Deze eenvoudige, mechanisch aangedreven krachtbron is bijna 200 jaar oud en speelt nog steeds een goed gedefinieerde, zij het beperkte, rol in de huidige systemen.
Wat of wie is een magneto? Nee, een “magneto” is niet alleen de krachtige mutant die het vermogen heeft om magnetische velden op te wekken en te controleren en die voor het eerst verscheen in het debuutnummer van De X-Men in 1963.
In plaats daarvan is de technische magneet een eenvoudige elektromechanische manier om beweging – meestal roterend, maar kan lineair zijn – om te zetten in elektrische energie. Ondanks zijn leeftijd is het een zeer oude techniek en wordt deze nog steeds gebruikt in moderne versies, variërend van relatief alledaagse toepassingen tot duurdere toepassingen waarbij veiligheid van cruciaal belang is. In sommige gevallen zou je het gebruik van de magneto zelfs kunnen overwegen als een vorm van energieoogst, omdat het een deel van de beschikbare mechanische energie opneemt of ‘hevelt’ en omzet in elektrische energie.
Let op: de termen en parameters energie en kracht zijn verschillende entiteiten. Energie is het vermogen om arbeid te verrichten, en kracht is de snelheid waarmee arbeid wordt verricht. Voor onze doeleinden in deze FAQ zijn de twee termen echter grofweg uitwisselbaar, en het is hier niet nodig om er een onderscheid tussen te maken.
Deze FAQ onderzoekt de geschiedenis, constructie en toepassingen van de magneto, evenals de voordelen en beperkingen ervan.
Vraag: Begin met de basis: wat doet een magneet?
A: Een magneto bestaat uit een permanente magneet en een gewikkelde elektrische (koperen) spoel). Het is een bron van “onstabiele” niet-gelijkstroom elektrische stroom, die functioneert als een ruwe, eenvoudige, maar effectieve elektrische generator. De veranderende of omkerende flux die wordt gegenereerd door een magneet die door of over de spoel gaat, produceert een spanningsverschil over de primaire spoel (wet van Faraday) (Figuur 1). Dit spanningsverschil zorgt er ook voor dat er stroom door de spoel en naar een belasting gaat, waardoor elektrische energie ontstaat uit mechanische beweging.
Vraag: Is er meer dan één basismagnetostructuur?
A: Ja. Een shuttlemagneto heeft een vaste magneet terwijl de spoel draait of beweegt; een inductormagneto houdt de spoel vast tijdens het draaien of verplaatsen van de magneet. Het inductorontwerp heeft meestal de voorkeur omdat het niet nodig is om draden aan te sluiten op een bewegend of roterend spoelsamenstel, waardoor het ontwerp betrouwbaarder is. Hoe dan ook, het onderliggende natuurkundige principe en het gebruik van de wet van Faraday zijn hetzelfde.
Vraag: Hoe ziet de ruwe uitvoer van een magneto eruit? Wat is de amplitude ervan?
A: De uitvoer is een zeer niet-sinusachtige AC-golfvorm (Figuur 2). De geschiktheid is een functie van ontwerp, grootte en snelheid waarmee de magneet de spoel passeert en ligt plaatselijk tussen ±15 en ±40 V; sommige grotere magneto's kunnen wel ±100 V leveren.
Vraag: Wat is het verschil tussen een magneet en een dynamo?
A: Over het algemeen produceert een dynamo een zuivere, laagharmonische sinusoïdale wisselstroom, die heel anders is dan de vervormde, “spikey” golfvormuitvoer van de magneet.
Vraag: Hoe oud is het gebruik van de magneet als elektrische bron?
A: Heel oud. De Franse instrumentmaker Hippolyte Pixii bouwde het in 1832, slechts een jaar na Michael Faraday's ontdekking van de principes van elektromagnetische inductie. Zijn magneto, bediend door een handslinger, was de eerste praktische generator van elektrische stroom (Figuur 3).
Door aan de kruk te draaien, gingen de rechthoekige magneten (in die tijd relatief zwak) in en uit de gewikkelde spoelen via een eenvoudig draai-naar-lineair bewegingsmechanisme, waardoor de elektrische stroom werd opgewekt. Dit was het eerste niet-batterijschema voor het genereren van een betrouwbare en enigszins continue stroomstroom. Ook al was de stroom niet continu, zoals bij een batterij, het was een ‘schone’ bron, zonder gebruik van chemicaliën en zonder uitputting.
Vraag: Dit klinkt allemaal als een oude en enigszins irrelevante geschiedenis. Waarom zouden we daar nu naar kijken?
A: Ten eerste werden magneto's gebruikt voor vroege auto's, zoals de Model T, en dit leidde tot veel ontwikkelingen in de geschiedenis technologie van moderne vonkontstekingen en elektromagnetisme. Wat nog belangrijker is, is dat ze nog steeds wijdverspreid en effectiever zijn dankzij betere materialen, mechanische componenten en magneten.
Vraag: Waar worden ze gebruikt? Wat is hun rol?
A: Ze worden gebruikt in zowel “low-end” toepassingen, zoals grasmaaiers of kettingzagen op benzine, als in kleine vliegtuigen. De elektrische laagspanningsuitgang van de magneet wordt omgezet in een spanning/stroom die geschikt is voor het ontsteken van de bougie van de benzinemotor met interne verbrandingszuiger. Deze vonkgerelateerde toepassingen zijn de dominante voor magneto's, waar ze geen continue stroom van kracht hoeven te leveren, maar alleen periodieke uitbarstingen.
Ze werden ook gebruikt in de begindagen van de telefonie, waarbij de gebruiker aan een zwengel aan de zijkant van de telefoon draaide om de hogere spanning (50 tot 100 V) te genereren die nodig was voor het belsignaal, terwijl een laagspanningsbatterij dat zou doen. worden gebruikt voor het daadwerkelijke gesprekscircuit (Figuur 4).
Vraag: Wordt de magneto-uitgangsspanning rechtstreeks gebruikt?
A: Over het algemeen is het niet direct nuttig. Het kan worden gebruikt "zoals het is" als het alleen een circuit met een lagere spanning voedt, zoals de telefoonbel (ongeveer 20-40 V, soms zelfs 80-100 V). De spanning is echter veel te laag om een vonk te ontsteken in een gasmotor waar ongeveer 10 kV nodig is. In deze gevallen worden verschillende spanningsverhogingsschema's gebruikt waarbij gebruik wordt gemaakt van een transformator met dubbele wikkeling, waarbij de magnetospanning de primaire is, en de transformator deze met twee ordes van grootte verhoogt (10 V tot 1000 V).
Vraag: Waarom worden magneto's tegenwoordig zelfs gebruikt? We hebben nu immers krachtige, lichtgewicht batterijen.
A: Een van de voordelen van een magneto-ontstekingssysteem is dat er geen externe voedingsbron voor nodig is, zoals een batterij; het is een volledig op zichzelf staand, zelfvoorzienend systeem. Dit maakt het een goede keuze voor toepassingen waarbij een batterij als primaire gelijkstroomvoedingsbron niet beschikbaar of haalbaar is, zoals kleine motoren (grasmaaiers, kettingzagen). Bovendien zijn magneetontstekingssystemen relatief eenvoudig en hebben ze weinig bewegende delen, waardoor ze duurzaam en gemakkelijk te onderhouden zijn.
Vraag: Dat is logisch, maar wat is het nut ervan in vliegtuigen?
A: Er zijn verschillende redenen dat zelfs moderne vliegtuigen met propeller-/zuigermotor en batterijen nog steeds magneten gebruiken om de cilinders van hoogspanningsvonken te voorzien; ze zijn als volgt:
- Magneto's zijn niet afhankelijk van het elektrische systeem van het vliegtuig, van batterijen of andere bronnen van elektriciteit aan boord. Het elektrische systeem van het vliegtuig gaat offline en verliest volledig stroom, de motoren van het magneto-aangedreven vliegtuig blijven draaien.
- Magneto's zijn betrouwbaar. Zoals eerder vermeld, zijn ze een van de oudste ontstekingstechnologieën in de lucht- en ruimtevaartindustrie, gebruikt door de eerste vliegtuigen. Ze zijn beproefd en betrouwbaar
- Het kan zijn dat piloten onder bepaalde drastische omstandigheden, zoals in het geval van een elektrische brand, opzettelijk het gehele elektrische systeem van het vliegtuig moeten uitschakelen om te voorkomen dat de brand zich verspreidt. Door magneto's als ontstekingssysteem te gebruiken, blijven de motoren draaien, zelfs als het elektrische systeem is uitgeschakeld.
Het volgende deel gaat dieper in op het gebruik van magneto's in ontstekingssystemen.
Gerelateerde EE World-inhoud
Hoeveel elektromotoren zitten er in een auto?
Waarom je geen aandrijving met variabele snelheid nodig hebt om de snelheid van een ventilator te veranderen
Het verschil tussen het Faraday-effect en de inductiewet van Faraday
Waarom vonken stopcontacten als u ze loskoppelt?
Onderzoekers onderzoeken agressieve, hoogefficiënte, bougievrije benzinemotoren
Referenties
Hemmings Motor News, “Magneto-ontstekingssystemen”
Nationale MagLab Magneetacademie, “Magneto – 1832”
Mechanische jungle, "Wat is een magneto-ontstekingssysteem?"
Monroe Aerospace, “Wat is een magneto en waarom gebruiken vliegtuigen ze?”
AOPA News, “Hoe het werkt: Magneto”
Vliegen, “Hoe het werkt: Magneto”
Antieke auto-elektriciteit (Australië), “Magneto History”
Wikipedia, “Magneto”
Wikipedia, “Magneto-ontsteking”
Buzz Pound, “Model T Ford magneto’s en timing”
Model T Ford Club of America, “Magneto-uitgangsgolfvorm”
Model T Ford Club of America, “Het Model T Ford-ontstekingssysteem en vonktiming”
Gas Engine Magazine, "Magneetspanningswaarde: een voltmeter gebruiken"
Vern's oude telefoons, "Magneto-telefooncircuits"
Marvel-publicaties, “Max Eisenhardt & Magneto”