PPT. Электродвигатель
Горбацевич С.А. Электродвигатель: от истории изобретения до создания демонстрационной модели своими руками // Фiзiка: праблемы выкладання. — 2010. — № 3. — С. 17-21.
По специальной договоренности с редакцией журнала ФПВ и автором
История изобретения
Уже на первом этапе развития человек стал применять искусственные орудия труда. С появлением производства начинают складываться условия для возникновения и совершенствования машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его деятельности, затем стали постепенно заменять его.
В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое, в свою очередь, приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое их распространение часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности. Пробовали энергию ветра, но это оказалось недостаточно эффективным. Стали искать другие источники энергии.
Обратились к энергии пара. Паровой двигатель приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства — паровозы. Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель — небольшой и дешёвый.
В 1860 году француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.
Все эти двигатели требовали топлива, и учёные не оставляли попыток изобрести двигатель, работающий на электричестве, — электродвигатель, бесшумный и небольшой. История создания электродвигателя — сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.
Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.
В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.
Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.
Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.
В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 году этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.
Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:
- расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
- электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
- этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.
Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.
В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.
В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.
Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешёвой. Благодаря сети электропроводов её можно подвести фактически в любую точку земного шара.
Устройство электродвигателя
Электрический двигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Побочным эффектом является выделение тепла.
Устройство двигателя постоянного тока (ДПТ)
Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.
На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции: постоянные магниты, обмотки возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения.
Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электродвигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.
Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (т. е. создания максимального момента на роторе).
Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.
Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие — при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором взаимного положения полюсов ротора относительно статора (снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).
При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или круговым огнём. Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора, и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора.
Принцип работы
В электродвигателях происходит следующее явление: электрический ток, протекая через провода статора, создаёт магнитное поле перпендикулярно магнитному полю ротора. Суммарное магнитное поле статора и ротора и создает вращающий момент ротора.
С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать трансмиссии, станку, эскалатору метро и другим механизмам.
Таким образом, для создания простейшей демонстрационной модели электродвигателя необходимо иметь в наличии: источник тока, магнит, проводник. Виток проводника, помещённый в магнитное поле, начинает движение поперёк силовых линий магнитного поля.
Практические работы для учащихся
Предлагаем два варианта самодельных электродвигателей.
На рисунке представлена схема простого самодельного электродвигателя. Для его изготовления необходимо к отрицательному полюсу источника тока «примагнитить» неадимовый магнит. Далее из медной проволоки следует изготовить рамку в виде сердечка и уравновесить её на положительном полюсе источника тока так, чтобы концы рамки касались магнита (самая тонкая операция, требующая терпения). Как только у вас это получится, рамка начнёт вращаться. Полагаем, что многие захотят смастерить подобный электродвигатель.
На вертикально стоящий источник питания положите два керамических магнита. На полюсах источника закрепите зажимы типа «крокодил» или канцелярские скрепки. В отверстия этих зажимов или скрепок вставьте выводы катушки, содержащей примерно 7—12 витков медного провода в изоляции. Изоляция выводов снята так, чтобы электрическое соединение было обеспечено, когда плоскость катушки совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
В предлагаемой модели есть все элементы настоящего электродвигателя: источник тока, статор, ротор и коллектор. Более того, каждый при желании может смастерить подобную модель электродвигателя.
Рассмотренные конструкции электродвигателей объединяет общеизвестная теория и методика. Однако важно отметить, что совершенствование учебных приборов идёт в направлении их доступности для учителя и ученика.
Список использованной литературы
- Донат, Б. Физика в играх / Б. Донат. — М.-Л.: Детгиз, 1937.
- Льоцци, М. История физики / М. Льоцци. — М.: Мир, 1970.
- Покровский, С. Ф. Наблюдай и исследуй сам / С. Ф. Покровский. — М.: Просвещение, 1966.
- Шателен, М. А. Русские электротехники XIX века / М. А. Шателен. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.
- http://www.youtybe.com/
