ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ: ВРАЩЕНИЕ РАМКИ С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
В основе работы любого электрического двигателя (электродвигателя) лежит фундаментальное явление, изученное в предыдущих параграфах: механическое действие магнитного поля на проводник с электрическим током (сила Ампера). Электрический двигатель — это техническое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую работу вращения вала.
Чтобы понять, как заставить проводник непрерывно вращаться, рассмотрим базовую физическую модель (рис. 159):
- Лёгкую прямоугольную рамку из медного провода ABCD закрепим на вертикальной оси так, чтобы она могла свободно поворачиваться между полюсами постоянного магнита — северным ($N$) и южным ($S$).
- К концам обмотки рамки прикреплены два металлических полукольца — коллектор (2 на рис. 159). К полукольцам упруго прижимаются две неподвижные контактные пластинки — щётки (1 на рис. 159), соединённые с полюсами источника постоянного тока: одна щётка всегда подключена к положительному полюсу, а другая — к отрицательному.
- При замыкании цепи по противоположным сторонам рамки AB и CD начинает течь ток во взаимно противоположных направлениях.
- Применив правило левой руки, определим направление сил Ампера, действующих на стороны рамки со стороны магнитного поля:
- На сторону AB действует сила, направленная «от нас» (вглубь рисунка).
- На сторону CD действует сила, направленная «на нас» (из плоскости рисунка наружу).
Под действием этой пары равных по модулю и противоположно направленных сил рамка испытывает крутящий момент и начинает поворачиваться по ходу часовой стрелки (если смотреть на неё сверху).
КОЛЛЕКТОР И ЩЁТКИ: СЕКРЕТ НЕПРЕРЫВНОГО ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ВРАЩЕНИЯ
Если бы концы рамки были наглухо припаяны к проводам источника питания, рамка повернулась бы на 90°, встала вертикально поперек магнитных линий и остановилась. В этом положении силы Ампера растягивали бы рамку в противоположные стороны вдоль одной прямой, и вращающий момент стал бы равен нулю (так называемая «мёртвая точка»).
Чтобы вращение не прекращалось, инженеры придумали гениальный электромеханический переключатель — коллектор со скользящими щётками:
- Когда рамка проходит вертикальное нейтральное положение (повернувшись на угол 90°), она не останавливается, а проскакивает эту точку по инерции.
- В этот самый момент вращающиеся вместе с осью металлические полукольца 2 меняются местами под неподвижными щётками 1. Полукольцо, касавшееся плюсовой щётки, теперь касается минусовой, и наоборот.
- В результате направление тока в сторонах рамки мгновенно меняется на строго противоположное!
- Из-за смены направления тока силы Ампера снова подхватывают стороны рамки и продолжают толкать их в том же направлении вращения.
Каждые пол-оборота коллектор автоматически переключает контакты, обеспечивая безостановочное однонаправленное вращение рамки до тех пор, пока в цепи есть ток.
УСТРОЙСТВО ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Простая одиночная рамка даёт слишком слабый и неравномерный толчкообразный крутящий момент. В реальных промышленных и бытовых электродвигателях постоянного тока конструкция значительно усовершенствована (рис. 160):
- Статор (индуктор):
- Это неподвижная внешняя часть двигателя (станина и корпус), создающая мощное рабочее магнитное поле.
- В мощных машинах магнитное поле создаётся не слабыми постоянными магнитами, а сильным электромагнитом, обмотка которого подключена к тому же источнику тока, что и подвижная часть двигателя.
- Ротор, или якорь электродвигателя (рис. 160):
- Это вращающаяся часть мотора, насаженная на центральный стальной вал.
- Основой якоря служит цилиндр, собранный из тонких пластин магнитомягкой электротехнической стали. Железный сердечник многократно усиливает магнитное поле внутри мотора и концентрирует силовые линии в рабочем зазоре.
- На боковой поверхности цилиндра выштампованы продольные пазы (прорези), в которые укладывают обмотку из множества витков изолированной медной проволоки, разделенную на отдельные секции.
- Концы каждой секции припаяны к соответствующим медным пластинам (ламелям) коллектора. Благодаря десяткам секций на якоре крутящий момент становится мощным, плавным и совершенно непрерывным.
- Рабочий вал:
- Проходит по центральной оси железного цилиндра и соединяется напрямую с приводимым в движение механизмом (колесом электровоза, шпинделем станка, крыльчаткой насоса или вентилятора).
ИЗОБРЕТЕНИЕ Б. С. ЯКОБИ И ТРИУМФ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Первый в мире электрический двигатель с непрерывным вращательным движением, пригодный для реальной практической работы, сконструировал выдающийся русский физик и академик Борис Семёнович Якоби (1801–1874) в Санкт-Петербурге в 1834 году.
До Якоби учёные пытались строить моторы с качающимися коромыслами по образцу паровых машин. Якоби первым понял, что естественным движением для электромагнитных сил является именно вращение. В 1838 году Борис Якоби установил свой двигатель на 14-вёсельный катер с гребными колёсами. Питаясь от гальванической батареи, катер Якоби развивал мощность около 550 Вт (0,75 л. с.) и уверенно плыл по Неве против бурного течения с 12 пассажирами на борту. Это историческое испытание доказало всему миру колоссальные перспективы электрической тяги.
ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕД ТЕПЛОВЫМИ МАШИНАМИ
Электродвигатели получили повсеместное распространение в промышленности, на транспорте и в быту благодаря ряду неоспоримых преимуществ перед тепловыми двигателями (паровыми машинами, турбинами и двигателями внутреннего сгорания):
- Рекордный коэффициент полезного действия (КПД):
КПД мощных промышленных электродвигателей достигает 90–98%. Для сравнения: КПД лучших автомобильных бензиновых и дизельных моторов редко превышает 25–40%, а остальная энергия бесследно теряется в виде паразитного тепла и выхлопных газов.
- Экологическая безупречность:
Электродвигатели не выбрасывают в окружающую среду ядовитых выхлопных газов, копоти, дыма и пара, не сжигают кислород в помещениях и городах. Именно поэтому электротранспорт (метро, трамваи, троллейбусы, электробусы) незаменим в современных мегаполисах.
- Компактность и малый вес:
При равной мощности электродвигатель в разы компактнее и легче любого теплового аналога.
- Автономность в обслуживании:
Электродвигателю не требуются постоянные запасы топлива, воды и моторного масла на борту. Мотор включается и выключается мгновенно простым нажатием кнопки или поворотом ключа, а максимальный крутящий момент выдаёт сразу же с первого оборота вала.
- Невероятный диапазон мощностей:
От долей ватта в карманных гаджетах, медицинских приборах, точилках для карандашей и электробритвах до сотен и тысяч киловатт на карьерных шагающих экскаваторах, скоростных электропоездах («Сапсан», «Иволга»), атомных ледоколах и прокатных станах металлургических комбинатов.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Принцип действия: Преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения вала под действием сил Ампера на проводник с током в магнитном поле.
- Правило левой руки: Позволяет определить направление механических сил, действующих на противоположные стороны рамки и создающих вращающий момент.
- Назначение коллектора и щёток: Коллектор (металлические полукольца на валу) и неподвижные контакты (щётки) автоматически меняют направление тока в рамке каждые пол-оборота, обеспечивая непрерывное однонаправленное вращение.
- Прохождение мёртвой точки (поворот на 90°): Вращающаяся рамка проскакивает нейтральное вертикальное положение по инерции.
- Устройство промышленного двигателя:
- Статор: неподвижная часть (мощный электромагнит), создающая поле.
- Якорь (ротор): вращающийся стальной сердечник с пазами, в которые уложена многовитковая медная обмотка.
- Вал: передаёт вращение рабочим механизмам.
- История: Первый практический электродвигатель непрерывного вращения построил русский академик Борис Семёнович Якоби в 1834 году (испытан на Неве в 1838 г.).
- Ключевые плюсы электродвигателей:
- КПД до 98% (в 2–3 раза выше тепловых двигателей).
- Полное отсутствие вредных выбросов и выхлопных газов на месте работы.
- Компактность и мгновенная готовность к пуску на полную мощность.
- Мощности от милливатт (в наручных часах и бритвах) до тысяч киловатт (на поездах и кораблях).