Использование электрических приборов: электродрели, шуруповёрта, рубанка, пилы, блендера, мясорубки – позволяет облегчить ручной труд и сделать его более производительным. Одним из основных элементов этих приборов является электрический двигатель.
В промышленности, на транспорте и в быту широко используются специальные электрические машины – электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую. Электродвигатели могут работать от постоянного и переменного тока.Первый в мире электродвигатель создал русский учёный академик Борис Семёнович Якоби в 1838 году.
Электродвигатели приводят в движение и работу станки (электропривод), электрифицированный транспорт (электротяга), вентиляторы, барабан стиральных машин, плееры, магнитофоны и другие устройства. Электрические двигатели бывают маленькими и огромными, в зависимости от назначения и мощности. Перед другими видами двигателей (паровыми, внутреннего сгорания) электродвигатели имеют большие преимущества. При работе они не выделяют вредных газов, дыма или пара, не нуждаются в запасах топлива и воды, их легко установить в любом удобном месте (на стене, под полом трамвая или троллейбуса, в корпусе магнитофона или в колёсах лунохода).
Действие простейшего электродвигателя (коллекторного двигателя) постоянного тока основано на следующем физическом явлении: при протекании тока через проводник, который расположен в магнитном поле, на проводник действует механическая сила, стремящаяся сдвинуть этот проводник в сторону. При изменении направления тока направление действия механической силы меняется, и она стремится сдвинуть проводник в противоположную сторону. Если проводник заменить витком, то он будет поворачиваться в магнитном поле (рис. 1). Для увеличения вращающего момента виток заменяют катушкой.
Рис. 1. Принцип действия коллекторного электродвигателя
Модель простейшего коллекторного электродвигателя показана на рисунке 2.
Рис. 2. Устройство простейшего коллекторного двигателя: якорь электродвигателя начинает вращаться из-за отталкивания одноимённых полюсов якоря и статора. Коллектор вращается вместе с якорем
Каждый электродвигатель имеет статор – неподвижную часть и ротор – вращающуюся часть (рис. 3).Статор, представляет собой постоянный магнит, служит для создания постоянного магнитного поля. Ротор состоит из якоря и коллектора.
Простейший якорь — это электромагнит, состоящий из сердечника и обмотки. Коллектор, укреплённый на валу якоря, выполнен из двух полуколец, изолированных друг от друга и от вала двигателя. Каждый вывод обмотки якоря припаян к отдельному полукольцу. Электрический ток от источника (батарейки) подаётся в обмотку якоря через специальные скользящие контакты — щётки. Это две упругие металлические пластины, соединённые проводами с источником тока и прижатые к полукольцам коллектора. Якорь, как любой электромагнит, должен иметь северный и южный полюса. Как же они образуются?
Щётка, расположенная на рисунке 2 с левой стороны, соединяется с отрицательным зажимом батарейки, а щётка, расположенная справа, — с положительным. Поэтому электрический ток, проходя по обмотке якоря, делает одну его сторону северным полюсом, а другую — южным. Из рисунка видно, что северный полюс якоря расположен рядом с северным полюсом статора, а южный полюс якоря — рядом с южным полюсом статора. Благодаря отталкиванию одноимённых магнитных полюсов статора и якоря якорь начинает вращаться. Вместе с якорем поворачивается и коллектор (рис. 2).
Рис. 3. Схема коллекторного двигателя
Магнитное поле создаётся в статоре с помощью постоянных магнитов или электромагнитов. Через вращающуюся обмотку ротора должен протекать ток. Этот ток подводится к ротору через щётки и пластины коллектора – специального узла электродвигателя. Щётки расположены на статоре, а коллектор – на роторе.
Изменив направление тока ротора, можно изменить направление его вращения, т. е. осуществить реверсирование двигателя.
Коллекторные двигатели широко используются на транспорте (электропоездах, поездах метро, трамваях, троллейбусах), так как позволяют в широких пределах изменять скорость вращения ротора, следовательно, скорость движения электротранспорта.
Принципиальная электрическая схема цепи, содержащей источник питания, переменное сопротивление — реостат, предохранитель и двигатель постоянного тока, приведена на рисунке 4. Изменяя сопротивление реостата, можно менять скорость вращения ротора. Примерно это и делает водитель троллейбуса, изменяя скорость его движения.
Обратите внимание, что на электротехнических схемах, в отличие от схем, с которыми вы работаете на уроках физики, рядом с условным обозначением элемента цепи имеется дополнительное буквенное обозначение. Некоторые обозначения приведены в таблице 1
Таблица 1. Обозначения элементов цепи
При вращении якоря его северный полюс притягивается к южному полюсу статора. Однако ещё до момента сближения этих полюсов в результате взаимного притяжения полукольца коллектора, изменившие положение относительно щёток, изменяют полярность якоря. При этом изменяется направление тока в обмотке якоря. Таким образом, коллектор в электродвигателе является специальным переключателем, служащим для автоматического изменения направления тока в обмотке якоря. В результате изменения полярности якоря полюса снова отталкиваются друг от друга и вращение продолжается.
Вместо постоянного магнита для создания магнитного поля в двигателях обычно используют электромагниты.
Обмотку возбуждения можно подключать к источнику тока по-разному. В одних случаях её присоединяют к тем же зажимам источника, что и обмотку якоря, т. е. параллельно. Такое соединение показано на рисунке 5, а.
Рис. 5. Электродвигатель постоянного тока: а — с параллельным возбуждением, б — с последовательным возбуждением
Возможно и последовательное соединение якоря с обмоткой возбуждения (рис. 5, б).
Способ включения обмотки возбуждения относительно якоря отражается на свойствах электродвигателя.
При параллельном возбуждении число оборотов двигателя мало меняется с увеличением механической нагрузки на вал. Поэтому двигатели с параллельным возбуждением используют для привода станков. В двигателях с последовательным возбуждением число оборотов резко уменьшается с увеличением механической нагрузки на вал. Это свойство позволяет использовать такие двигатели на электрическом транспорте.
Электромагнитное возбуждение двигателя даёт возможность не только усилить магнитное поле по сравнению с полем постоянных магнитов, но и управлять его интенсивностью. Для этого необходимо изменять реостатом величину тока в цепи обмотки возбуждения (рис. 6, а), изменяя тем самым число оборотов двигателя.
Рис. 6. Схемы регулирования скорости в двигателях постоянного тока: а — путём изменения величины тока возбуждения; б — путём смены напряжения электропитания
Менять число оборотов двигателя можно и путём перемены напряжения на его зажимах (рис. 6, б). Однако надо помнить, что такой путь экономически менее выгоден, так как через реостат будет проходить весь ток двигателя, что создаёт дополнительные потери электрической энергии в реостате.
Настоящий рабочий электродвигатель по конструкции более сложен (рис. 7), чем рассмотренная модель.
Вместо постоянного магнита магнитное поле статора образуется мощными электромагнитами — магнитными полюсами двигателя. Обмотка 3 одного из полюсов, служащая обмоткой возбуждения, и сердечник 5 отмечены на рисунке 7. Обмотки полюсов соединяются между собой так, чтобы полюсные наконечники сердечников имели разную полярность, обращённую к якорю (рис. 8).
Рис. 8. Соединение обмоток полюсов двигателя постоянного тока: 1 — обмотка возбуждения, 2 — соединительный провод
Вращающийся ротор двигателя состоит из якоря и коллектора (рис. 9).
Чтобы увеличить коэффициент полезного действия электродвигателя (см. рис. 7), на сердечнике якоря 4 размещают несколько обмоток 6. Поэтому и коллектор 7 состоит не из двух полуколец, а из многих изолированных друг от друга и от вала двигателя медных пластин (рис. 7, б). Коллектор имеет гладкую внешнюю поверхность, на которую накладывают щётки. Щётки из графита прижимаются к коллектору с помощью пружин. Движение якоря передаётся по валу, а с него — непосредственно рабочим органам потребителя. Вал вращается в подшипниках 1, запрессованных в заднюю 2 и переднюю 8 крышки статора. Охлаждение электродвигателя обеспечивается вентилятором 10, крыльчатка которого закреплена на валу 9.
Кроме электродвигателей постоянного тока, в промышленности широко используются электродвигатели переменного тока. К ним относятся коллекторные двигатели переменного тока с электромагнитным возбуждением. В подобных двигателях магнитное поле статора создаётся током, протекающим через его обмотку, от электрической сети. Когда направление переменного тока меняется, изменяется направление магнитного поля статора. Одновременно изменяется направление тока ротора, поскольку обмотка ротора также подключена к электрической сети. В результате сила, вращающая ротор, не меняет направления, и ротор вращается.
Широкое применение получили асинхронные двигатели переменного тока. В этих двигателях статор создаёт вращающееся магнитное поле. Если поместить в это поле магнитную стрелку, она начнёт вращаться. Однако внутрь статора помещают не стрелку, а короткозамкнутый ротор (рис. 10). В нём возникают токи, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем статора и создающие вращающий момент. Ротор вращается. Эти двигатели широко используются для приведения в движение станков — токарных, фрезерных, сверлильных и других (электропривод станков), а также в электробытовых приборах.
Рис. 10. Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронного двигателя
Электродвигатели обладают очень интересной особенностью – обратимостью. Если вращать рамку (ротор), то в ней возникнет электрический ток. Таким образом, электродвигатель может работать в режиме генератора электрического тока.
Практическая работа № 1
Задание 1. Изучить устройство двигателя постоянного тока.
По плакатам, моделям и натурным образцам изучите устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя постоянного тока.
Определите название и назначение входящих в двигатель основных узлов и деталей.
Подготовьте таблицу по предлагаемой форме и занесите данные в соответствующие графы:
Задание 2. Собрать простейшую схему двигателя постоянного тока.
Начертите схему подключения двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов к источнику тока. В схеме предусмотрите использование выключателя для пуска двигателя.
После проверки разработанной схемы учителем соберите электрическую цепь и опробуйте двигатель в работе.
Измените направление вращения якоря двигателя.
Дополните разработанную схему реостатом для изменения напряжения на зажимах двигателя и вольтметром для измерения указанного напряжения.
После проверки схемы учителем соберите электрическую цепь.
Запустите двигатель и проследите, как изменение напряжения на зажимах двигателя влияет на число оборотов якоря.
Результаты наблюдений занесите в лабораторную тетрадь.
Отключите источник. Разберите схему.
Приведите рабочее место в порядок.
Практическая работа № 2
Инструменты и материалы: подковообразный магнит, батарейка на 4,5 В, кнопочный выключатель, медный провод Ø 0,6-0,8 мм и длиной 450 мм, деревянные планки и листовой металл для крепления магнита и проволочной рамки.
Задание. Собрать установку для демонстрации принципа действия электродвигателя.
Установите магнит на деревянной подставке так, чтобы один из его полюсов располагался непосредственно над другим (см. рис. 10).
Рис. 11. Устройство (а) и схема (б) для демонстрации движения проводника с током в магнитном поле: 1 — кнопочный выключатель, 2 — проводники к проволочной рамке, 3 — рамка, 4 — магнит
Соедините концы рамки последовательно с кнопочным выключателем и батарейкой (см. схему рис. 11), пользуясь гибким монтажным проводом из выданного комплекта.
После проверки учителем выполненных соединений замкните на мгновение контакты выключателя. Понаблюдайте за перемещениями рамки.
Поясните, почему проволочная рамка начинает качаться при замыкании собранной вами электрической цепи.
Как на основе проведённой демонстрации можно объяснить принцип действия электродвигателя постоянного тока?
Практическая работа № 3
Инструменты и материалы: блок питания, лампа накаливания, электродвигатель постоянного тока, переменный резистор, предохранитель, ключ, провода и перемычки, миллиамперметр, вольтметр..
Задание.Изучить устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока.
Порядок выполнения работы
1. Нарисуйте в тетради схему электрической цепи, содержащей источник питания, двигатель постоянного тока, элемент регулировки, предохранитель, ключ, электролампу для индикации силы тока, миллиамперметр (рис.12).
Рис. 12. Принципиальная схема электрической цепи
2. Соберите электрическую цепь. Изменяя значение сопротивления переменного резистора, определите, как связаны между собой скорость вращения ротора электродвигателя и сила потребляемого им тока.
3. Притормозите ротор электродвигателя рукой. Как изменяется сила потребляемого тока в ответ на увеличение нагрузки?
4. Поменяйте полярность подаваемого на электродвигатель напряжения. Изменилось ли при этом направление вращения ротора? Обесточьте цепь с помощью ключа SA. Внимательно наблюдая за лампой накаливания, включите электродвигатель. Сделайте вывод, как соотносятся между собой силы пускового и рабочего тока двигателя.
5. Проверьте, работает ли электродвигатель постоянного тока от источника переменного напряжения.
6. Разберите цепь. Подключите параллельно к электродвигателю вольтметр. Вращая рукой ротор двигателя сначала в одну, а потом в другую сторону, убедитесь в том, что теперь электродвигатель работает в качестве электрогенератора, т. е. преобразует механическую энергию в электрическую.
