電気モーターおよび発電機

DCモーター

• * 力の方向を記憶するために、さまざまなナノモニックが使用されます。右手を使う人もいれば、左手を使う人もいます。知っている学生の場合ベクトル乗算、ローレンツ力を直接使用するのは簡単です：ふ= qvバツB、そこからふ=私DLバツB.それがここに示した図の由来です。

• 全体を通して、北極には青、南極には赤を使用しています。これは、向きを明確にするための慣例にすぎません。磁石の両端の素材に違いはなく、通常は異なる色で塗装されていません。

の効果に注意してくださいブラシ上でスプリットリング.回転するコイルの平面が水平に達すると、ブラシは接触を失います (これはいずれにせよゼロ トルクのポイントであるため、多くは失われません。力は内側に作用します)。コイルの角運動量がこのブレークポイントを通過すると、電流は反対方向に流れ、磁気双極子が反転します。したがって、ブレークポイントを通過した後、ローターは反時計回りに回転し続け、反対方向に整列し始めます。以下のテキストでは、主に「磁石のトルク」の図を使用しますが、ブラシまたは AC 電流を使用すると、電流の方向が変わると、問題の電磁石の極が位置を交換する可能性があることに注意してください。

1 サイクルで生成されるトルクは、2 つの力の垂直方向の分離によって変化します。したがって、コイルの軸と磁場の間の角度のサインに依存します。ただ、スプリットリングなので、いつも同じ感覚です。下のアニメーションはその時間の変化を示しており、任意の段階で停止して、右手の法則を適用することで方向を確認できます。
 

モーターと発電機

機械的エネルギーを使用して、磁場内で均一な角速度 ω でコイル (N ターン、領域 A) を回転させる場合B、コイルに正弦波起電力を生成します。emf (emf または起電力は、電圧とほぼ同じものです)。の間の角度を θ とする。Bとコイルの法線なので、磁束 φ は NAB.cos θ です。ファラデーの法則は次のように与えます。

• emf = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

オルタネーター

次のアニメーションでは、2 つのブラシが 2 つの連続したリングに接触しているため、2 つの外部端子は常にコイルの同じ端に接続されています。結果は、次のアニメーションに示されている NBAω sin ωt によって与えられる整流されていない正弦波起電力です。

逆起電力

したがって、ここに興味深い結果があります。すべてのモーターは発電機です.これは、モーターとして機能する場合でも、ある意味ではそうです。モーターが生成する起電力は、逆起電力.ファラデーの法則により、逆起電力は速度とともに増加します。したがって、モーターに負荷がない場合、モーターは非常に速く回転し、逆起電力と損失による電圧降下が供給電圧に等しくなるまで速度が上がります。逆起電力は「調整器」と考えることができます。モーターの回転を無限に速く止めます (それによって、物理学者の恥ずかしさを軽減します)。モーターに負荷がかかると、電圧の位相が電流の位相に近づき (抵抗のように見え始めます)、この見かけの抵抗が電圧になります。そのため、必要な逆起電力が小さくなり、モーターの回転が遅くなります。(誘導性である逆起電力を抵抗成分に追加するには、位相がずれている電圧を追加する必要があります。交流回路.)

コイルには通常コアがあります

実際には (そして、私たちが描いた図とは異なり)、発電機や DC モーターは、コイルの内部に透磁率の高いコアを持っていることが多く、そのため、適度な電流によって大きな磁場が生成されます。これは、下の図の左側に示されています。ステーター（静止している磁石）は永久磁石です。

「ユニバーサル」モーター

固定子の磁石も、上の右側に示されているように、電磁石として作成できます。2 つの固定子は、同じ方向に磁場を与えるために同じ方向に巻かれ、回転子はここでは省略されているブラシに接続されているため、1 サイクルあたり 2 回反転する磁場を持ちます。モーターに巻線固定子を使用する利点の 1 つは、AC または DC で動作するモーターを作成できることです。ユニバーサルモーター.このようなモーターを AC で駆動すると、コイルの電流は各サイクルで (ブラシからの変化に加えて) 2 回変化しますが、ステーターの極性は同時に変化するため、これらの変化は相殺されます。(残念ながら、このスケッチではブラシを非表示にしていますが、まだブラシがあります。) 永久磁石と巻線型固定​​子の利点と欠点については、下.こちらもご覧くださいユニバーサルモーターの詳細.

簡単なモーターを作る

コイルを硬い銅線で作るので、外部サポートは必要ありません。直径約 20 mm の円に 5 ～ 20 回巻き、両端を放射状に外側に向けて反対方向に向けます。これらの端は、車軸と接点の両方になります。ワイヤーにラッカーまたはプラスチックの絶縁体が付いている場合は、端を剥がします。

ACモーター

AC モーターで最初に行うことは、回転フィールドを作成することです。2 または 3 ピン ソケットからの「通常の」AC は単相 AC です。これは、2 本のワイヤ (アクティブとニュートラル) の間で単一の正弦波電位差が生成されます。(アース線は、電気的障害が発生した場合を除いて電流を流さないことに注意してください。) 単相 AC では、たとえばコンデンサを使用して位相が異なる 2 つの電流を生成することにより、回転磁場を生成できます。示されている例では、2 つの電流は位相が 90° ずれているため、磁場の垂直成分は正弦波であり、水平成分は余弦波です。これにより、反時計回りに回転するフィールドが得られます。

（*これについて説明するように求められました：単純な交流理論、コイルもコンデンサも電流と同相の電圧を持っていません。コンデンサーでは、電荷がコンデンサーに流れ込み終わって流れ始めようとしているときに電圧が最大になります。したがって、電圧は電流よりも遅れています。純粋な誘導コイルでは、電流が最も急速に変化しているときに電圧降下が最大になります。これは、電流がゼロのときでもあります。電圧（ドロップ）は電流よりも進んでいます。モーター コイルでは、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されるため、位相角は 90 度よりもかなり小さくなります。)

このアニメーションでは、グラフは垂直コイルと水平コイルの電流の時間変化を示しています。フィールド成分 B のプロット_バツとB_yこれら 2 つのフィールドのベクトル和が回転フィールドであることを示します。メインの写真は回転場を示しています。また、磁石の極性も示しています。上記のように、青は北極を表し、赤は南極を表します。

この回転磁界の領域に永久磁石を配置するか、電流が常に同じ方向に流れるコイルを配置すると、これは同期モーター.幅広い条件下で、モーターは磁場の速度で回転します。ここに示されている 2 つのペアだけでなく、多くの固定子がある場合は、それをステッピング モーターと見なすことができます。各パルスは、回転子を次の作動極のペアに移動させます。理想化されたジオメトリに関する私の警告を思い出してください。実際のステッピング モーターには数十の極と非常に複雑なジオメトリがあります。

誘導電動機

右のアニメーションは、リスケージモーター.リスのケージには (とにかく、この簡略化されたジオメトリでは!) 2 つの円形の導体がいくつかの直線棒で結合されています。アニメーションの青いダッシュで示されているように、任意の 2 つの棒とそれらを結合する円弧がコイルを形成します。(簡単にするために、多くの可能な回路のうち 2 つだけを示しています。)

この回路図は、リス ケージ モーターと呼ばれる理由を示唆しています。現実は異なります。写真と詳細については、誘導電動機.このアニメーションに示されている誘導およびかご形モーターの問題は、値が大きく定格電圧が高いコンデンサが高価であることです。1 つの解決策は「影付きポール」モーターですが、その回転フィールドにはトルクが小さい方向がいくつかあり、状況によっては逆回転する傾向があります。これを回避する最も適切な方法は、多相モーターを使用することです。

三相交流誘導電動機

このような固定子のセットに永久磁石を入れると、同期三相モーター.アニメーションはリスのケージを示しています。簡単にするために、多くの誘導電流ループの 1 つだけが示されています。機械的負荷がない場合、回転フィールドとほぼ同相で回転しています。回転子はリスかごである必要はありません。実際、渦電流を運ぶ導体は回転し、回転磁場に従う傾向があります。この配置により、誘導電動機回転数の範囲で高効率、高出力、高トルクが可能です。

リニアモーター