Motor Listrik DC untuk Mobil Listrik

Kelistrikan dan Kemagnetan

Magnet dan listrik adalah sisi berlawanan dari koin yang sama. Insinyur desain listrik dan elektronik secara teratur menggunakan empat hukum elektromagnetik Maxwell berdasarkan penemuan Faraday dan Ampere sebelumnya dalam pekerjaan sehari-hari mereka. Mereka mungkin mengatakan kepada Anda, “magnet dan listrik terjalin erat di alam”. Bahkan, Anda tidak memiliki salah satu tanpa yang lain. Tetapi biasanya Anda hanya melihat satu atau yang lain kecuali Anda mendiskusikan motor listrik atau perangkat lain yang melibatkan keduanya.

Ada aliran air dari kendi yang lebih baik, yang dalam hal ini analog dengan arus listrik yang lebih besar.

Anda menghubungkan bohlam ke baterai dengan menyelesaikan koneksi kawat dari terminal positif dan negatif baterai ke bohlam lampu, dan lampu bohlam menyala. Kaitkan dua baterai dalam satu rangkaian untuk menggandakan tegangan, dan bohlam bersinar lebih terang. Gaya atau potensial air — ketinggian air di kendi — sesuai dengan gaya atau potensial atau tegangan baterai; ukuran lubang di bagian bawah kendi sesuai dengan ketahanan terhadap aliran atau ketahanan bola lampu dalam hal ini; dan aliran air dari tabung sesuai dengan aliran listrik atau arus. Untuk mengikat benda-benda ke dalam dunia listrik, ada persamaan matematis yang menghubungkan parameter-parameter gaya, aliran, dan resistansi ini. Persamaan listrik, umumnya dikenal sebagai Hukum Ohm, adalah

$V=IR$

dengan $V$ adalah tegangan dalam volt, $I$

arus dalam amp, dan $R$

adalah hambatan dalam ohm. Ketika Anda menggandakan tegangan, Anda mengirim arus dua kali lebih banyak melalui kawat dan bola lampu menjadi lebih terang. Atau, jika Anda mengurangi hambatan (seperti yang dilakukan dengan memperbesar lubang) dengan tingkat air yang sama — Anda menggandakan aliran (meningkatkan arus).

Magnet batang sederhana, yang mungkin Anda temui di kelas sains (fisika) sekolah Anda, memiliki dua ujung atau kutub — utara dan selatan. Entah ujung menarik objek magnetizable untuk itu, biasanya benda yang mengandung besi dalam beberapa bentuk, seperti serbuk besi, klip kertas, dll. Ketika dua batang magnet digunakan bersama-sama, kutub berlawanan (utara-selatan) menarik satu sama lain dan kutub identik (utara- utara atau selatan-selatan) saling tolak menolak.

Jarum kompas adalah benda bermagnetisasi dengan kutub utara dan selatannya sendiri. Ringan dan halus seimbang, ia menyejajarkan dirinya dengan medan magnet bumi, dan memberi tahu Anda arah mana yang utara. Namun, bawalah magnet batang di dekatnya dan jarum kompas akan berputar menjauh dari kutub utara magnet bumi.

Anda dapat membuat medan magnet dengan menggunakan listrik. Ambil paku besi dari kotak peralatan Anda, selubungi dengan beberapa lilitan kawat tembaga berinsulasi di sekitarnya, dan kaitkan ujungnya ke baterai. Paku polos diubah menjadi magnet bergaya batang yang dapat berperilaku seperti kompas.

Salah satu hukum yang paling terkenal saat membahas kemagnetan adalah hukum Rowland, yakni persamaan gaya gerak magnet.

Jika Anda menulis persamaan magnetik, itu akan terlihat seperti ini:

$mmf=\phi R = fluks \times reluktansi.$

Dalam persamaan ini, umumnya dikenal sebagai Hukum Rowland, $mmf$

adalah gaya magnetomotive atau gerak gaya magnet, $f$

adalah fluks (aliran magnet), dan $R$

adalah keengganan atau reluktansi, berlawanan dengan aliran. Karena desainer transformator listrik dan motor bekerja dalam hal kekuatan medan magnet $H$

, rapatan (densitas) fluks $B$

, dan permeabilitas ( $u$

) dari media transmisi yang diberikan, dan karena

$mmf = H \times l; f = B \times A; R = 1/(u \times A)$

(di mana $l$ adalah panjang dan $A$ adalah area), Hukum Rowland biasanya muncul dalam bentuk yang lebih umum (untuk rentang linear) sebagai

$B = Hu$

Dalam persamaan ini, $B$ adalah kerapatan fluks atau bentuk induksi dalam garis per inci persegi, $H$ adalah kekuatan medan magnet atau aliran magnet pada material dalam ampere-putaran per inci, dan $u$ adalah permeabilitas atau ketahanan material untuk memagnetisasi. memaksa di henrys per inci.

Konsep dasar motor DC. Sumber: Leitman, dkk. 2009.

Konduktor dan Medan Magnet

Jika Anda memiliki magnet berbentuk tapal kuda dengan ujung-ujungnya saling berdekatan dan Anda memindahkan kawat melalui kutubnya pada sudut kanan ke fluks seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, persamaan yang menggambarkan keadaan tersebut adalah

$V = Blv \times 10^{-8}$

Dalam persamaan ini, bentuk yang disederhanakan dari Hukum Faraday, $V$ adalah tegangan induksi dalam volt, $B$ adalah kerapatan fluks dalam garis per inci persegi, $l$ adalah panjang bagian konduktor yang benar-benar memotong fluks, dan $v$ adalah kecepatan dalam inci per detik. Misalnya, jika Anda memindahkan kawat 1 inci atau konduktor dengan sudut yang tepat ke bidang 50.000 baris per inci persegi pada 50 kaki per detik,

$V = 50000 \times 1 \times 50 \times 12 \times 10^{-8} = 0.3 volts$

Hubungan ini berlaku benar apakah medan diam dan kawat bergerak atau sebaliknya. Semakin cepat Anda memotong garis fluks, semakin besar tegangan, tetapi Anda harus melakukannya pada sudut yang benar. (Pada setiap sudut \phi selain sudut 90 derajat yang benar, persamaan itu menjadi $V =Blv \times \sin \phi \times 10^{-8}$ .) Apa yang baru saja Anda tunjukkan adalah Hukum Faraday atau aturan generator: Gerak konduktor pada sudut siku-siku melalui medan magnet menginduksi tegangan di konduktor. Jika sirkuit tertutup, tegangan yang diinduksi akan menyebabkan arus mengalir. Cara praktis untuk mengingat hubungan adalah aturan tangan kanan: ibu jari tangan kanan Anda menunjuk ke atas ke arah gerakan konduktor, jari telunjuk Anda memanjang ke arah kanan ke arah fluks (dari utara ke kutub selatan), dan jari ketiga Anda memanjang ke arah sudut kanan ke dua lainnya, menunjukkan polaritas tegangan induksi atau arah di mana arus akan mengalir seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.

Cara praktis untuk mengingat hubungan adalah aturan tangan kanan

Flip-side atau kebalikan pada aturan generator adalah aturan motor yang persamaannya

$V = 0.885 \times Bl \times I \times 10^{-8}$

di mana $F$ adalah gaya yang dihasilkan pada konduktor dalam pound, $B$ adalah kerapatan fluks dalam garis per inci persegi, $l$ adalah panjang bagian dari konduktor yang benar-benar memotong fluks, dan $I$ adalah arus dalam ampere. Misalnya, jika Anda memiliki kawat 1 inci pada sudut kanan ke bidang 50.000 baris per inci persegi dengan arus 100 ampere yang mengalir melaluinya:

$V = 0.885 \times 50000 \times 1 \times 100 \times 10^{-7} = 0.44 pounds$

Apa yang baru saja kami tunjukkan di sini adalah Hukum Ampere atau aturan motor: Arus yang mengalir melalui konduktor pada sudut yang tepat ke medan magnet menghasilkan gaya pada konduktor. Aturan tangan kanan lagi-lagi merupakan cara yang mudah untuk mengingat hubungan, tetapi kali ini jempol tangan kanan Anda menunjuk ke arah Anda saat ini melalui konduktor, jari telunjuk Anda yang diperluas pada sudut kanan mengarah ke arahnya dari fluks (dari kutub utara ke selatan), dan jari ketiga Anda yang diperpanjang menunjuk ke bawah dalam arah pada sudut kanan ke dua lainnya, menunjukkan arah gaya yang dihasilkan seperti yang ditunjukkan pada di atas. Sekarang Anda siap untuk berbicara serius tentang motor.