Сборка большого постоянного конденсаторного разделно-фазного асинхронного двигателя

В этом подробном руководстве вы научитесь строить крупногабаритный постоянный конденсаторный разделно-фазный асинхронный двигатель, который может служить наглядным демонстрационным экспонатом. Конструкция проста, но демонстрирует основные принципы асинхронных двигателей переменного тока, что делает её идеальной для педагогов, любителей и студентов-инженеров.

Материалы и компоненты

• Источник переменного тока: 120 VAC
• Конденсатор 3,3 мкФ, 120 VAC (или 350 VDC) неполярный
• Магнитный провод #33 AWG — 2 фунта (≈ 3 м)
• Деревянная доска, 6–12 дюймов в квадрате (или оргстекло для безопасности)
• Сетевой шнур с вилкой
• Пластиковая газированная бутылка 3 литра диаметром 5,1 дюйма (разрезанная для формы)
• Брошенная шариковая ручка (опора)
• Различные маленькие деревянные бруски (для монтажа)

Цели обучения

• Собрать большой экспозиционный постоянный конденсаторный разделно-фазный асинхронный двигатель
• Проиллюстрировать неотъемлемую простоту и элегантность конструкции асинхронного двигателя переменного тока

Справочные материалы

См. Lessons in Electric Circuits, Volume 2, Chapter 13: «AC Motors», «Single‑Phase Induction Motors», и «Permanent Split‑Capacitor Motor».

Схема и иллюстрация

Этапы строительства

1. Подготовка формы

Отметьте на бутылке цилиндр шириной 1,25 дюйма, оставив 0,25 дюйма полей на каждом конце. Подрежьте внешние края бутылки, чтобы создать зону намотки. Сделайте разрезы через 1 дюйм на каждом конце, чтобы поля могли согнуться на 90° и удерживать провод.

2. Намотка вторичной (L2) катушки

Нанмотайте ~3800 витков провода #33 AWG на зону шириной 1,25 дюйма. Если подсчет витков непрактичен, намотайте провод толщиной 1/8 дюйма через ширину в один дюйм и позже проверьте сопротивление. Снимите эмаль с 1-дюймового сегмента свободного конца и с вывода к катушке. Не отрезайте вывод катушки; измерьте его сопротивление и рассчитайте дополнительные витки, нужные для достижения ~894 Ом. Изолируйте оголенный участок эмалью, ногтевым лаком, изолентой или термоусадкой, затем продолжайте намотку и повторно проверьте сопротивление. Как только достигнуто ~894 Ом, оставьте несколько дюймов провода для вывода, отрежьте от катушки и закрепите намотку шпагатом или подобным материалом.

3. Намотка первичной (L1) катушки

Нанмотайте ~3200 витков на форму шириной 1,0 дюйма (см. иллюстрацию (b)). Снимите 1 дюйм эмали с каждого вывода, припаяйте к толстоизолированному монтажному проводу, припаяйте и изолируйте. Закрепите соединение на теле катушки. Повторите для второй катушки при желании.

4. Сборка двигателя

Установите две катушки под прямым углом на деревянной базе или подвижных поддонах. Соедините L2 по обе стороны линии 120 VAC. Подключите конденсатор последовательно с более широкой катушкой L1 для введения опережающего фазового сдвига. Убедитесь, что выключателя питания или предохранителя нет; они будут добавлены в разделе безопасности.

5. Конструкция ротора

Выберите ферромагнитную банку (например, стальная консервная банка, банка от фруктового пирога) или меньшую крышку банки. Сделайте углубление в центре ротора с помощью гвоздя 1/8 дюйма и деревянного блока, или используйте наконечник шариковой ручки как опору. Установите опору на подвижном деревянном постаменте. Для более крупных роторов более длинная банка дает лучший баланс.

6. Финальная проводка и тестирование

Дважды проверьте все соединения, обеспечивая изоляцию оголенных проводов. Подайте питание на схему без ротора; чрезмерный нагрев L2 указывает на необходимость большего числа витков, а перегрев L1 — на уменьшение емкости конденсатора. Когда ротор помещен между катушками, он должен вращаться; приближение к катушкам увеличивает скорость. Экспериментируйте с разными размерами и позициями ротора.

Улучшения безопасности для экспонатов

• Закройте открытые клеммы (например, конденсатора) защитными экранами.
• Добавьте сетевой выключатель и предохранитель для защиты от перегрузки.
• Нанесите второй слой изоляции (например, термоусадку, корпус из оргстекла), так как эмаль дает только однослойную защиту.
• Замените деревянные детали на огнестойкое оргстекло для использования без присмотра.

Вариации и продвинутые функции

• Используйте провод #32 AWG для легкого обращения; ожидайте более высокий ток из-за меньшего сопротивления.
• Замените конденсатор 3,3 мкФ на похожий по номиналу, если недоступен; избегайте пусковых конденсаторов двигателей.
• Вращайте несколько роторов одновременно, добавляя второй, меньший ротор рядом с парой катушек.
• Реверс вращения путем поворота одной катушки на 180° на подвижных поддонах или монтажа переключателя DPDT смены полярности на катушку.

Связанные рабочие листы

• AC Motor Theory Worksheet
• AC Motor Control Circuits Worksheet

С этими инструкциями вы можете построить надежный образовательный асинхронный двигатель, который безопасно демонстрирует основы переменного тока и электромагнетизма.