Induktionsmotor

Inledning

Michael Faraday bevisade år 1821 hur rörelseenergi kan omvandlas från elektrisk energi tack vare elektromagnetism. Detta kunde beskriva den första elmotorn genom tiderna som H.C. Orstedt konstruerade med hjälp av två rotationsapparater där en ledning med ström genom snurrade runt en magnet.

Med den här grundläggande fysiken har vi själva konstruerat en simpel elmotor som driver en fläkt på ena änden av koppartråden. Förutsättningarna vi hade innan projektet påbörjades var gymnasiefysikens kunskap samt utdelat material vilket var en koppartrådsrulle, två permanentmagneter och ett 9V batteri.

Rapportens syfte är att förklara hur vi konstruerade den elektromotoriska fläkten, vad resultatet blev och redogöra kring alternativa förbättringar och felkällor. Rapporten består av en teoridel som beskriver fysiken bakom den elektriska motorn, en metod- och utförande-del som visar hur konstruktionens uppbyggnad gick till i praktiken, resultatet av konstruktionen och avslutningsvis diskussion och utvärdering.

Teori

En enkel 2-polig likströmsmotor likt den vi konstruerade består av en rotor och en stator. Rotorn är en radiellt monterad elektromagnet, det vill säga den är vinkelrät mot axeln, och statorn är en omgivande permanentmagnet. Rotorn får sin strömförsörjning av två borstar som skrapar mot en kommutator, två kontakter på rotorn som är kopplade till var sin ände på rotorns lindningar. När ström leds genom elektromagneten bildas ett magnetfält. Den repellerande/attraherande kraft mellan rotorns och statorns poler som uppstår får då rotorn att rotera. När rotorn vridit sig så att dess poler står rakt mot statorns byts strömriktningen i rotorn genom att borstarna får kontakt med motsatta kontaktytor, och cykeln börjar på nytt.

Vår motor fungerar ungefär på samma sätt, med skillnaden att i stället för att byta strömriktning i rotorn så byts strömmen under hälften av varvet. Detta leder till att motorn endast drivs under hälften av varvet och sedan fortsätter genom rotorns tröghet.

Metod och utförande

Material

Batterier, 9 V, GP1604A, material: Alkali/mangan, 1 stycken (se länkat datablad , databladet gäller ett annat fabrikat för liknande batterier).

Mätsladdar, 3 stycken (Tekniska data: Märkspänning 30 VAC, 60 VDC; Kabeldiameter 2 mm; Ledararea 0.25 mm², Totallängd 0.38 m, Anslutning A och anslutning B - Krokodilklämma).

Lackisolerad Koppartråd, Ø 0.35 mm, ca 120 m (se länkat datablad).

Permanentmagnet, ferrit, cylindrisk, 2 stycken (Tekniska data: material: ferrit Y28, ferrit karaktäriseras bland annat av att materialet klarar hög arbetstemperatur, har högt motstånd mot avmagnetisering och att det ej oxiderar; Max temp: <250°C (se länkat datablad).

Aluminiumplatta (5x10 cm)

Frigolit

Wellpapp

Verktyg

Borr, sax, plåtsax

Utförande

En spole bildades av koppartråden genom att den lindades kring tummen cirka 10 varv så att ändarna av tråden sitter i en tänkt vinkelrät linje genom spolen. Vid ändarna av tråden skrapades halva sidan av lackisoleringen av med sax.

Aluminiumplattan delades i mitten med hjälp av plåtsax, på så sätt att det blev två kvadratiska aluminiumplattor av storlek 5x5 cm. Ett hål borrades, centrerat av bredden och en cm från toppen lodrätt, i båda aluminiumplattorna. Borren som användes hade diametern 5 mm. Aluminiumplattorna fästes med samma vinkel, med 5 centimeters avstånd, på en botten av frigolit genom att trycka ned dem. Det borrade hålet i aluminiumplattorna var vid toppen lodrätt tänkt. Frigolitbotten var av dimensionen 20x10x2 cm. Höjden i lodrätt plan var två cm, och basen (plattan av 20x10 cm) placerades vinkelrätt mot lodräta planet på ett godtyckligt sätt. Kopparspolens ändar placerades genom hålen i aluminiumplattorna.

Två magneter placerades på frigolitbotten under mitten av kopparspolen. En mätsladd sattes fast med krokodilklämmor på batteriets pluspol och en av de två aluminiumplattorna. En andra mätsladd fästes på samma sätt fast på batteriets minuspol och den andra aluminiumplattan. Av wellpapp klipptes ett treuddat rotorblad som trycktes fast i en av koppartrådens ändar.

Resultat

Slutprodukten som framställdes var en spole med ändarna som vilade i två hål mellan två stycken aluminiumplattor. Halva sidan av spolens lackisolering var bortskrapat vid ändarna. Aluminiumplattorna satt fast i en frigolitbas. Ström tillfördes till aluminiumplattorna via mätsladdar som kopplade plattorna till batteriet. Direkt under spolen satt två magneter. På ena änden av spolen är ett treuddat rotorblad fäst.

Figur 1: Illustration av slutprodukten  

Diskussion

Designval

Kopparspolens isolering skrapades bort på halva sidan på grund av att ström skulle ledas och bilda en elektromagnet halva varvet. Då ställdes spolens magnetfält in sig efter permanentmagnetens och precis efteråt ska strömmen brytas. Under andra halvan av varvet ska spolen snurra av momentankraften som byggdes upp under den tiden då ström gick genom spolen.

För att hålla projektet så simpelt som möjlig placerades båda magneterna på samma sida istället för att ha en på varsin sida om spolen som troligen lett till ökat effektivitet.

Problem

Under produktionen av elmotorn hade vi en del motgångar. Det första problemet som noterades var att batteriet kortslöts eftersom resistansen i koppartråden var för låg och antalet varv på spolen som användes i början var för få. Det tillförde att verkningsgraden på själva rotationen var väldigt låg.

Ett till problem som uppstod var när vi istället använde en spole med för många varv vilket medförde att vår axel (koppartråden) inte orkade bära upp spolen mellan aluminiumplattorna.  böjdes vilket ledde till att den inte kunde rotera alls.

Friktionen mellan koppartråden och aluminiumplattorna var en faktor på ineffektivitet. Friktionskraften var relativt stor och bromsade upp spolens rotation.

Ett annat problem vi stötte på var att den nerslipade kontaktytan på koppartråden, där strömmen passerade till och från aluminiumplattorna, var för stor. Detta medförde att spolens rörelse bytte riktning emellanåt. Eftersom spolen leder ström mellan de halva varven så får det motsatt effekt och bromsas upp av induktionen istället för att accelerera.

Det mest essentiella problemet var att fläkten fick väldigt låg verkningsgrad. Detta beror på flera faktorer. Den största faktorn var att rotorbladen inte var optimerade och därför inte fläktade på något väsentligt sätt. Rotorbladen kunde inte heller vara speciellt stora då tyngden på rotorbladen skulle få koppartråden att antingen böja sig eller att tappa kontakt med metallplattorna och därmed inte få någon rotation.

Utvärdering

För att utvärdera den design som framställdes finns det mycket att förbättra. En av förbättringarna, som skulle kunna tillämpas till nästa framställning av produkten, är att använda tjockare koppartråd. Det skulle medföra att den skulle kunna hålla upp spolens egna vikt. Det svåraste med designen var att det var väldigt finkänsligt och det var svårt att konfigurera med egna händer. Det hade varit betydligt lättare med en större skala på designen. Det hade till exempel underlättat att skrapa av beläggningen av koppartråden på en mer exakt yta.

Om designen hade varit en större skala hade det även löst problemet med rotorbladen eftersom koppartråden hade kunnat bära en större skala av rotorblad. En större skala på rotorbladen medför bättre effekt och mer lätthanterlig att optimera.

En ytterligare förbättring vore att skapa fler varv på spolen för att få en större verkningsgrad. Även denna lösning behöver dock också en större skala på designen och tjockare koppartråd eftersom det behövs för klara av vikten av en större spole.

Referenslista

Vem uppfann elmotorn, Världens Historia, http://varldenshistoria.se/vetenskap/maskiner/vem-uppfann-elmotorn

How electric motors work, https://web.archive.org/web/20131002195720/http://www.stefanv.com/rcstuff/qf200212.html

Hawkins Electrical Guide. Theo. Audel & Co. 1917. p.359.

Publiceringsdatum: 2014-11-13