Cs. Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 341. Forogjon a mágneses tér!

 19. század utolsó két évtizedének legizgalmasabb és legismertebb vitája Tesla és Edison harca volt. Edison az egyenáramú, Tesla a váltóáramú hálózatokat támogatta.

A harc nemcsak elméleti, hanem üzleti jellegű volt, hiszen Edison az egyenáramú rendszerben volt érdekelt (Edison Electric Light Company), Teslának viszont a George Westinghouse alapította Westinghouse Electric Company hitt, és vásárolta meg tőle az összes szabadalmát.

 fmt02

Az „áramok háborúja” néven elhíresült viadalsorozatot végül a Westinghouse nyerte meg, bizonyítván, hogy a váltóáram nagyobb távolságokra szállítható és nagyobb teljesítményű erőművek építhetők váltóáramú generátorokkal. Nem volt elegendő azonban erőműveket és áramfejlesztőket gyártani, a váltóáramú motorokat is ki kellett fejleszteni. Noha az egyenáramú motorok felépítése és működtetése egyszerűbb, a háztartási készülékek és a nem hordozható magnók többségében váltóáramú motorok vannak, hiszen a múlt század hatvanas éveitől számítva gyakorlatilag az egész világon váltóáramú hálózatok szolgáltatják a villamos energiát. A váltóáramú motorok a forgó mágneses teret használják a forgó mozgás előállításához.

 fmt03a

A forgó mágneses tér az a mágneses tér, amelyet szimmetrikusan elhelyezett, többfázisú árammal táplált tekercsrendszer hoz létre. A fenti animációban a szinuszos áram a három álló tekercs mindegyikében egy-egy szinuszos változó mágneses teret létesít, amelyek merőlegesek a forgástengelyre. A három mágneses tér vektorként adódik össze (lásd a sorozat legelejét, a 4. részt), és egyetlen forgó mágneses teret alkot. 1824-ben Dominique Jean François Arago francia fizikus egy forgó rézkorong és egy tű segítségével mutatta meg a forgó mágneses terek létezését, amelyeket „Arago forgásainak” neveznek. Egy mágneses iránytűt függesztett fel vízszintesen, különböző anyagú gyűrűk közepén. Ezután 45°-kal elfordította a tűt, és elengedte. A tű előre-hátra lendült, miközben a lengés maximális szöge fokozatosan kisebbedett. Arago megszámolta a kilengések számát, mielőtt a szög 10°-ra csökkent. Fa gyűrűvel 145, vékony rézgyűrűvel 66, vaskos rézgyűrűvel pedig mindössze 33 kilengést számolt meg. A réz jelenléte tompította a tű oszcillációit.

 fmt04

Arago nemcsak fizikus, matematikus és csillagász volt, hanem politikus is, Franciaország nagyjainak egyike, aki tengerészeti és gyarmatügyi miniszterként eltörölte a francia gyarmatokon a rabszolgaságot, a haditengerészetnél megtiltotta a matrózok korbácsolását, viszont növelte az élelmiszer fejadagjukat. Mindenféle politikai esküt is eltörölt, és ő maga a köztársaság bukása után sem, soha nem esküdött föl sem az eredeti, sem a III. Napóleonnak.

1825-ben Charles Babbage és Charles Herschel olyan kísérletet mutatott be, amelyben mágnest pörgettek egy rézkorong alatt, és a korongot élénken forgatták. Sugárirányban réseket vágtak a lemezen, és megfigyelték, hogy ez csökkenti a hatást. Megpróbálták számszerűsíteni a sugárirányú rések hatását, s azt találták, hogy ha egy hasítatlan korong forgónyomatékát 100-nak vették, akkor az egyréses korong értéke 88, a kétrésesé 77, a négyrésesé 48, a négyrésesé csak 24 volt. Csakúgy, mint Arago iránytűjénél, a mágneses tárgy ismét valamilyen módon kölcsönhatásba került a nem ferromágneses anyaggal. (A képen N az északi, S a déli mágneses pólus.)

 fmt05

1879-ben Walter Baily angol fizikus az állandómágneseket négy elektromágnesre cserélte, és a kapcsolók kézi be- és kikapcsolásával egy primitív indukciós motort mutatott be.

 fmt06

A forgó mágneses térnek a váltóáramú motorokban való gyakorlati alkalmazását általában két feltalálónak, Galileo Ferraris olasz fizikusnak és villamosmérnöknek, valamint a már említett Nikola Teslának tulajdonítják. A történet hasonló, mint sok más esetben. Ferraris 8 hónappal korábban mutatta be többfázisú motorjának elméletét, mint amikor Tesla szabadalmaztatta a saját motorját. Tesla egy későbbi perben azzal védekezett, hogy az ő motorja hamarabb készen volt, csak az a New York-i laboratórium, amelyben a motort elkészítette, leégett, és a prototípus megsemmisült. Még három tanút is felvonultatott a tárgyaláson, amely egyébként már a sokadik volt a négy év óta húzódó elsőbbség ügyében. Ekkor Ferraris már nem élt. Pedig George Westinghouse először Ferrarist környékezte meg, de a tudóst nem izgatta a pénz, s miként a 19. században oly sokaknak, az ő célja is az volt, hogy a felfedezéseit "elérhetővé tegye a haza és az emberiség számára". Ennek érdekében mindent publikált, amire rájött, vendégeket hívott a házába, és mutatta meg a fejlesztéseit. Torinóban megalapította a villamosmérnöki iskolát, az első ilyen jellegűt Olaszországban, ahol fiatalokat tanított a jövő technikájára. Ferraris sem volt akárki, politikai munkásságának (az Olasz Királyságban szenátor volt) gondolatai visszaköszönnek az ENSZ Emberi Jogok Egyetemes Nyilatkozatában. Egyik életrajz írója szerint, ha igaz, hogy Nikola Tesla találta fel a huszadik századot, talán Galileo Ferraris jobbá tette volna.

 fmt07

Ferraris és Tesla találmánya a váltóáramú aszinkron motor. Mivel az állórész és forgórész között az elektromágneses indukció teremt kapcsolatot, ezeket a motorokat indukciós motoroknak is szokták nevezni. Mert van ám szinkron motor is. Az alapelvre visszatérve, mind az indukciós, mind a szinkron motorokban a motor állórészébe táplált váltakozó áram mágneses teret hoz létre, amely szinkronban forog a váltakozó áram frekvenciájával. A szinkron motor forgórésze ugyanolyan sebességgel forog, mint az állórész mágneses tere, az indukciós motor forgórésze viszont valamivel lassabban forog, mint az állórész mágneses tere. Az aszinkron motor állórészén tehát többfázisú tekercselés található, amely forgó mágneses teret hoz létre. A forgó mágneses tér erővonalai metszik a forgórész tekercselését, és abban feszültséget indukálnak. Mivel a tekercselés zárt vagy rövidre zárt áramkört alkot, az abban indukálódott feszültség hatására az áramkörben áram folyik. Az így indukált áram akadályozni igyekszik az őt létrehozó indukáló folyamatot, ezért a forgórész elfordul, így igyekezvén megakadályozni az erővonalmetszést, és vele az indukciót. A forgórész fordulatszáma soha nem érheti el az állórész forgó mágneses terének értékét, mivel akkor megszűnne az erővonalmetszés. Ezt az elcsúszást nevezik szép magyarsággal szlipnek.

 fmt08a

A tényleges és a szinkron fordulatszám közötti különbség körülbelül 0,5% és 6% között változik; minél kisebb teljesítményű a motor, annál nagyobb. Az indukciós motor olyan, mint egy transzformátor, amelynek primer tekercse az állórész, a szekunder tekercse a forgórész – csak a szekunder tekercs forog. Az indukciós motor lényeges jellemzője és előnye, hogy a forgás kizárólag indukcióval jön létre, nem kell még külön masszírozni, nincs elektromos kapcsolat az állórész és a forgórész között. A motor stabil és megbízható. Hátránya, hogy a fordulatszám nehezen változtatható és nem stabil, noha napjainkban már elektronikus áramkörök segítségével mind a fordulatszám folyamatos változtatása, mind a stabilizálása megoldható.

Ha elakadtál valahol a forgórész, az állórész és a mágneses terek kavalkádjában, a következő videó tán helyrebillenti a lelki egyensúlyodat. A videó nagyobb motort mutat be, de a kisebb aszinkron motorok is így működnek, legfeljebb nincs hátul ventilátoruk és a házukon sincs hűtőborda. A videó második része a csillag és a delta táplálás közötti különbségről szól, még egy kis alapműveletes számtan is van benne, de ez most számunkra lényegtelen.

Az angol nyelvben mókusketreces motornak hívják, amit magyarul kalickás forgórészű motornak nevezünk. A kisebb motorok, így még a stúdiómagnók csévélő motorjai is kalickásak.

 fmt09

A hengeres vagy csonkakúpos kalicka réz-, alumínium- vagy sárgarézrudakból áll, amelyek hornyokba vannak helyezve. Mindkét végüket vezetőgyűrűk kötik össze, amelyek elektromosan rövidre zárják a rudakat. A forgórész tömör magja acél rétegekből épül fel.

A lakásokba, diszkókba és a hangstúdiókba legtöbbször nem három, hanem csak egy 230 voltos fázist vezetnek be. Az egyfázisú indukciós motor állórészében nem keletkezik forgó mágneses tér, csak pulzáló tér jön létre. Hogy mégis úgy tűnjön, mintha több fázis lenne, egy kondenzátor segítségével un. segédfázist állítanak elő, mert a kondenzátoron a feszültség 90°-kal késik az áramhoz képest.

 

fmt10

 

 A szükséges kondenzátor kapacitását a motorházon tüntetik föl. Az alábbi fotón, ami a sorozat előző részében említett Grundig TS-1000 egyik motorja, éppen látszik az 5 µF-os érték. Hasonló motorokat használtak a Mechanikai Laboratórium stúdiómagnóiban is, csak azokról nincs ilyen szép fényképem.

 fmt11

Az egyfázisú aszinkron motort Bláthy Ottó Titusz magyar mérnök, a Ganz gyár dolgozója találta föl.

 fmt12

A váltóáramú motorok másik fajtája a szinkron motor. Ezeknek az állórésze ugyanolyan, mint az aszinkron, indukciós motoroké, a forgórészük azonban más. A forgórész mágnes. Nagyon ritkán valódi állandómágnes, általában elektromágnes, amit a forgórész tekercsébe csúszógyűrűkön keresztül vezetett egyenárammal táplálnak.

 fmt13

Az állórésznek hengeres burkolata van, amelyben nyílások, hornyok találhatók a tekercsek elhelyezéséhez. Az állórész magja általában acélból készül. Ez a mag szigetelt, hogy megakadályozza az örvényáramok áramlását.

 fmt14

A forgórész ténylegesen nemcsak kétpólusú lehet, hanem több is. Természetesen a pólusok száma csak páros lehet, hiszen nincs egypólusú mágnes.

 fmt15

A póluspárok (p) száma, a motor fordulatszáma (n) és az állórészt tápláló áram frekvenciája (f) közötti összefüggés nagyon egyszerű. Ha a forgórész póluspárjainak száma p, akkor az periódusonként 360°/p szöggel fordul el. Egyetlen póluspár (kér pólus) esetén a forgórész a váltakozóáram egy periódusa alatt körbefordul, a motor fordulatszáma 50 Hz-es hálózati frekvencia esetén 50 fordulat másodpercenként. Azonban nem ezt szokták megadni, hanem a percenkénti fordulatszámot, tehát még meg kell szorozni 60-nal: 60*50 = 3 000 fordulat/perc. Az általános képlet: n=60*f/p. Négypólusú motor esetén két póluspár van, a fordulatszám tehát a fele, 1 500 fordulat/perc. A szinkron motor csakis szinkronsebességgel tud forogni, mert az állórész forgó mágneses terét pontosan követi a forgórész mágneses tere. A szinkron motor fordulatszáma – ha sikerült a motort elindítani – nagyon stabil, tehát ott használható jól, ahol állandó sebességre van szükség. A fordulatszám – bizonyos határok között – sem a tápfeszültségtől, sem a terheléstől nem függ. A szinkron motor zavaró rezgése általában kisebb, mint az aszinkron motoré, bár a forgórészben levő állandómágnesként viselkedő elektromágnes miatt a forgásban "pólusugrások" vannak. Ennek hatása jelentősen csökkenthető a pólusok számának növelésével: például egy 24 pólusú szinkron motor fordulatszáma n=250 fordulat/perc. s az ennek megfelelő pólusugrás frekvenciája kb. 4 Hz.

Visszatérve a fordulatszám szabályozására, ennek régebbi módja a pólusváltás volt, vagyis ha pl. négypólusú volt a motor, akkor a fordulatszámot duplázni lehetett úgy, hogy egy póluspárt lekapcsoltak az egyenáramú táplálásról. Így pl. egyszerűen lehetett váltani egy magnó sebességét, ha főmotorként szinkron motort használtak. Mivel létezik egyfázisú szinkron motor is, az állórészt közvetlenül az otthoni hálózatról is gerjesztik. Az elektromos hálózat frekvenciája azonban sokáig nem volt stabil. A kisteljesítményű szinkron motorok állórészét jó ideje külön oszcillátorról és a hozzá kapcsolt teljesítményerősítőről hajtják meg. Egy ilyen kristályvezérelt oszcillátor frekvenciája egészen kis lépésekben, akár századherzenként is masszírozható, digitális, programozott vezérlővel.

A szinkron motor legfőbb hátránya, hogy önmagától nem indul, „be kell rúgni”, kell hozzá valami hasonló, mint a robbanó motoroknál az önindító. Nagyon sokféle megoldás van erre, még ahhoz is hasonló, mint amilyen a gépkocsikban, vagyis a szinkron motor tengelyére egy kisteljesítményű aszinkron vagy egyenáramú motort szerelnek, s ezzel pörgetik a tengelyt addig, ameddig a szinkron motor eléri a megfelelő fordulatszámot. De lássunk egy videót a szinkron motorokról is, amely kicsit más szemlélettel meséli el a működés alapelveit!

Egy másikat is, ami jól foglalja össze az aszinkron és a szinkron motorok közötti különbséget. Az automatikus magyar felirat meglepően jó.

A motorok fordulatszámának stabilitását a tachogenerátor segíti. Ez egy kis áramfejlesztő, ami a motor fordulatszámával nagyon arányos feszültséget böffent ki magából. Minél nagyobb a fordulatszám, annál nagyobb a generátor által elidézett feszültség. E feszültséggel lehet masszírozni a motort szabályzó áramkört. A fotó a Revox A 700-as szörnyetegének motorszabályzó áramköréről készült.

fmt116