Name: dc motors and generator action
Uploaded: 2023-04-30T06:43:07.000Z
Duration: 9 min 29 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Arizona Science Standards

High School

Physical Science

HS.P3

HS.P3U2.7

DC Motors

1. DC Tests
<ol><li>Schließen Sie mit der Low-Power DC Stromversorgung beschränkt sich auf 0,8 A die Anschlussklemmen an DC Maschine Anker.</li>
	<li>Notieren Sie der Versorgung DC-Spannung und aktuelle Messwerte.</li>
	<li>Schätzen Sie den Widerstand der jede Wicklung.</li>
	<li>Wiederholen Sie für die anderen Wicklungen, rangieren Sie und Serienfeld, einzeln nacheinander.</li>
	<li>Schalten Sie aus und trennen Sie das Niederleistungs-DC-Netzteil.</li>
	<li>Die integrierten Feld Regelwiderstand auf maximalen Widerstand und Messen Sie seinen Widerstand zu.</li>
	<li>Der Serie Feld Regelwiderstand (extern) auf den maximalen Widerstand und Messen Sie seinen Widerstand zu.</li>
</ol>(2) Prime Mover Setup und Restmagnetismus
Die Antriebsmaschine in diesem Experiment ist die Synchronmaschine als Motor arbeitet, die der DC Generator Rotor (Anker) dreht.
<ol><li>Stellen Sie sicher, dass alle die Dreiphasen-Trennschalter, Synchronmotor Switch und DC-motor-Schalter ausgeschaltet sind.</li>
	<li>Prüfen Sie, ob die VARIAC bei 0 %.</li>
	<li>Verdrahten Sie die VARIAC mit Drehstrom-Steckdose und verbinden Sie das Setup in Abb. 5 gezeigt.</li>
	<li>Überprüfen Sie, dass der "Start/ausführen" Schalter in der Position "Start".</li>
	<li>Der Drehstrom-Trennschalter einschalten.</li>
	<li>Schalten Sie das Hochspannungs-DC-Netzteil.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen von den Anschlussklemmen klar.</li>
	<li>Drücken Sie die "V / ich DIS" Taste auf dem Angebot zur Anzeige der Spannung und aktuellen Betriebspunkte. Stellen Sie den Regler Spannung 125 V.<ol>
<li>Drücken Sie die Schaltfläche "Start" nicht.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Drücken Sie die Schaltfläche "Start" auf das DC Power Supply Panel.</li>
	<li>Steigern Sie langsam die VARIAC Ausgabe bis VAC1 120 V liest.</li>
	<li>Wenn der Synchronmotor eine Steady-State Geschwindigkeit erreicht, umlegen Sie die Start/ausführen-Schalter in die Lauf-Position.</li>
	<li>Messen und Aufzeichnen der Drehzahl mit dem Blitzlicht und VAaufzeichnen.</li>
	<li>Schalten Sie das DC-Netzteil und dem VARIAC auf 0 % zurück.</li>
	<li>Zurücksetzen des "Start/ausführen" Schalters "Start".</li>
	<li>Schalten Sie die Dreiphasen-Trennschalter.</li>
</ol><img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig5.jpg"> Abbildung 5 : Eine schematische Darstellung des gewusst wie: Einrichten der Antriebsmaschine. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
(3) DC Shunt Generator Charakterisierung
<ol><li>Verbinden Sie auf der DC-Generator-Seite Feld Shunt parallel mit dem Anker-Feld wie in Abb. 6 dargestellt.</li>
	<li>Verwenden Sie der integrierten Regelwiderstand für RFsh(ext), und das Multimeter als ein Amperemeter, um ichFshzu messen.</li>
	<li>Halten Sie "S1" für einen No-load Test offen.</li>
	<li>Halten Sie "RFsh(ext)" bei maximalen Widerstand.</li>
	<li>Der Drehstrom-Trennschalter einschalten.</li>
	<li>Drücken Sie die Schaltfläche "Start" auf das DC Power Supply Panel.</li>
	<li>Steigern Sie langsam die VARIAC Ausgabe bis VAC1 120 V liest.</li>
	<li>Wenn der Synchronmotor eine Steady-State Geschwindigkeit erreicht, stellen Sie die "Start/ausführen"-Schalter in die Position "Run".</li>
	<li>Die Wellendrehzahl mit der Blitzlicht Technik beschrieben an anderer Stelle zu messen.</li>
	<li>Datensatz VA bei diesem unbelastetem Zustand auf der DC-Generator-Seite.</li>
	<li>Reduzieren Sie RFsh(ext) , bis die Spannung in VA erzeugt rund 150 V ist.</li>
	<li>Nach diesem Punkt reduzieren "RFsh(ext)" in fünf Schritten der fast gleich bis die minimale Widerstand erreicht wird.
	<ol>
<li>Messen Sie für jeden Schritt VA und ichFsh.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Lassen Sie den Mindestwert RFsh(ext) .</li>
	<li>Die DC-Stromversorgung ausschalten.</li>
	<li>Die VARIAC Ausgang auf 0 % reduzieren.</li>
	<li>Bewegen Sie das Amperemeter messen ichFsh IAzu messen.</li>
	<li>Starten Sie das Setup erneut, wie oben beschrieben.</li>
	<li>300 Ω RL gesetzt, und aktivieren Sie "S1". VA und IAzu messen.</li>
	<li>Schalten Sie ab "S1" RL auf 200 Ω, dann schalten Sie "S1". Maßnahme VA, und ichA.</li>
	<li>Schalten Sie ab "S1" RL auf 100 Ω, dann schalten Sie "S1". Maßnahme VA, und ichA.</li>
	<li>Schalten Sie das DC-Netzteil und dem VARIAC Ausgang auf 0 % gesetzt.</li>
	<li>Die synchron-Generator Seite des Setups intakt zu halten.</li>
	<li>Trennen Sie der DC Generator Verbindungen.</li>
	<li>Zurücksetzen des "Start/ausführen" Schalters "Start".</li>
	<li>Schalten Sie die Dreiphasen-Trennschalter.</li>
</ol><img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig6.jpg"> Abbildung 6 : Eine schematische Darstellung des Shunts DC Generator Setup. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
4. DC Serie Generator Charakterisierung
<ol><li>Verbinden Sie auf der DC-Generator-Seite Serienfeld in Reihe mit dem Anker-Feld wie in Abb. 7 dargestellt.<ol>
<li>Verwenden Sie die externe Regelwiderstand für RFse(ext).</li>
		<li>Verwenden Sie den integrierten Regelwiderstand als RL und haben Sie es auf maximalen Widerstand.</li>
		<li>Halten Sie "S1" für einen No-load Test offen.</li>
		<li>Halten Sie R-Fse(ext) maximalen Widerstand.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Der Drehstrom-Trennschalter einschalten.</li>
	<li>Drücken Sie die Schaltfläche "Start" auf das DC Power Supply Panel.</li>
	<li>Steigern Sie langsam die VARIAC Ausgabe bis VAC1 120 V liest.</li>
	<li>Wenn der Synchronmotor eine Steady-State Geschwindigkeit erreicht, stellen Sie die "Start/ausführen"-Schalter in die Position "Run".<ol>
<li>Maßnahme VA bei diesem unbelastetem Zustand auf der DC-Generator-Seite.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Aktivieren Sie "S1" und reduzieren Sie RFse(ext) , da musste ungleich Null VAzu sehen.</li>
	<li>Variieren Sie RL in fünf Schritten fast gleich bis die 50 % Einstellung erreicht ist, legen Sie auf 300 Ω und schalten Sie "S1". Messen Sie die Geschwindigkeit VAund IA.<ol>
<li>Schalten Sie ab "S1" RL auf 200 Ω, dann schalten Sie "S1". Messen Sie die Geschwindigkeit VAund IA.</li>
		<li>Schalten Sie ab "S1" RL auf 100 Ω, dann schalten Sie "S1". Messen Sie die Geschwindigkeit VAund IA.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Die DC-Stromversorgung ausschalten.<ol>
<li>Die VARIAC Ausgang auf 0 % gesetzt.</li>
		<li>Die synchron-Generator Seite des Setups intakt zu halten.</li>
		<li>Trennen Sie der DC Generator Verbindungen.</li>
		<li>Zurücksetzen des "Start/ausführen" Schalters "Start".</li>
	</ol>
</li>
	<li>Schalten Sie die Dreiphasen-Trennschalter.</li>
	<li>Demontieren Sie alle Drähte und Meter.</li>
</ol><img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig7.jpg"> Abbildung 7 : Eine schematische Darstellung der Serie DC Generator Setup. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
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DC-Maschinen sind deutlich seltener als früher, vor der Erfindung des AC Induktion und Synchronmaschinen werden. Sie bleiben häufig in einfache low-Power-Anwendungen wie Spielzeug, kleine Roboter und legacy-Geräten. Permanentmagnet DC-Maschinen, die reichlich vorhandenen nicht-seltene-Erden-Magneten zu verwenden, sind häufiger als ihre Shunt und Serie Gegenteile aufgrund einfacher Erregung, vor allem bei niedrigen Kosten und geringer Komplexität Anwendungen.

dc-motoren

Quelle: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.
Die Gleichstrommaschine arbeitet mit DC-Ströme und Spannungen im Gegensatz zu einer AC-Maschine, die AC-Ströme und Spannungen benötigt. DC-Maschinen waren die ersten erfunden werden und nutzen zwei Magnetfelder, die durch DC-Ströme gesteuert werden. Die gleiche Maschine kann leicht sein, einen Motor oder Generator, wenn entsprechende Feld Erregung vorliegt, da die DC-Maschine verfügt über zwei Felder bezeichnet Feld und Anker konfiguriert werden. Das Feld ist in der Regel auf der Seite der Stator und der Anker befindet sich auf der Rotor-Seite (Gegenteil oder Inside-out-im Vergleich zu AC-Maschinen). Feld Erregung kann durch Permanentmagnete oder einer Wicklung (Spule) bereitgestellt werden. Wenn der Armatur oder Rotor Spule Strom zugeführt wird, durchläuft es aus der DC-Quelle an der Spule Bürsten, die stationär und Schleifringe auf den drehenden Rotor berühren die Bürsten montiert sind. Wenn die Rotor Anker Spule eine stromführende Schleife ist und ein externes Feld aus dem Stator oder Feldmagnet ausgesetzt ist, wird eine Kraft auf die Schleife ausgeübt. Da die Schleife auf beiden Seiten des Motors mit Lager "hängt", erzeugt die Kraft ein Drehmoment, das wird die Rotorwelle zu drehen anstatt in eine andere Richtung zu bewegen.
Diese Drehung bewirkt, dass die magnetischen Felder zu richten, aber zur gleichen Zeit Schleifringe Schalter Seiten auf die Bürsten oder "pendeln", und dies ist, was als die Kommutierung-Prozess bekannt. Tritt dieser Kommutierung Stromfluss in der Spule Rotor umgekehrt und Magnetfelder gegen einander wieder, wodurch weitere Drehmoment in der gleichen Drehrichtung. Dieser Prozess wird fortgesetzt und die Rotorwelle dreht die motorische Aktion. Im Generatorbetrieb wird mechanische Drehung auf die Rotorwelle und Strom fließt aus dem Rotor bereitgestellt, nachdem es durch eine bewegliche Spule unter ein Magnetfeld induziert wird.
Die Maschinen, diskutiert in diesem Experiment haben eine Feldwicklung, anstatt Permanent-Magnete. Ein Kommutierung-Prozess, der im Gleichstrombetrieb Maschine ankommt nutzt Schleifringe und Bürsten, Energie aus dem Rotor (Anker) nach außen zu übertragen, da der Rotor ist Spinnen und Spinnen Drähte drehen und brechen würde. Allerdings haben diese Bürsten und Schleifringe große Zuverlässigkeit Nachteile, da sie regelmäßige Wartung erfordern, Ersatz, Reinigung, putzen und Funkenbildung verursachen können. Dies führte zu Ersatz für die meisten DC-Maschinen von AC-Maschinen, die diese Probleme nicht haben, und restlichen DC-Maschinen haben meist Permanent-Magnet-Feld-Anregung, wie z. B. in Spielzeug und einfache Low-Power-Tools. AC Maschinen genannt bürstenlosen DC-Maschinen (oder BLDCs) sind AC-Maschinen, die einen DC Quelle und macht elektronische Wechselrichter Wechselspannungen aus den Wechselrichter zu nutzen.
Das Ziel dieses Experiments ist es, zwei wichtigsten DC Maschinenkonfigurationen testen: Shunt und Serie. Tests sollen das verbleibende Flussmittel in der Maschine zu schätzen und die Leerlauf- und be-Merkmale verschiedener Konfigurationen zu studieren.

Serie Wicklungen führen in der Regel Starkstrom Nennstrom an der Maschine bewertet Anker, da Serie und Anker Wicklungen in Reihe sind. Daher sollten Serie, die Wicklungen in der Größenordnung von ein mΩ, ein paar Ω. Shunt Wicklungen werden sollen auf der anderen Seite ziehen minimalen Strom von der Quelle der macht sie zusammen mit der Maschine Anker, und haben daher große Widerstandswerte von Dutzende bis Hunderte oder sogar Tausende von Ω.
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DC-Motoren

Source: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT. 
The DC machine operates with DC currents and voltages as ...

Gleichstrommotoren, Antriebsgeräte, die von Kleinspielzeug über wiederaufladbare Elektrowerkzeuge bis hin zu Elektrofahrzeugen reichen. Diese elektromechanischen Maschinen bestehen aus einer inneren leitenden Spule, dem Anker, und einem äußeren Magneten, dem sogenannten Stator. Eine Gleichstromquelle versorgt den Anker durch einen Kommutatorschlupf mit Strom. Induktion elektromagnetischer Kraft und Drehung der Schleife. Die Größe der elektromagnetischen Kraft hängt vom Winkel zwischen dem Magnetfeld und der Spule ab, wodurch das Drehmoment mit der Drehung schwankt. Mehrere Wicklungen, die um den Anker herum angeordnet sind, minimieren Drehmomentschwankungen und verhindern, dass die Kommutatorform die Stromversorgung kurzschließt. Der Kommutatorschlupf schaltet periodisch die Stromrichtung durch die Spule um, wodurch die Ausrichtung der Magnetfelder weiter verhindert wird. In diesem Video werden Gleichstrommotorkonfigurationen vorgestellt und die Messung der Leistungsmerkmale von Gleichstrommotoren wie Drehzahl, Strom und Spannung bei unterschiedlicher Last demonstriert. Permanentmagnet-Stater in Gleichstrommaschinen sind am gebräuchlichsten, aber wenn das Stater-Magnetfeld durch Leiterwicklungen erzeugt wird, können Leistungsmerkmale, wie Drehzahl und Drehmomentabgabe, durch das Design des elektrischen Feldes geändert werden. Zum Beispiel hängt die Drehzahl mit der vom Motor entwickelten Spannung zusammen, die als Elektromotorkraft oder EMK bezeichnet wird. In ähnlicher Weise ist das Drehmoment proportional zum Strom. Diese Eigenschaften variieren je nach Bauform des Motors und beeinflussen die für bestimmte Anwendungen gewählte Motorkonstruktion. Die vier grundlegenden elektronischen Konfigurationen von Gleichstrommaschinen sind separat erregt, Shunt, Serie und Verbund. Getrennt erregte Motoren verwenden separate Netzteile für das Feld und den Anker, was eine unabhängige Steuerung zur Unterstützung unterschiedlicher Lasten ermöglicht. Bei der Shunt-Konstruktion, der gebräuchlichsten Konfiguration, werden die Feldwicklungen parallel zur Ankerlast mit einer gemeinsamen Gleichstromversorgung geschaltet. Dies ermöglicht eine einstellbare Drehzahl bei wechselnder Last, was in Werkzeugmaschinen und Kreiselpumpen nützlich ist. In der Reihenkonfiguration versorgt eine Gleichstromversorgung das Feld und den Anker in Reihe. Dies bietet ein höheres Anlaufdrehmoment zur Überwindung von internen Lasten in Geräten wie Zügen, Aufzügen oder Hebezeugen. Verbundmotoren verwenden sowohl Nebenschluss- als auch Reihenschaltungen für eine hohe Anlaufdrehmoment- und Drehzahlregelung. Das Shunt-Feld kann vor oder nach dem Reihenfeld geladen werden. Nachdem nun die Konfigurationen von Gleichstrommotoren skizziert wurden, wird die Analyse der Strom-, Spannungs- und Lastbeziehungen in Nebenschluss-Gleichstrommotoren demonstriert. Die in den DC-Tests gesammelten Daten können bei Bedarf zur Erstellung von Ersatzschaltungsmodellen verwendet werden. Stellen Sie vor dem Messen der elektrischen Eigenschaften des Gleichstrommotors die Gleichstromversorgung mit geringer Leistung auf 0,8 Ampere ein und verbinden Sie die Versorgungsklemmen mit dem Maschinenanker. Notieren Sie dann die Spannung und den Strom der Versorgung. Verwenden Sie als Nächstes ein Multimeter, um Spannung und Strom über den Anker zu messen, indem Sie das Shunt-Feld und das Reihenfeld wickeln. Verwenden Sie die Daten, um den Widerstand in jeder Komponente zu schätzen. Nachdem Sie die grundlegenden Eigenschaften des Gleichstrommotorgenerators gemessen haben, stellen Sie den eingebauten Feldrheostat auf die maximalen Einstellungen ein und messen Sie seinen Widerstand. Stellen Sie abschließend den externen Reihenfeldrheostat auf seine Obergrenze ein und messen Sie dessen Widerstand. Im Anschluss an die Tests des Gleichstrommotors wird eine Synchronmaschine verwendet, um den Anker der Gleichstrommaschine zu drehen. Somit wird die Gleichstrommaschine als Generator betrieben, ohne Feldanregung, dann ohne Last. Unter diesen Bedingungen entspricht die Klemmenspannung der EMK. Die Drehzahl des Generators wird gemessen und zur Berechnung des Magnetismus verwendet, der vom Anker in Abwesenheit von Spulenanregung aufrechterhalten wird, was als Restmagnetismus bezeichnet wird. Überprüfen Sie zunächst, ob der Drehstromtrennschalter, der Synchronmotor und der Gleichstrommotor ausgeschaltet sind. Befestigen Sie dann ein kleines Stück Klebeband am Außenrotor des Gleichstrommotors. Nachdem Sie überprüft haben, dass der Variac auf null Prozent eingestellt ist, verdrahten Sie den Variac mit der dreiphasigen Steckdose. Verbinden Sie als Nächstes das Setup wie gezeigt. Überprüfen Sie dann, ob sich der Startlaufschalter in der Startposition befindet. Vergewissern Sie sich nach den Einstellungen des Variac, dass alle Anschlüsse von den Versorgungsklemmen frei sind. Schalten Sie erst dann den dreiphasigen Trennschalter ein. Schalten Sie anschließend das Hochspannungs-Gleichstromnetzteil ein, drücken Sie die VI-Anzeigetaste, um den Betriebsendstrom anzuzeigen, und stellen Sie den Spannungsregler auf 125 Volt ein. Drücken Sie nicht die Starttaste, bevor Sie den Spannungsregler einstellen. Drücken Sie die Starttaste, das Gleichstromnetzteil und schalten Sie das Gerät ein. Erhöhen Sie anschließend langsam den Variac-Ausgang, bis die Klemmenspannung 120 Volt beträgt. Wenn der Synchronmotor eine stationäre Drehzahl erreicht, stellen Sie den Startlaufschalter auf Laufen. Achten Sie auf Änderungen des Maschinensounds. Der Maschinensound wird im stationären Zustand monoton. Verwenden Sie das Blitzlicht, um die Bewegung des Motors einzufrieren, indem Sie die Stroboskoprate mit der Motordrehzahl synchronisieren. Das am Rotor befestigte Band erscheint stationär, wenn das Blitzlicht synchronisiert ist. Vergewissern Sie sich, dass es sich bei dieser Rate um die Motordrehzahl handelt, indem Sie die Stroboskoprate langsam erhöhen, um den Lüfter mit der nächsthöheren Rate zu synchronisieren. Wenn dies korrekt ist, ist dies das Doppelte der ersten beobachteten Stroboskop-Synchronisationsrate. Diese Startsequenz wird vor jedem weiteren Testlauf wiederholt. Erfassen Sie nach dem Start die Drehzahl des Motors und die Ankerspannung. Verwenden Sie dann diese Daten, um die Restmagnetfeldstärke zu berechnen. Gleichstrommaschinen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Sobald die Betriebsparameter verschiedener Maschinen charakterisiert sind, können sie auf der Grundlage von Designspezifikationen für ein bestimmtes Gerät ausgewählt werden. Der DC-Generator kann in verschiedenen Konfigurationen, wie z. B. der Shunt-Konfiguration, charakterisiert werden. Bei geöffnetem Schalter S1, ohne Lastprüfung, werden die Feldendlastwiderstände auf das Maximum eingestellt. Anschließend werden die Wellendrehzahl und die Anschlussspannung wie zuvor beschrieben aufgezeichnet. Der Shunt-Widerstand wird in fünf Stufen reduziert, bis der minimale Widerstand erreicht ist. Und die Klemmenspannung und der Strom über den Shunt-Widerstand werden gemessen. Der Motor kann mit simulierten Lasten mit Lastwiderständen gemessen werden, die dem gleichen Protokoll folgen. Jeder Typ von DC-Generator verfügt über einen eigenen Spannungs-Strom-Ausgang. Shunt-Generatoren können Spannung für einen breiten Bereich der Stromlast bereitstellen, während Reihengeneratoren eine steigende Spannung mit der Stromlast bereitstellen. In einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine drahtlose Stromquelle bevorzugt wird, wie z. B. bei motorisierten Prothesen, sind Gleichstrommotoren der Aktuator der Wahl. Bei der neuronal gesteuerten Prothese der unteren Gliedmaßen werden entweder Oberflächen- oder transdermale Sensoren verwendet, um Signale an motorisierte Gelenke in der Ersatzgliedmaße zu senden, ähnlich wie bei einem intakten Bein. Die Beugung von Schnapper und Fuß wird natürlicher und intuitiver gesteuert, als dies mit einem starren Gliedmaßenersatz möglich wäre. Sie haben gerade Joves Einführung in Gleichstrommotoren gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie ein Gleichstrommotor funktioniert und wie man seine Parameter charakterisiert. Danke fürs Zuschauen.

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dc motors and generator action

DC machines use direct current and direct voltage to create motion or generate electricity. They were the first machines of this kind to be invented. A DC machine works with two magnetic fields that are controlled by DC currents, and the same machine can be set up as either a motor or a generator when the right field excitation is available.

In a DC machine, the field is usually on the stator side and the armature is on the rotor side. That arrangement is the reverse of what is found in many AC machines. The field can come from permanent magnets or from a winding, which is a coil of wire.

When current reaches the armature coil, it passes from the DC source through brushes and slip rings. The brushes stay still, while the slip rings are mounted on the rotating rotor and touch the brushes as the rotor turns. A current-carrying loop in the armature, when placed in the field from the stator or field magnet, feels a force.

Because the loop is supported by bearings, that force creates torque. Torque makes the rotor shaft spin instead of moving in some other direction. As the shaft turns, the magnetic fields line up, and the slip rings switch sides on the brushes. This switching is called commutation.

During commutation, the current in the rotor coil reverses. The magnetic fields then oppose each other again, which keeps producing torque in the same direction. The cycle repeats, and the rotor shaft continues to spin. That is how the machine produces motor action.

In generator operation, the process is reversed. Mechanical rotation is applied to the rotor shaft, and current is induced in the moving coil under a magnetic field. The machines discussed here use a field winding rather than permanent magnets.

Brushes and slip rings are critical because they transfer energy between the spinning rotor and the outside circuit. They are needed because spinning wires would twist and break. At the same time, these parts have reliability problems. They need regular maintenance, brush replacement, and cleaning, and they may also cause sparking.

These drawbacks have led most DC machines to be replaced by AC machines that do not have the same issues. The DC machines that remain are often simple systems with permanent magnet field excitation, such as toys and low-power tools. AC machines called brushless DC machines, or BLDCs, use a DC source and a power electronic inverter to produce AC voltages.

The experiment in this collection focuses on two DC machine setups: shunt and series. It also aims to estimate the residual flux in the machine. In addition, it studies the no-load and loading characteristics of the different configurations.

DC Motors and Generator Action

electrical safety precautions and basic equipment

electrical-safety-precautions-and-basic-equipment

Safe Handling of High-Voltage Lab Power

Safe handling of high-voltage lab power is essential in electric machine and power electronics experiments. These labs involve electrical currents, voltages, power, and energy that require extreme care. The systems used in this work can include three-phase AC voltage at 208 V, 230 V, or 480 V. They may also use up to 250 V DC and currents that can reach 10 A. These levels can be dangerous if handled without proper attention. Electrocution can happen when electricity passes through the body.

characterization of magnetic components

B-H Curves and Inductor Core Limits

Magnetic components such as inductors and transformers depend on the core material around their windings. In this experiment, students get hands-on experience with these parts from both a design view and a material view. The work focuses on B-H curves, which show the magnetic behavior of a material. A B-H curve describes the magnetic flux density the core can support as current flows through the windings. It also helps show the limit before magnetic saturation occurs. Magnetic saturation...

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Power Pole Board for DC/DC Converter Labs

The HiRel Power Pole Board is a flexible tool for studying DC/DC converters. A DC/DC converter changes direct-current voltage and current from one level to another. In many cases, voltage conversion is the main goal. This board supports several converter types on one platform. It can be used to examine boost converters, which step voltage up, and buck converters, which step voltage down. It also helps students study buck-boost converters, which can step voltage up or down. The board is also...

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Stepping Up DC Voltage with Boost Converters

DC voltage can be increased with a boost converter. This step-up circuit is useful in many applications where a DC source must be raised without first converting it to AC, using a transformer, and then rectifying the transformer output. A boost converter uses an inductor as an energy storage device. The inductor supports the output with extra energy in addition to the DC input source. That added energy raises the output voltage. This experiment studies several characteristics of a boost...

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A DC/DC buck converter steps down DC voltage in an efficient, regulated way. Unlike transformers, which easily raise or lower AC voltage and current, DC systems need switching power converters to change voltage levels. The buck converter works by chopping the input DC voltage with a series input switch. An L-C low-pass filter then smooths the chopped signal and extracts the average output voltage. A diode gives the inductor current a path when the switch is off during part of the switching...

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A flyback converter is a buck-boost converter that can both step voltage up and step it down. It also provides electrical isolation between the input and the output by using a coupled inductor, or flyback transformer. The coupled inductor acts like a transformer with a turns ratio, but it also stores energy through the air gap. This setup gives the converter both voltage step-up and step-down capability. In the experiment, the converter is studied in open-loop operation with a manually set...

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Single Phase Transformer Testing

Single-phase transformers step up or step down AC voltage in electric power systems. They are stationary electric machines with primary and secondary coils, also called windings. The primary winding receives the applied voltage, and the secondary winding delivers the changed voltage. Inside the transformer, current in one winding creates magnetic flux in the core. This flux links the two windings and transfers energy between them. With AC current, the changing flux induces voltage in the...

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AC to DC Conversion with Rectifiers

Rectifiers convert AC power into DC power for electronic circuits. A DC power supply provides unidirectional voltage and current. Batteries can do this, but they are limited by lifetime and cost. Using a rectifier is another way to turn AC line power into DC power. A rectifier is a device that lets current pass in one direction and blocks it in the other. It works after a forward voltage threshold is reached. Rectifiers may use a diode, a silicon controlled rectifier, or other silicon P-N...

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Controlling SCR Half-Wave Rectification

Thyristors, also called silicon controlled rectifiers (SCRs), are used to control current in a rectifier circuit. Like diodes, they let current pass from the anode to the cathode and block current in the opposite direction. Unlike a diode, a thyristor can be turned on with a gate terminal that receives a small current pulse. A thyristor is a four-layer device with alternating n-type and p-type layers. These layers form a PNPN structure with three junctions. The device has three terminals. The...

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DC to AC Conversion with Half-Bridge Inverters

DC to AC conversion is the main idea behind a power inverter. DC power flows in one direction, while AC current changes direction at about 50-60 Hz. Many electronic devices are designed to run on AC power, so a DC source must be inverted before it can be used with them. An inverter makes this change through switching action. The switches repeatedly flip the polarity of the input DC source at the output, or load side, for part of a switching period. A typical power inverter needs a stable DC...

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Three-Phase Motor Equivalent Circuit Tests

Three-phase induction motor testing can be used to find equivalent circuit parameters. The experiment uses the per-phase equivalent circuit to model the motor. This model keeps the important behavior of the original system and makes calculations easier. The procedure uses tests similar to those used in transformer characterization. These measurements help estimate the motor's circuit values from its electrical response. The experiment also aims to operate the motor in the linear torque-speed...

vfd-fed ac induction machine

Variable Frequency Drive Speed Control

Variable frequency drives, or VFDs, control the speed of AC induction motors. They are a type of adjustable speed drive and are becoming standard equipment for powering most AC induction motors. In industrial and automation settings, VFDs can provide strong control of motor speed, torque, or position. This experiment focuses on speed control with open-loop operation. It uses constant voltage-to-frequency ratio control, also called V/f control. The motor usually operates at a rated stator flux,...

ac synchronous machine synchronization

Grid Connection of AC Synchronous Generators

AC synchronous generators are a major source of electrical power worldwide. They are three-phase, wound-rotor machines that are used in many power plants. These generators need a prime mover and an exciter to produce power. A prime mover is the device that spins the generator, often a turbine driven by fluid. That fluid can come from water flowing from a dam through a long nozzle or from steam made by burning coal. Most power plants use synchronous generators, including coal, nuclear, natural...

ac synchronous machine characterization

Three-Phase Synchronous Motor Starting and V-Curves

Three-phase synchronous motors and generators are important AC machines. Wound-rotor synchronous motors are less common than permanent magnet rotor synchronous motors because the rotor field uses brushes. Synchronous generators are much more common. They are used in most existing power plants because they provide excellent frequency and voltage regulation. A synchronous motor runs at the same speed as the stator magnetic field. This gives it almost 0% speed regulation, so the rotor speed stays...

electrical engineering

Diese Sammlung beginnt mit einem Sicherheitsvideo, welches Techniken für häufig verwendete Ausrüstung in einem elektrischen Labor vorstellt. Die Nachfolgenden Videos stellen Themen wie Induktivität, Transformatoren, Konverter, Gleichrichter und Wechselrichter vor.

Explore how DC machines use brushes, slip rings, commutation, and field excitation to act as motors or generators, with shunt and series tests.

DC Motors and Generator Action | JoVE K12

south-carolina-college-and-career-ready-science-standards

South Carolina College and Career Ready Science Standards

Physics

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion and Stability: Forces and Interactions

P-PS2-6.

Georgia Standards of Excellence

9-12

SP5.

Applications in Motors and Generators

Ali Bazzi

Overview

Principles of DC Motors

DC Tests

Measurement of Residual Magnetism

Applications

Summary

Position and Displacement

The position of an object defines its location relative to a convenient frame of reference at any particular time. A frame of reference is an arbitrary ...

Average Velocity

To calculate the other physical quantities in kinematics, we must introduce the time variable. The time variable allows us not only to state the position ...

Average Acceleration

The importance of understanding acceleration spans our day-to-day experiences, as well as the vast reaches of outer space and the tiny world of subatomic ...

Instantaneous Acceleration

Acceleration is in the direction of the change in velocity, but it is not always in the direction of motion. When an object slows down, its acceleration ...

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Velocity and Position by Graphical Method

Velocity and position can be calculated from the known function of acceleration as a function of time. The total area under the acceleration-time graph ...

Kinematic Equations - I

When an object moves with constant acceleration, the velocity of the object changes at a constant rate throughout the motion. The kinematic equations of ...

Kinematic Equations: Problem Solving

When analyzing one-dimensional motion with constant acceleration, the problem-solving strategy involves identifying the known quantities and choosing the ...

Force

Forces affect every moment of our life. Our bodies are held to the Earth by force, and they are held together by the forces of charged particles. When we ...

Mass and Weight

Mass and weight are often used interchangeably in everyday conversation. For example,&#160; medical records often show our weight in kilograms, but never ...

Newton's Laws of Motion

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment examines at various situations involving two interacting ...

Newton's First Law: Introduction

Motion draws our attention. Motion itself can be beautiful, causing us to marvel at the forces needed to create spectacular sights, such as that of a ...

first-law-particles-in-one-dimensional-equilibrium

First Law: Particles in One-dimensional Equilibrium

Newton&#39;s first law of motion states that a body at rest remains at rest, or if in motion, remains in motion at constant velocity, unless acted on by a ...

Newton's Second Law

Newton&#39;s second law is closely related to his first law of motion. It mathematically gives the cause-and-effect relationship between force and changes ...

Force and Acceleration

Source: Nicholas Timmons,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, ...

Second Law: Motion under Same Force

Newton&#39;s laws can be applied to bodies at rest and bodies in motion. Newton&#39;s first law is applied to bodies in equilibrium, whereas the second ...

Newton's Third Law: Introduction

Whenever one body exerts a force on a second body, the first body experiences a force equal in magnitude and opposite in direction, to the force that it ...

Drawing Free-body Diagrams: Rules

The first step in describing and analyzing most phenomena in physics involves the careful drawing of a free-body diagram. Free-body diagrams are useful in ...

Free Body Diagrams: Examples

Solving problems that involve forces is easy using free-body diagrams. A free-body diagram is a sketch showing all the external forces that are acting on ...

Equilibrium and Free-body Diagrams

Source: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, ...

Collect, analyze and interpret data regarding the change in motion of an object or system in one dimension, to construct an explanation using Newton’s Laws.

HS.P3U1.6

Solving Problems in Physics

Problem-solving is the ability to apply general physical principles to specific situations, usually expressed by equations. It is an essential skill in ...

Problem Solving in Statics

Problem-solving in statics is a crucial aspect of engineering and physics that involves resolving issues associated with bodies in a state of equilibrium. ...

An Introduction to Mechanics

Humans have been making ships, shelters, pyramids, weapons, agricultural equipment, and many more items without recording the process or theory behind ...

Introduction to Structures

A structure is defined as a system of interconnected members designed to support or transfer forces and successfully withstand the loads acting on them. ...

Simple Trusses

A truss is a structural framework consisting of slender members connected at joints, designed to support external loads while minimizing material usage ...

Method of Joints

The method of joints is a commonly used technique to analyze the forces in structural trusses. The method is based on the principle of equilibrium, which ...

Rigid Body Equilibrium Problems - I

A rigid body is said to be in static equilibrium when the net force and the net torque acting on the system is equal to zero. To solve for rigid body ...

Stability of structures

Consider two rods connected at point O by a pin and a torsional spring of constant k. The ends of both the rods are pin-connected.
If both the rods are ...

Buckling of Steel Columns

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
In the design of civil works, it is important ...

Machines

Machines are complex structures consisting of movable, pin-connected multi-force members that work together to transmit forces. One example of a machine ...

Rolling Resistance

When a solid cylinder rolls steadily on a rigid surface, the normal force applied by the surface on the cylinder is perpendicular to the tangent at the ...

Propulsion and Thrust

Source: Alexander S Rattner; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
Aircraft, rockets, ...

Rocket Propulsion in Empty Space - I

The driving force for the motion of any vehicle is friction, but in the case of rocket propulsion in space, the friction force is not present. The motion ...

aerodynamic-performance-of-a-model-aircraft-the-dc-6b

Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
The low-speed wind tunnel is ...

airfoil-behavior-pressure-distribution-over-a-clark-y-14-wing

Airfoil Behavior: Pressure Distribution over a Clark Y-14 Wing

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An ...

Use mathematics and computational thinking to explain how Newton’s laws are used in engineering and technologies to create products to serve human ends.

DC Motors and Generator Action

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