Roterende magnetfelter

Hej Spørg om Fysik

Vi er to elever fra handelskolen i Randers, der er i gang med en opgave, som vi har brug for din ekspertise til at klare. 

Det drejer sig om magnetisme. Vores spørgsmål til dig er, om det er muligt i teorien, samt i praksis, at man ved hjælp af magnetisme, kan få en genstand til at dreje rundt, uden anden drivkraft end magnetisme. Det kunne f.eks være en magnetisk skive i en magnetisk cylinder.

Hvis dette ikke er dit fagområde, kender du så en eller flere som vi kan kontakte.

Med venlig hilsen
M V og N A

Ja man kan få genstande til at dreje rundt alene ved hjælp af magnetisme. Det er faktisk tilfældet ved alle elektromotorer.

Man kan groft taget dele elektromotorer i 2 grupper, de der drives af vekselstrøm, og de der drives af jævnstrøm. Den måde de drives på er i princippet den samme, men der er forskel på den tekniske udformning.

Jævnstrømsmotorer
Ved mindre jævnstrømsmotorer anvendes ofte permanente magneter til at give et fast ydre magnetfelt. Ved store jævnstrømsmotorer frembringes det tilsvarende magnetfelt ved at sende en jævnstrøm igennem en spole med jern indeni. Den roterende del har en eller flere viklinger, som strømforsynes af nogle slæbekontakter - ofte kul. Denne strømforsyning er konstrueret så polerne vendes på de roterende elektromagneter ved rotationen, det kaldes en kommutator. 

Billederne af motoren er taget fra T. Bjerge Elektricitet og magnetisme. Man ser jernet i det ydre motorhus. De spoler der laver et permanent felt er de skraverede mærket Sp, der fremkommer en nord og sydpol. Indeni ses et jernanker med en vinding. Den sorte cirkelformige todelte del forinden er kommutatoren dvs. den forbindelse, som får strømretningen til at vende en gang pr. omdrejning, I rigtige motorer er der mange viklinger, og kommutatoren er opdelt i et tilsvarende antal dele. En jævnstrømsdynamo kan udformes præcist, som den viste motor.

Vekselstrømsmotorer
De findes til enfaset eller flerfaset (det er ofte 3 faser) vekselstrøm. Her er det feltet, man lader roterer med vekselstrømmen. I dag er der i de fleste huse indlagt trefaset vekselstrøm, frekvensen i Danmark er 50 Hz (vekselspændingen svinger 50 gange pr. sekund). Ved enfaset vekselstrømsmotorer forskyder man feltet fra flere sæt viklinger, ofte ved at sætte en kondensator ind i kredsen med det ene sæt viklinger, men man kan også vikle vindingerne forskellige veje på polerne.

På figuren ses en enfasemotor med et magnetiseret anker (synkronmotor). Var der i stedet en jernkerne i midten med kortsluttede kobbervindinger ville det være en asynkronmotor.

Ved trefasede motorer kan man ved at lave 3, 6 etc. viklinger, som forsynes fra hver sin fase. Faserne på vores el-net er forskudt 120 ⁰ fra hinanden, svarende til 1/150 sekund, og man kan så ved forbindelse af disse faser i trekant eller stjerne få et roterende felt.

Koblingsmåder
Der er to måder at koble en trefasemotor til el-nettet. Nedenfor vises stjerne og trekantforbindelse fra el-nettet (billedet taget fra internettet). Over hver spole i motoren (de sorte) er der i den første, trekantforbindelsen, 250 V (ikke 230, fordi faserne er forskudt), i den anden, trekantforbindelsen, er der over hver spole 400 V.

I asynkronmotoren kan den roterende del af motoren være en kobbercylinder, men er normalt en jernkerne med indbyggede kortsluttede kobberstænger. Der opstår så hvirvelstrømme i kobberet, som giver et magnetfelt, og den roterende del trækkes så med rundt af det roterende felt.

 

På figuren ses en trefasemotor. Der fremkommer så et roterende felt som roterer 3000 gange pr. minut. I midten sættes så i asynkronmotoren et jernanker, som før med kortsluttede kobberledninger, i synkronmotoren  et magnetiseret anker. En trefaset vekselstrømsdynamo er i princippet udformet præcist som en trefaset synkronmoter.

Hvirvelstrømme
Opstår når en god leder f.eks. en kobberplade bevæges i forhold til et magnetfelt, eller et magnetfelt bevæges i forhold til pladen. Man kalder det induktion, og det er ideen i asynkronmotoren. Det anvendes også i gammeldags elmålere, hvor man ofte kan se den runde aluminiumsskive, som trækkes rundt af et roterende felt. Felter i måleren frembringes ved, at man har i princippet to spoler, en som den i huset anvendte strøm løber igennem og en med mange vindinger, som giver et felt, som er et mål for spændingen. Til justering anvendes også hvirvelstrømme, idet der sidder en lille bremsemagnet (permanent), som kan flyttes så måleren bremses mere eller mindre, så den viser rigtigt. Strøm og spændingsspolerne kan også flyttes lidt til justering.

Rotationshastighed
Feltet roterer 3000 gange i minuttet, for at der skal dannes hvirvelstrømme, skal den roterende del køre lidt langsommere (for at bevæge lederen i forhold til feltet), så den vil normalt løbe ca. 2800 gange rundt i minuttet (eller ved andre viklingsmåder f.eks. det halve). Belastes den, løber den langsommere. Synkronmotorer, som har den permanente magnet, løber 3000 omdrejninger pr. minut. Belastes den, kan feltet "tabe" den, så den er normalt ikke anvendt, hvor der kan være tale om belastning. Den bruges f.eks. i elektriske ure, elselskaberne tæller, hvor mange gange feltet svinger pr. døgn, og retter så det bliver det rigtige antal, dermed går urene rigtigt. Der er lavet forsøg med små stålkugler, som i vakuum hænges i et magnetfelt. De udsættes så for et hurtigt roterende vekselfelt. Man har været oppe på omløbsfrekvenser på mere end 1 000 000 omdrejninger pr. sekund med en sådan vekselstrømsmotor.

Jævnstrømsmotoren kan have rotationstal, som afhænger såvel af konstruktionen som spændingen (højere spænding felre omdrejninger pr. minut). Der er i handlen jævnstrømsmotorer som roterer mere end 150 000 gange pr. minut.

Med venlig hilsen
Malte Olsen