AC and induction motors explained

Summary

В этом видео обсуждается работа асинхронных двигателей переменного тока (AC motors). Автор объясняет, что такое асинхронный двигатель, его особенности и недостатки, такие как требование высокого тока, проблемы с контактами и износом, ограничения по скорости вращения и риск перегорания. Затем вводится идея универсального двигателя, который работает как на переменном, так и на постоянных токах, благодаря замене статора и ротора. Автор также описывает принципы создания вращающегося магнитного поля с помощью двух магнитов с фазовым отступом в 90 градусов и использования 'крысыного клетка' для индукции без фрикционных потерь. В заключение, представлены основы работы индукционного двигателя, который избегает некоторые из недостатков асинхронного двигателя.

Takeaways

• 🧲 AC моторы (альтернирующих токов) используют магнит и переменный магнитный потенциал для вращения.
• 🔌 У AC-моторов есть некоторые недостатки, такие как требование высокого тока, контакты и истечение времени работы.
• 🚫 AC-моторы могут иметь проблемы с износом из-за контактов и истечения времени работы, что приводит к потере энергии и требует замены деталей.
• 🔄 Скорость AC-мотора определяется частотой альтернирующей силовой сети, что ограничивает возможность регулировки скорости.
• 🌀 Для устранения недостатков AC-моторов были разработаны синхронные моторы, которые работают в синхронии с частотой сети.
• 🛠️ Универсальные моторы могут работать как на AC, так и на DC, меняя только расщепительные кольца или разделяющиеся расщепители.
• 🌀 В универсальных моторах используются электромагниты для создания переменного магнитного поля, что дает больше контроля.
• 🔗 В двигателях с обратным воздействием (индукционные моторы) используются статор и ротор, где статор создает вращающийся магнитный потенциал.
• 🦊 В индукционных моторах используется 'крыса-кузня' или 'squirrel cage', который обеспечивает свободное вращение без контактов и истечения времени работы.
• 🛡️ Ламинированный железный ядро усиливает магнитные линии и уменьшает потерю энергии из-за вихревых токов в 'крысе-кузне'.
• 🔧 Индукционные моторы более эффективны и надежны, так как они избегают контактов и требуют меньшего обслуживания.

Q & A

Что такое асинхронный двигатель?

Асинхронный двигатель - это тип двигателя, который работает от переменного тока и имеет постоянное вращение, синхронное с частотой сети.

Какие недостатки имеют асинхронные двигатели?

Асинхронные двигатели имеют ряд недостатков, включая требование высокого тока, проблемы с износом из-за контактов с коммутатором, ограничение по скоростям вращения и риск перегорания из-за высокого тока.

Что такое коммутатор и как он работает?

Коммутатор - это устройство в асинхронном двигателе, которое обеспечивает постоянную связь с переменным источником питания, обеспечивая таким образом движение колец двигателя.

Какие преимущества предоставляет индукционный двигатель по сравнению с асинхронным?

Индукционный двигатель устраняет некоторые недостатки асинхронного, такие как износ контактов и проблемы с перегревом, благодаря отсутствию коммутаторов и использованию индукционного эффекта для движения.

Что такое универсальный двигатель?

Универсальный двигатель - это тип двигателя, который может работать как с переменным, так и с постоянным током, благодаря использованию слипов или расщепленных коммутаторов.

Как создается вращающийся магнитный потенциал в индукционном двигателе?

Вращающийся магнитный потенциал создается с помощью статора, состоящего из электромагнетов, расположенных под углом 90 градусов друг к другу, и генерирующих магнитные поля, которые обходятся вокруг оси.

Что такое "крыса-кун" и как она используется в индукционных двигателях?

Крыса-кун - это конструкция из металлических прутов, используемых в роторах индукционных двигателей для создания индукционного эффекта и обеспечения более свободного вращения без фрикционных потерь.

Какой материал обычно используется для создания крысы-кун?

Крыса-кун обычно делается из алюминия или других проводников, способных генерировать индукционные токи при изменении магнитного поля.

Как ламинирование статора влияет на работу индукционного двигателя?

Ламинирование статора уменьшает внутренние индукционные токи в ядре, что снижает потерю энергии и повышает эффективность двигателя.

Какой тип двигателя подходит для приложений с необходимым управлением скоростью?

Для приложений, где необходимо управление скоростью, лучше подходит индукционный двигатель, так как он позволяет изменять скорость вращения, изменяя частоту тока.

Как универсальный двигатель отличается от обычного асинхронного?

Универсальный двигатель отличается от обычного асинхронного тем, что он может работать с переменным и постоянным током, благодаря использованию слипа или расщепленного коммутатора.

Outlines

00:00

🔌 Основы АК-моторов и их ограничения

В первом параграфе видеоскрипта рассматривается основная концепция АК-моторов (альтernaтивных токовых моторов). Обсуждается устройство такого мотора, включающее магнит, проходящий через обмотку, и сцепление-коммутатор, которое обеспечивает постоянную связь с переменным истоком питания. Рассматриваются недостатки АК-моторов, такие как требование высокого тока, проблемы с искрозой и тремящимисяся контактами, ограничения в скоростном регулировании и риск перегорания из-за высокого тока. Также упоминается тип АК-мотора - синхронный мотор, который работает в синхронии с частотой переменного тока.

05:03

🌀 Улучшение АК-моторов с помощью индукции

Второй параграф посвящён усовершенствованию АК-моторов, удалением его недостатков. Вводится идея замены магнитов на электромагниты для получения большего контроля над силой магнитного поля. Обсуждается создание универсального мотора, который может работать как на АК, так и на ДК, заменой сцепления-коммутаторов на разделяющиеся коммутаторы. Также рассматривается принцип создания вращающегося магнитного поля с использованием четырёх магнетов, установленных под углом 90 градусов друг к другу, и применения конденсатора для создания токов, которые находятся в фазовом отклонении друг от друга. Это позволяет создать вращающийся магнитный полюс, который заставляет постоянный магнит вращаться без фрикционных потерь.

10:07

🛠 Индукторный эффект и "крысачья ловушка" в АК-моторах

В заключительном параграфе видеоскрипта описывается индукторный эффект, который используется для создания мотора без фрикционных потерь. Вводится термин "крысачья ловушка" (squirrel cage), который представляет собой обмотку, состоящую из алюминиевых прутов с ламелированным железным сердцем, что усиливает магнитные линии и повышает эффект индукции. Обсуждается, как вращающийся магнитный полюс вызывает движение обмотки без фрикционных потерь, благодаря генерации замедленных токов, которые создают магнитные поля, противодействующие магнитному полю, вызывающем индукцию. Также упоминается важность ламинирования для снижения замедленных токов внутри сердцевины. Таким образом, индукторный мотор предоставляет более эффективное и надежное решение для применения в различных условиях.

Keywords

💡Электрический двигатель с переменным током (AC motor)

Электрический двигатель с переменным током - это тип двигателя, который использует переменный ток для своей работы. В контексте видео, AC-двигатель работает на основе взаимодействия между магнитами и проводами, которые подключены к переменному источнику питания. Примером использования в видео является обсуждение о том, что скорость такого двигателя определяется частотой переменного тока, что делает его неидеальным для приложений, требующих переменной скорости.

💡Переменное подключение (slip ring)

Переменное подключение, или slip ring, является механизмом, который обеспечивает постоянное электрическое соединение между двигателем и переменным источником питания. В видео упоминается, что slip ring позволяет двигательному кольцу вращаться благодаря переменному току, что является ключевым для работы AC-двигателя.

💡Коммутатор (commutator)

Коммутатор - это устройство, используемое в некоторых типах двигателей для изменения направления тока, что позволяет двигательному кольцу вращаться. В видео коммутатор упоминают в контексте AC-двигателя, который имеет ограничения в скорости из-за фиксированной частоты вращения, определяемой переменным током.

💡Синхронный двигатель (synchronous motor)

Синхронный двигатель - это тип AC-двигателя, который вращается в синхронизации с частотой переменного тока. В видео объясняется, что скорость синхронного двигателя напрямую зависит от частоты тока, что делает его непригодным для задач, требующих регулировки скорости.

💡Ток высокого напряжения (high current)

Ток высокого напряжения означает, что двигатель потребляет большой объем тока для своей работы. В видео упоминается, что AC-двигатель требует высокого тока, что делает его не подходящим для небольших приложений, таких как вентилятор в компьютере.

💡Износ и трещины (sparking and brushes)

Износ и трещины, вызываемые контактными щелчками (brushes) и коммутатором, связаны с энергопотерями и механическими потерями. В видео упоминается, что контакт между щелчками и коммутатором приводит к искрению и нагреву, что влияет на износ и необходимость замены этих элементов.

💡Электромагнит (electromagnet)

Электромагнит - это устройство, которое создает магнитное поле благодаря прохождению тока через него. В видео объясняется, что вместо постоянных магнетов в некоторых двигателях используются электромагниты, что дает возможность управлять силой магнитного поля в зависимости от входного напряжения.

💡Универсальный двигатель (universal motor)

Универсальный двигатель - это тип двигателя, который может работать как с переменным, так и с постоянным током, в зависимости от типа коммутатора. В видео упоминается, что если заменить slip ring на split ring commutator, то AC-двигатель превратится в DC-двигатель, что делает его универсальным.

💡Вращающий магнитный пок (rotating magnetic field)

Вращающий магнитный пок - это эффект, когда магнитное поле вращается вокруг некоторой оси. В видео это используется для создания двигателя, где фиксированные электромагниты сгенерируют вращающийся магнитный пок, который заставит постоянный магнит вращаться без фрикционных потерь.

💡Индукционный двигатель (induction motor)

Индукционный двигатель - это тип двигателя, который использует эффект индукции для создания вращения. В видео объясняется, что в индукционном двигателе используется 'крыса-каbina' (squirrel cage), которая вращается благодаря индукционному магнитному полю, создаваемому статором (фиксированными электромагнитами).

💡Эдди-тяга (eddy current)

Эдди-тяга - это небольшой внутренний ток, который возникает в проводниках под воздействием переменного магнитного поля. В видео упоминается, что эдди-тяги создаются в 'крыса-кабине' индукционного двигателя, что позволяет ей вращаться без фрикционных потерь.

Highlights

Introduction to AC motors and their basic functioning with a magnet and slip ring commutator.

Explanation of how the motor effect causes the ring to turn based on the current direction and magnet polarity.

Disadvantages of AC motors, including the requirement for high current, which makes them unsuitable for small current applications.

Issue of sparking and energy loss due to friction caused by brushes contacting the commutator.

Limitation of AC motors to constant speeds determined by the frequency of the alternating current supply.

Risk of burning out in AC motors due to high currents and insufficient back EMF.

Terminology clarification: AC motors with brushes are called synchronous motors because they run in sync with the supply frequency.

Advantages of removing brushes to eliminate friction and associated problems in AC motors.

Introduction of induction as a method to rotate the motor without brushes.

Definitions of AC motor components: stator (stationary electromagnets) and rotor (spinning coil or squirrel cage).

Description of a universal motor, which can operate on both AC and DC by changing the slip ring mechanism.

Explanation of how electromagnets replace permanent magnets for variable magnetic fields in AC motors.

Creation of a rotating magnetic field using electromagnets phased 90 degrees apart and a capacitor.

Use of a squirrel cage made of aluminum and iron to induce currents and generate torque without brushes.

Importance of laminated cores in squirrel cages to reduce eddy currents and increase efficiency.

Overview of the induction motor setup with multiple slightly out-of-phase electromagnets and a squirrel cage rotor.

Conclusion summarizing the induction motor's advantages over traditional AC motors.

Transcripts

and welcome to high school physically

explained and today I want to talk about

AC motors or alternating current motors

so first of all let's remind ourselves

basically what an AC motor is all about

so here we have a magnet over here and

we have in this case a slip ring

commutator and a slipping commutator

ensures that we have a constant

connection to a power supply in this

case an alternating power supply and

that causes this particular ring to turn

and of course it turns because of the

motor effect that the current as it goes

that say across this direction he will

cause it to turn depending on the

polarity of the magnets over here but

this particular type of motor has a

couple of limitations or some

disadvantages to them so let's have a

look at that so what are some of those

disadvantages to an alternating motor in

practical sense so let's have a look at

them the first thing is it requires a

high current so in essence what that

means is is that this particular design

of a motor isn't very useful we're very

small currents are needed for example a

little fan in a computer does not

require huge amounts of current so as a

result this particular type of designer

motor is not very useful for that sort

of situation the second aspect is the

fact that you have contact with the

commutator over here these brushes are

making contact and as a result you're

going to get sparking and you're going

to get heating which means friction

which means energy loss and not only

energy loss but of course those are

gonna wear out so an alternating current

motor here like this will have its

disadvantages in that the fact that this

is going to be problematic the most

important disadvantage is the fact that

it can only turn at constant speeds that

is the speed is determined by the

alternating current so let's say for

example we apply a standard voltage that

is an in your house and the frequency

that is 50 Hertz so if I were to connect

this to a 50 Hertz supply this motor

will spin at 50 Hertz if I want to

increase the speed here I would need to

increase the frequency of my alternating

supply so it's not so simple to have a

variable speed motor you need to change

the frequencies of the supplies so

that's a big disadvantage the last thing

is is of course it can burn out so it

requires high current so you already

have a high current in it has some back

EMF but the back EMF isn't very high

because of the fact that it's

alternating and as a result you're going

to have an issue of burning out because

the currents are quite high so there's a

number of disadvantages so as a result

we call this type of AC motor a

synchronous motor synchronous really

means in sync and so it's in sync with

the supply tower can we remove some of

those disadvantages well the first

disadvantage is the brushes if we can

remove the brushes we remove the

friction and so as a result we can get a

significant part of our problems out of

the way and so what we're going to do is

we're going to use induction to make a

turn how do we do that well that's what

the rest of this video is all about so

let's first of all go on with some

definitions and so he is our AC motor

and so you can see what we have here is

our slippering commutator and we have a

supply and so forth so it's very

democratic you've got nice curved

magnets here and that one's sure we get

maximum torque and so forth but clearly

there are two major parts there's the

part that spins in this case we have a

coil that spins we refer to that as the

rotor nothing new there of course the

magnets are fixed and so they are

stationary and therefore we call them

this data if you apply a voltage like

this over time it's going to go to spin

now this here is another motor it's been

pulled apart but in this case what we're

going to do is we're going to replace

the permanent magnets with

electromagnets now electromagnets means

that we can have again still a strong

magnetic field but it's variable

dependent

the input voltage supply so we're going

to have our electromagnets being our

magnetic supply at the outside and we

have the inside here that rotates so now

we have two types of course really we

have clearly the one that rotates and

that's the one we call the rotor and of

course there's a coil inside there which

we've already got in the previous

example but now we also have coils that

provide the magnetic field and they're

the ones were called stationary which we

call the stator so now let's look at a

simplistic diagram of that so here's my

permanent magnet and my permanent magnet

over here and here's my coil now this is

not a magnets place in the coil this is

a magnet that is created as a result of

a coil and clearly that will cause this

to turn within this particular magnetic

field so there's nothing stopping me

from replacing these permanent magnets

with electromagnets and of course that

will give us a little bit more control

in terms of the strength of the magnetic

field now of course that provides us the

set up for what we call a universal

motor now I've referred to this as AC

motor but of course the Nicene motor

simply has slip rings and if I replace

their slip rings with split ring

commetators I'm going to get a DC motor

so that's why we call it Universal but

again a reminder be outside the called

status and the inside is called the

rotor so they are it's Universal because

they both work on AC and DC as long as

you change the slip ring or the split

ring for that situation so now our

hearts have a look at a setup that

actually is where we have four magnets

to at 90 degrees to the other and let's

see what that does so let me explain

this situation okay so what we have here

are two magnets over here and nothing is

different to what we already have and

then we also have these two magnets over

here that do the same thing and both of

them have card inputs and as a result

they will produce a magnetic field but

of course you now have two magnetic

fields around 90 degrees to each other

but this here is a capacitor and what it

causes is that this particular magnetic

field has a supply current that is 90

degrees out of phase member with

applying an alternating current so he is

the Y component and here is the X

component and as you can see there 90

degrees out of phase but let me pause it

for a one second like so as you can see

at this particular position we have

maximum card over here in this direction

but very little in the horizontal

direction and so this red line over here

represents the sum total of the two

currents and hence also the strength of

the magnetic field so the magnetic field

is due to the fact of the sum total of

the magnetic field in this position and

the magnetic field in this position now

if I play it again and then stop it

let's say at that position you can

clearly see that in this case we have a

strong magnetic field going horizontally

this way but in this way we have

actually no current at the position over

here and so the magnetic field is

horizontal now if we go onto let's say a

symbol at this point you can clearly see

here we have both producing a magnetic

field and they add up to produce this

vector and as you can see as I play the

rest of the video

what you end up getting is a rotating

magnetic field so here's the funny thing

you are getting a stator situation but

because of the 90 degree phase you are

developing a rotating magnetic field now

hopefully you can understand that that

can be very very useful so here we have

a permanent magnet that is now placed

inside the rotating magnetic field which

is produced by these fixed magnets on

the outside so the stator that is those

electromagnets that are not moving are

actually generating a rotating magnetic

field and that is causing my permanent

magnet inside to rotate

so notice here we have no wires

connected to my magnet in the center so

this magnet is free to move without any

frictional forces applied to due to some

sort of brushes and so forth and that in

essence is really important in terms of

this type of motor but what else

produces a magnetic field

well obviously any loop of wire that is

experiencing a changing flux will

actually produce a magnetic field so

let's replace that so now what we have

here is we have our initial diagram that

you just saw a moment ago on the left

hand side and what we've done on the

outside we have is a cage looking device

and it is called a squirrel cage and

each part of that particular cage is

experiencing a change in flux which

means it'll generate a small eddy

current and that is shown in the blue

dotted lines now of course they will

always produce a magnetic field that it

poses the one that generates it so they

will be forced by away by the closest

magnet that is around them but because

of the rotating magnetic field it will

cause this to continually turn and so as

a result what we have here is an

induction effect or an induce inducing

effect producing a magnetic field that

therefore is being repelled by the very

magnetic field that is causing that

induction as a result we have this

squirrel cage turning without any

frictional problems like we have in a

normal AC motor so this is our squirrel

cage and so we have a screw okay - they

are made of aluminium and the outside is

also aluminium and that part of course

is free to rotate now the thing is is

that we will produce a little eddy

current in one of these loops now in to

increase the effect of that we in in

turn

insert a laminated iron core that

strengthens the magnetic field lines

through each of these bars and that

therefore means they will experience an

increased airy card and as a result it

will be free to turn more freely and as

a result it will experience greater

forces now the important of course is is

that this is laminated and that reduces

the eddy currents within the core itself

as well so that is an essence of what a

squirrel cage looks like in reality it's

a little bit more complex so however

here we have our electromagnets and

usually can see in our previous example

we had only four magnets to opposing

each other usually what happens is you

have a whole series of magnets over here

that are all slightly out of phase with

each other so it's not 90 degrees out of

phase there are progressively out of

phase and over here you can see you have

your rotor and these are the situation's

there's a squirrel cage over here where

the eddy currents are produced and this

is basically to increase its efficiency

so that in essence is an induction motor

hope that helps you understand the

induction motor thanks for watching bye

for now I hope

found their video useful and remember

like share and subscribe oh and if you

have a comment or a question or your

like a concept for me to explain to you

please drop a comment down below I'm

Paul from high school physics explained

bye for now