы помочь старшеклассникам и учителей в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где новая учебная программа концентрируется на истории и приложениях физики, в ущерб самой физике, был введен. В новой программе в одном из пунктов есть это загадочное требование: «объясните, что двигатели переменного тока обычно производят маломощные и связывают это с их использованием в электроинструментах».
Двигатели переменного тока используются для приложений высокой мощности, когда это возможно. Три фазные асинхронные двигатели переменного тока широко используются для приложений большой мощности, в том числе тяжелая индустрия. Однако такие двигатели непригодны, если нет многофазности, т.к. или трудно доставить. Электрички тому пример: проще строить линии электропередач и пантографы, если нужен только один активный проводник, так что это обычно имеет постоянный ток, и многие двигатели поездов работают на постоянном токе.Однако из-за недостатков постоянного тока для высокой мощности, более современные поезда преобразуют постоянный ток в переменный, а затем запускают трехфазные двигатели.

Однофазные асинхронные двигатели имеют проблемы с приложениями, сочетающими высокая мощность и гибкие условия нагрузки. Проблема заключается в производстве вращающееся поле. Конденсатор можно использовать, чтобы поместить ток в один набор катушки впереди, но высокая стоимость, высоковольтные конденсаторы дороги. Затененный вместо них используются полюса, но при некоторых углах крутящий момент невелик.Если человек не может создают плавно вращающееся поле, и если груз «проскальзывает» далеко за поле, то крутящий момент падает или даже меняется на противоположное.

В электроинструментах и ​​некоторых бытовых приборах используются щеточные двигатели переменного тока. Кисти представляют потери (плюс искрение и образование озона). Полярность статора изменена 100 раз в секунду. Даже если материал сердечника выбран для минимизации гистерезиса потери («железные потери»), это способствует неэффективности и возможности перегрева.Эти моторы можно назвать «универсальными». двигатели, потому что они могут работать на постоянном токе. Это решение дешевое, но грубое и неэффективно. Для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как электроинструменты, неэффективность обычно не имеет экономического значения.

Если доступен только однофазный переменный ток, можно выпрямить переменный ток и использовать Двигатель постоянного тока. Раньше сильноточные выпрямители были дорогими, но сейчас менее дорогие и более широко используемые. Если вы уверены, что понимаете принципы, пришло время перейти к Как настоящие электродвигатели работы Джона Стори.Или же продолжить здесь, чтобы найти про громкоговорители и трансформаторы.


Громкоговорители

Громкоговоритель представляет собой линейный двигатель с небольшим диапазоном. Он имеет одно движение катушка, которая постоянно, но гибко подключена к источнику напряжения, поэтому нет кистей.
катушка движется в поле постоянного магнита, который обычно имеет форму для создания максимальной силы на катушке. Подвижная катушка не имеет сердечника, поэтому его масса мала, и его можно быстро разогнать, что позволяет частотное движение. В громкоговорителе катушка прикреплена к легкому грузу. бумажный конус, который поддерживается на внутреннем и внешнем краях круглыми, гофрированные бумажные «пружины». На фотографии ниже динамик находится за пределами нормальный верхний предел его перемещения, поэтому катушка видна над магнитные полюса.

Для низкочастотного звука с большой длиной волны нужны большие конусы.Показанный ниже динамик имеет диаметр 380 мм. Динамики, предназначенные для низкие частоты называются вуферами. Они имеют большую массу и поэтому трудно быстро ускориться для высокочастотных звуков. На фотографии ниже часть вырезана, чтобы показать внутренние компоненты.

ВЧ-динамики — громкоговорители, предназначенные для высоких частот — могут быть просто динамики аналогичной конструкции, но с небольшими диффузорами и катушками малой массы. В качестве альтернативы они могут использовать пьезоэлектрические кристаллы для перемещения конуса.

Динамики представляют собой линейные двигатели со скромным диапазоном — возможно, десятки мм. Подобные линейные двигатели, хотя, конечно, без бумажного конуса, часто используется для радиального перемещения считывающей и записывающей головок на дисководе.
Громкоговорители в качестве микрофонов
На картинке выше вы можете видеть, что картонная диафрагма (диффузор громкоговорителя) соединена с катушкой провода в магнитном поле.Если звуковая волна перемещает диафрагму, катушка будет двигаться в поле, генерируя напряжение. Это принцип динамического микрофона, хотя в большинстве микрофонов диафрагма гораздо меньше, чем диффузор громкоговорителя. Итак, громкоговоритель должен работать как микрофон. Это хороший проект: все, что вам нужно, это громкоговоритель и два провода, чтобы подключить его к входу осциллографа или микрофонному входу вашего компьютера. Два вопроса: как вы думаете, что масса конуса и катушки повлияет на частотную характеристику? Как насчет длины волны звуков, которые вы используете?

Внимание: настоящие моторы сложнее

Эскизы двигателей были схематичными, чтобы показать принципы.Пожалуйста, не сердитесь, если, когда вы разбираете двигатель, он выглядит более сложный! (Смотри как работают настоящие электродвигатели.) Например, типичный двигатель постоянного тока вероятно, будет иметь много отдельно намотанных катушек для создания более плавного крутящего момента: всегда есть одна катушка, для которой синусоидальный член близок к единице. Это показано ниже для двигателя с обмоткой статора (вверху) и постоянные статоры (ниже).

Трансформаторы

На фотографии изображен трансформатор, предназначенный для демонстрационных целей: первичная и вторичная катушки четко разделены и могут быть удалены и заменяется подъемом верхней секции сердечника. Для наших целей обратите внимание что в левой катушке меньше витков, чем в правой (вставки показать крупный план).

На схеме и схеме показан повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, нужно только поставить источник справа, а нагрузку слева. ( Важно примечание по технике безопасности : настоящий трансформатор можно было «подключить только задом наперёд». только после проверки того, что номинальное напряжение соответствует требованиям.) Итак, как же трансформатор работает?

Сердечник (заштрихован) имеет высокую магнитную проницаемость, т.е. материал, образующий магнитное поле гораздо легче, чем свободное пространство, из-за ориентации атомных диполей. (На фотографии сердечник — ламинированное мягкое железо.) В результате поле концентрируется внутри ядра и почти никакие силовые линии не выходят из ядра. Если следует, что магнитные потоки φ через первичный и вторичный примерно равны, как показано. От Фарадея закона, ЭДС в каждом витке, будь то в первичной или вторичной обмотке, равна −dφ/dt. Если пренебречь сопротивлением и другими потерями в трансформаторе, вывод напряжение равно ЭДС. Для витков первички N p это дает

Для N с витками вторичной обмотки это дает Разделение этих уравнений дает уравнение трансформатора где r — коэффициент поворота. Что с текущим? Если пренебречь потерями в трансформатора (см. раздел об эффективности ниже), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковые фазовые соотношения в первичной и вторично, то из закона сохранения энергии мы можем написать в стационарном состоянии:
    Питание на входе = питание на выходе,      так что

    V p I p = V s I s ,      откуда

    I s /I p = N p /N s = 1/р.

Так что ничего даром не получишь: повышаешь напряжение — уменьшаешь ток (как минимум) на тот же коэффициент. Обратите внимание, что на фотографии катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что она рассчитана на меньшее количество витков. ток, чем тот, с меньшим количеством витков.

В некоторых случаях целью упражнения является уменьшение силы тока. В силе линиях электропередач, например, мощность, теряемая при нагреве проводов из-за к их ненулевому сопротивлению пропорционально квадрату тока.Таким образом, при передаче электроэнергии от электростанции экономится много энергии. в город на очень высоком напряжении, так что токи только скромные.

Наконец, и снова предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь. В первичном контуре:

    V p = V s /r       и       I p = я с .р      так

    V p /I p = V s /r 2 I s = Р/р 2 .

R/r 2 называется отраженным сопротивлением . при условии, что частота не слишком высока, и при условии наличия сопротивления нагрузки (условия обычно встречается в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя как если бы источник управлял резистором со значением R/r 2 .
Эффективность трансформаторов
На практике настоящие трансформаторы имеют КПД менее 100%.
  • Во-первых, в катушках имеются резистивные потери (мощность потерь I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их сечение велико. Удельное сопротивление также можно уменьшить, используя медь высокой чистоты. (См. дрейф скорость и закон Ома.)
  • Во-вторых, в сердечнике есть потери на вихревые токи.Это может быть уменьшается за счет ламинирования сердцевины. Ламинирование уменьшает площадь контуров в сердечнике, а так уменьшить ЭДС Фарадея, а так ток протекающий в ядре, и поэтому энергия при этом теряется.
  • В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. намагниченность и кривые размагничивания для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или зависимость от истории), а это означает, что энергия, необходимая намагнитить сердечник (пока ток растет) не совсем восстанавливается при размагничивании.Разница в энергии теряется в виде тепла в ядре.
  • Наконец, геометрический дизайн, а также материал сердцевины могут быть оптимизирована для обеспечения того, чтобы магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки примерно такой же, как и в каждой обмотке первичной обмотки.
Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока
Трансформаторы работают только от переменного тока, что является одним из больших преимуществ переменного тока. Трансформеры позволяют снизить напряжение 240 В до удобного уровня для цифровой электроники (всего несколько вольт) или для других маломощных приложений (обычно 12 В).Трансформеры повышайте напряжение для передачи, как упоминалось выше, и понижайте для безопасного распределение. Без трансформаторов потери электроэнергии в распределении сети, и без того высокие, были бы огромными. Возможно преобразование напряжения на постоянном токе, но сложнее, чем на переменном токе. Кроме того, такие преобразования часто неэффективно и/или дорого. Преимущество переменного тока в том, что его можно использовать на двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для приложений с высокой мощностью.

Другие ресурсы от нас

Некоторые внешние ссылки на веб-ресурсы по двигателям и генераторам

  • Гиперфизика: Электродвигатели с сайта HyperPhysics в штате Джорджия. Отлично сайт габаритный, а моторная секция идеально подходит для этой цели. Хорошо использование веб-графики. Использует двигатели постоянного, переменного и асинхронного тока и имеет обширный ссылки
  • Громкоговорители.. Еще больше полезного от Гиперфизики штата Джорджия.Хорошая графика, хорошие пояснения и ссылки. Этот громкоговоритель сайт также включает вложения.
  • http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm А сайт с описанием двигателя, построенного студентами. Ссылки на другие двигатели, построенные компанией тот же студент и ссылки тоже на сайты про моторы.
  • http://www.specamotor.com А сайт, который сортирует двигатели от различных производителей в соответствии со спецификациями, введенными пользователем.

В чем разница между наличием постоянных магнитов и наличие электромагнитов в двигателе постоянного тока? Делает ли это его более эффективным или более могущественный? Или просто дешевле?

Когда я получил этот вопрос на Высшем Школьная доска объявлений по физике, я отправил ее Джону Стори, который, будучи выдающимся астрономом, является строителем. электромобилей.Вот его ответ:

В целом, для небольшого двигателя намного дешевле использовать постоянные магниты. Материалы для постоянных магнитов продолжают совершенствоваться и стали настолько недорогими что даже правительство иногда будет присылать вам бессмысленные магниты на холодильник через пост. Постоянные магниты также более эффективны, потому что тратится на создание магнитного поля. Так зачем вообще использовать раневое поле Двигатель постоянного тока? Вот несколько причин:

  • Если вы собираете действительно большой двигатель, вам нужен очень большой магнит и в какой-то момент раневое поле может подешеветь, особенно если очень сильное магнитное поле необходимо для создания большого крутящего момента.Имейте это в виду если вы проектируете поезд. По этой причине большинство автомобилей имеют стартеры. которые используют раневое поле (хотя в некоторых современных автомобилях сейчас используется постоянное магнитные двигатели).
  • С постоянным магнитом магнитное поле имеет фиксированное значение (это что значит «постоянный»!) Напомним, что крутящий момент, создаваемый двигателем заданная геометрия равна произведению тока через якорь и напряженность магнитного поля.С двигателем с раневым полем у вас есть возможность изменения тока через поле и, следовательно, изменение характеристики двигателя. Это открывает ряд интересных возможностей; Вы включаете обмотку возбуждения последовательно с якорем, параллельно, или кормить его из отдельно контролируемого источника? Пока достаточно крутящий момент для преодоления нагрузки на двигатель, внутреннего трения и т. д., чем слабее магнитное поле, тем *быстрее* будет вращаться двигатель (при фиксированном Напряжение).Сначала это может показаться странным, но это правда! Итак, если вы хотите двигатель, который может создавать большой крутящий момент в состоянии покоя, но при этом вращаться до высоких скорости, когда нагрузка низкая (как продвигается этот дизайн поезда?), возможно, поле раны является ответом.
  • Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал как от переменного, так и от постоянного тока (так называемый «универсальный» двигатель), магнитное поле должно менять свою полярность каждые полпериода Мощность переменного тока, чтобы крутящий момент на роторе всегда был в одном направлении.Очевидно, вам нужен двигатель раневого поля, чтобы добиться этого трюка.

Мнения, выраженные в этих заметках, принадлежат мне и не обязательно отражают политика Университета Нового Южного Уэльса или Школы физики. То анимация была сделана Джорджем Хацидимитрис.
Джо Вулф / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT +10, +11 окт-март)

Усовершенствованные материалы для обмоток электродвигателей и генераторов

Более эффективные и экологически безопасные двигатели могут быть разработаны путем сосредоточения внимания на конструкции двигателя по частям, чтобы определить, где можно использовать новые материалы или конструкции для достижения наибольшего общего повышения эффективности.Повышение эффективности конструкции и работы двигателя начинается с самого основного, но, возможно, самого важного компонента двигателя: обмотки. Обмоточные материалы часто представляют собой изолированные провода, плотно свернутые вместе в плотную катушку, предназначенную для создания магнитного поля в ответ на электрический ток. Усовершенствованные обмотки электродвигателей могут стать ключом к улучшению характеристик электродвигателей в будущем. Конечно, потребность в эффективности и повышении производительности выходит за рамки электродвигателей, а также относится к другим устройствам, требующим плотной обмотки изолированного провода, таким как генераторы, трансформаторы и электромагниты.

Возможность делать двигатели легче и меньше необходима для достижения более высоких рейтингов энергоэффективности. В этой статье мы сосредоточимся на части обмотки или магнитной проволоки двигателя и рассмотрим обычные или современные материалы, которые используются для этих частей или которые могут быть использованы в будущем для улучшения веса, прочности, гибкости, тепловых/электрических характеристик. электропроводность и стоимость конструкций обмоток двигателя и генератора.

Медь

Медь

является наиболее распространенным выбором магнитной проволоки из-за ее высокой проводимости и относительно низкой стоимости.Для большинства двигателей, подобных показанному ниже, мы используем медь с очень тонким эмалевым покрытием и плотно оборачиваем провод, чтобы создать обмотку, которая создаст электромагнитное поле для привода двигателя.

 

 

Фотография двигателя дрона, показанная выше, дает нам представление о том, сколько меди уходит на двигатель, и почему вес материала важен для повышения эффективности двигателя. Если бы мы смогли легко уменьшить вес всей этой меди на двигателе и сохранить его выходную мощность, это значительно уменьшило бы количество энергии, необходимой для полета дрона.Медь является отличным выбором для обмоток двигателя из-за ее высокой проводимости и относительно низкой стоимости, но это также очень плотный и тяжелый материал; это еще большая проблема для двигателей, используемых в электромобилях или самолетах, которые должны быть легкими. Медь прекрасно подходит для большинства двигателей, но при рассмотрении веса, прочности и стабильности при высоких температурах или других сложных условиях нам следует рассмотреть некоторые другие потенциально лучшие материалы.

Алюминий

Если бы мы рассматривали только вес, алюминиевая проволока была бы отличным выбором для конструкции магнитной проволоки.Алюминий является коммерчески доступным вариантом магнитной проволоки, но, поскольку он обладает меньшей проводимостью, чем медь, для создания такой же выходной мощности потребуются провода большего диаметра и, соответственно, более мощные двигатели. Кроме того, алюминий более подвержен усталости при изгибе и легче ломается после повторяющихся движений. Еще одним недостатком алюминия является повышенная вероятность коррозии и сложность поддержания контактов в чистоте, что приводит к более высокому локальному сопротивлению и потенциальному тепловому отказу точки соединения.Улучшений можно добиться, используя комбинацию алюминия с другими металлами для увеличения проводимости, сохраняя тот же физический размер двигателя и ту же выходную мощность, что и двигатель с медными обмотками, при этом уменьшая вес.

Золото и серебро

Провода из золота и серебра имеют низкое сопротивление, а также более устойчивы к коррозии, чем алюминий или медь; на самом деле серебро проводит электричество немного лучше, чем сама медь. Однако и золото, и серебро значительно дороже меди.Повышенная стоимость и низкая доступность этих материалов затруднили бы их использование в качестве основных магнитных проводов для электромобилей и самолетов

.

Углеродные нанотрубки (УНТ)

Волокна и пряжа из углеродных нанотрубок привлекли внимание производителей электродвигателей и электроэнергетики благодаря невероятному сочетанию свойств, обеспечиваемых материалами из УНТ. Волокна и пряжа из углеродных нанотрубок предлагают очень гибкий, прочный и легкий вариант для конструкций обмотки двигателя.Углеродные нанотрубки также обеспечивают более высокую проводимость, чем медь, на молекулярном уровне, хотя еще не было продемонстрировано, что нити УНТ могут достичь такого уровня проводимости в масштабе макроскопических волокон.

Современные современные волокна УНТ имеют проводимость, которая составляет 15-20 % от проводимости меди; учитывая это, необходимы дальнейшие улучшения, прежде чем волокна УНТ смогут стать конкурентоспособным материалом для большинства типов магнитной проволоки. Использование волокон CNT в двигателях, работающих на более высоких частотах, может иметь преимущество, поскольку электрические характеристики меди снижаются при работе на более высоких частотах по сравнению с волокнами CNT.

Гибкость волокон CNT значительно превосходит медь и более сравнима с гибкостью текстильной нити со способностью выдерживать миллионы циклов изгиба. В сочетании с высокой прочностью этот уровень гибкости может позволить повысить эффективность упаковки обмоток двигателя и обеспечить более быстрые и надежные методы установки для создания улучшенных конструкций магнитных проводов. Волокна и пряжа CNT также являются самым легким вариантом для магнитной проволоки: они в 9 раз легче медной проволоки и в 3 раза легче алюминиевой проволоки.

Одним из основных недостатков использования нитей УНТ в качестве обмоток двигателя является стоимость материала; эти волокна в настоящее время являются одной из более дорогих альтернатив алюминию и меди и дороже золота и серебра. По мере роста спроса на волокна из углеродных нанотрубок и развития технологий производства волокна из углеродных нанотрубок могут стать более конкурентными в области магнитных проводов с точки зрения цены за фунт.

 

Проволочная форма

Выбор материала играет большую роль в выборе подходящей магнитной проволоки, но изменение формы проволоки также может раскрыть больший потенциал эффективности.Форма и состав каждого из материалов, которые мы обсуждали до сих пор, могут быть изменены до некоторой степени; например, большинство материалов для проводки обычно имеют круглое поперечное сечение, но также могут иметь форму пленки или ленты. Основным преимуществом ленточной формы является повышенная плотность упаковки по сравнению с круглой проволокой. Более высокая плотность упаковки может привести к более компактному двигателю с той же выходной мощностью; однако эта конструкция имеет некоторые недостатки. Общие проблемы с проводом в ленточном формате включают удержание тепла, гибкость и сложность установки.При правильном сочетании изоляционных материалов гибкость, теплоемкость и прочность пленок из углеродных нанотрубок могут сделать их интересным вариантом для проводки плоских магнитов.

Гибридный провод

Вместо того, чтобы рассматривать только один материал для улучшения магнитной проводки, мы должны также учитывать, что комбинация правильных материалов может дать наилучший результат. Не все электродвигатели и генераторы сконструированы одинаково, и не все двигатели и генераторы пытаются выполнять одну и ту же работу; когда мы сравниваем требования к самолетам и требования к локомотивам, мы видим большое количество различий (одна из них заключается в том, насколько критическим может быть вес двигателя).Единственное требование, универсальное для всех приложений, — это повышение эффективности энергопотребления. Тем не менее, разработчики будущих моторных технологий должны учитывать потребности каждого отдельного приложения и непредвзято относиться к материалам, которые могут создать надлежащий гибридный материал для достижения желаемой цели.

Одним из хороших примеров гибридного провода является комбинация медных и углеродных нанотрубок. Эта комбинация материалов может обеспечить провода с термической стабильностью, намного более высокой, чем у меди.Для двигателей, которые работают на более высоких частотах и ​​в более высоких диапазонах температур, мы могли бы увидеть, что композит CNT-Cu может стать следующей версией коммерческой меди в качестве магнитной проволоки для поддержания эффективности электродвигателей и генераторов, работающих в суровых и сложных условиях.

В видеоролике ниже мы кратко рассмотрим некоторые экспериментальные работы, которые были выполнены в DexMat для создания композитных проводов CNT-Cu.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.