Πώς λειτουργεί ένας επαγωγικός κινητήρας;

Ένας επαγωγικός κινητήρας λειτουργεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες για να δημιουργήσει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό το πεδίο στη συνέχεια προκαλεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα στον ρότορα, το οποίο δημιουργεί το δικό του μαγνητικό πεδίο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο πεδίων προκαλεί την περιστροφή του ρότορα, περιστρέφοντας αποτελεσματικά γύρω από τον κινητήρα.

Σήμερα, πατάμε έναν διακόπτη και παίρνουμε άμεση ισχύ, αλλά οι πρόγονοί μας θα το θεωρούσαν θαύμα. Γνωρίζουμε ότι λειτουργεί επειδή τροφοδοτείται από κινητήρα, αλλά εξακολουθεί να είναι απίστευτα εντυπωσιακό! Σε αυτή τη σημείωση, μπορείτε να βρείτε κινητήρες σε όλες τις μορφές συσκευών και μηχανημάτων που κινούνται. Έχετε σκεφτεί ποτέ πόσοι ηλεκτρικοί κινητήρες υπάρχουν στο δωμάτιο που κάθεστε αυτή τη στιγμή; Λοιπόν, δύο για αρχή—ένα στον σκληρό σας δίσκο και ένα άλλο στον ανεμιστήρα ψύξης. Στο σπίτι σας, θα βρείτε επιπλέον κινητήρες σε πιστολάκια μαλλιών και πολλά παιχνίδια. στο μπάνιο, βρίσκονται σε ανεμιστήρες και ηλεκτρικές ξυριστικές μηχανές και στην κουζίνα, οι κινητήρες υπάρχουν σχεδόν σε κάθε συσκευή που μπορείτε να ονομάσετε, από πλυντήρια ρούχων και πλυντήρια πιάτων μέχρι μύλους καφέ, φούρνους μικροκυμάτων και ηλεκτρικά ανοιχτήρια κονσερβών. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν αποδειχθεί ότι είναι από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις όλων των εποχών. Τώρα, ας χωρίσουμε μερικά και ας μάθουμε πώς λειτουργούν!

Η θεωρία πίσω από τους κινητήρες

Ένας ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί με μια πολύ απλή αρχή. Εάν περάσετε ηλεκτρισμό στο ένα άκρο του άξονα του κινητήρα, αυτό περιστρέφεται στο άλλο άκρο, το οποίο παρέχει την ισχύ για την οδήγηση μιας μηχανής. Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί σε αυτή τη διασταύρωση — πώς αυτός ο ηλεκτρισμός οδήγησε στην κίνηση; Για να κατανοήσουμε αυτόν τον μηχανισμό φαινομένων, ας πάρουμε ένα συνηθισμένο σύρμα και, στη συνέχεια, ας βάλουμε βρόχο και ας το τοποθετήσουμε ανάμεσα στους πόλους δύο μόνιμων μαγνητών. Εάν συνδέσετε τα άκρα του βρόχου σε μια μπαταρία, θα δείτε ότι το σύρμα θα πηδήξει στιγμιαία. Αυτό μπορεί να ακούγεται περίεργο, αλλά βασίζεται σε μια πολύ θεμελιώδη επιστημονική αρχή. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει επειδή, όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το καλώδιο, δημιουργείται ένα στιγμιαίο μαγνητικό πεδίο γύρω από το καλώδιο. Όταν παράγεται αυτό το στιγμιαίο μαγνητικό πεδίο, αλληλεπιδρά με τα μαγνητικά πεδία του μόνιμου μαγνήτη. Και όπως γνωρίζουμε, ένα από τα δύο συμβαίνουν όταν δημιουργούνται δύο μαγνητικά πεδία — είτε προσελκύουν είτε απωθούν. Αυτό είναι που κάνει το καλώδιο να πηδήξει.

(Φωτογραφία:Alistokes /Wikimedia Commons)

Για να πάμε ένα βήμα παραπέρα, μπορούμε ακόμη και να προβλέψουμε την κίνηση του αγωγού (στην παραπάνω περίπτωση, του σύρματος). Αυτό μπορεί να γίνει με τον Κανόνα του αριστερού χεριού Φλέμινγκ (γνωστός και ως κανόνας κινητήρα). Για να χρησιμοποιήσετε αυτόν τον κανόνα, τραβήξτε προς τα έξω τον αντίχειρα, το δείκτη και τα μεσαία δάχτυλά σας με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε ένα από τα δάχτυλα να είναι κάθετο το ένα στο άλλο. Κάθε δάχτυλο υποδηλώνει μια συγκεκριμένη δύναμη. Ο δείκτης δείχνει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου των μόνιμων μαγνητών. Το μεσαίο δάχτυλο αντιπροσωπεύει την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος στον αγωγό.

Σχεδίαση επαγωγικού κινητήρα

Οι κινητήρες όλων των ειδών βασίζονται στις ίδιες βασικές αρχές, η μόνη διαφορά σε έναν επαγωγικό κινητήρα είναι ότι το σύρμα κάμπτεται σε ορθογώνια μορφή. Ένα σύνηθες φαινόμενο που μπορεί να συμβεί στο καλώδιο είναι ότι θα μετακινηθεί ενενήντα μοίρες και στη συνέχεια θα γυρίσει το καλώδιο πίσω στην αρχική του θέση. Αυτό δεν είναι αποδεκτό όταν απαιτούμε συνεχείς περιστροφές σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, αλλά αυτό μπορεί να ξεπεραστεί με τη βοήθεια του commutator . Η κύρια δουλειά του μεταγωγέα είναι να αναστρέφει το ρεύμα κάθε φορά που το καλώδιο περιστρέφεται ενενήντα μοίρες, γεγονός που διασφαλίζει ότι το καλώδιο συνεχίζει να περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση.

(Φωτογραφία:Zureks/Wikimedia Commons)

Μέχρι τώρα, έχουμε δει τον κύριο σχεδιασμό του κινητήρα DC. Ένας επαγωγικός κινητήρας, από την άλλη πλευρά, έχει ελαφρώς διαφορετικό σχεδιασμό από έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Όταν πρόκειται για έναν κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος, υπάρχει ένας δακτύλιος ηλεκτρομαγνητών που είναι τοποθετημένος γύρω από το εξωτερικό, γνωστός ως στάτορας, ο οποίος έχει σχεδιαστεί για να παράγει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Μέσα στον στάτορα, υπάρχει ένας συμπαγής μεταλλικός άξονας, μια θηλιά από σύρμα, ένα πηνίο, ένα κλουβί σκίουρου κατασκευασμένο από μεταλλικές ράβδους και διασυνδέσεις (όπως τα περιστρεφόμενα κλουβιά που οι άνθρωποι παίρνουν μερικές φορές για τα χάμστερ τους), ή κάποιο άλλο ελεύθερα περιστρεφόμενο μεταλλικό στοιχείο που μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Σε αντίθεση με έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος, όπου στέλνετε ρεύμα στον εσωτερικό ρότορα, σε έναν κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος, στέλνετε ισχύ στα εξωτερικά πηνία που αποτελούν τον στάτορα. Τα πηνία ενεργοποιούνται σε ζεύγη, σε σειρά, παράγοντας ένα μαγνητικό πεδίο που περιστρέφεται γύρω από το εξωτερικό του κινητήρα.

Λειτουργία επαγωγικού κινητήρα

Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί πώς ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο καταφέρνει να προκαλέσει την περιστροφή του σύρματος. Πρέπει να θυμόμαστε ότι ο ρότορας - αιωρούμενος μέσα στο μαγνητικό πεδίο - είναι ένας ηλεκτρικός αγωγός. Το μαγνητικό πεδίο αλλάζει συνεχώς (επειδή περιστρέφεται), οπότε σύμφωνα με τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού (για την ακρίβεια ο νόμος του Faraday), το μαγνητικό πεδίο παράγει (ή προκαλεί, για να χρησιμοποιήσουμε τον όρο Faraday) ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στον ρότορα. Εάν ο αγωγός είναι δακτύλιος ή σύρμα, το ρεύμα ρέει γύρω του σε βρόχο. Εάν ο αγωγός είναι απλώς ένα συμπαγές κομμάτι μετάλλου, αντ' αυτού στροβιλίζονται δινορεύματα γύρω του. Είτε έτσι είτε αλλιώς, το επαγόμενο ρεύμα παράγει το μαγνητικό του πεδίο και, σύμφωνα με έναν άλλο νόμο του ηλεκτρομαγνητισμού (νόμος Lenz), προσπαθεί να σταματήσει οτιδήποτε είναι αυτό που το προκαλεί - το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο - περιστρέφοντας επίσης. Μπορείτε να σκεφτείτε τον ρότορα που προσπαθεί μανιωδώς να «πιάσει» το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο για να εξαλείψει τη διαφορά στην κίνηση μεταξύ τους. Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι το κλειδί για το γιατί ένας κινητήρας όπως αυτός περιστρέφεται, γι' αυτό ονομάζεται κινητήρας επαγωγής.

(Φωτογραφία:Burns/Wikimedia Commons)

Υπάρχουν δύο ζεύγη ηλεκτρομαγνητικών πηνίων που υπάρχουν στον κινητήρα, ο οποίος ενεργοποιείται με τη σειρά του από μια παροχή AC. Τα δύο κόκκινα πηνία είναι καλωδιωμένα σε σειρά και ενεργοποιούνται μαζί. Δεδομένου ότι είναι ένας κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος, το ρεύμα σε κάθε πηνίο δεν ανάβει και σβήνει απότομα, αλλά αντίθετα ανεβαίνει και πέφτει ομαλά σε σχήμα ημιτονοειδούς κύματος. Καθώς τα πηνία ενεργοποιούνται, το μαγνητικό πεδίο που παράγουν μεταξύ τους προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα στον ρότορα. Αυτό το ρεύμα παράγει το δικό του μαγνητικό πεδίο, το οποίο προσπαθεί να αντιταχθεί σε αυτό που το προκάλεσε (το μαγνητικό πεδίο από τα εξωτερικά πηνία). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο πεδίων κάνει τον ρότορα να περιστρέφεται, περιστρέφοντας αποτελεσματικά γύρω από τον κινητήρα. Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο κάνει τον ρότορα να περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση και (θεωρητικά) με σχεδόν την ίδια ταχύτητα. Και αυτό, αγαπητέ αναγνώστη, είναι το πώς ένας επαγωγικός κινητήρας κάνει τη δουλειά!