Учебник для 8 класса

ТЕХНОЛОГИЯ

§ 46. Двигатели постоянного тока

Электрические двигатели служат для превращения электрической энергии в механическую. Первый в мире электродвигатель создал русский учёный академик Борис Семёнович Якоби в 1834 году.

Электродвигатели самых разных конструкций находят широкое применение в деятельности человека. На производстве и в быту электрические двигатели приводят в движение станки и механизмы, трамваи, троллейбусы, электровозы, доильные аппараты, приборы, игрушки и др. 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).

Рассмотрим устройство и принцип действия широко применяемого на производстве и в быту коллекторного электродвигателя. Модель простейшего коллекторного электродвигателя показана на рисунке 99. Неподвижная часть электродвигателя — статор, представляющий собой постоянный магнит, служит для создания постоянного магнитного поля. Вращающаяся часть электродвигателя — ротор — состоит из якоря и коллектора.

Рис. 99. Устройство простейшего коллекторного двигателя: якорь электродвигателя начинает вращаться из-за отталкивания одноимённых полюсов якоря и статора. Коллектор вращается вместе с якорем

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 99 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. 99).

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 100, а.

Рис. 100. Электродвигатель постоянного тока: а — с параллельным возбуждением, б — с последовательным возбуждением

Возможно и последовательное соединение якоря с обмоткой возбуждения (рис. 100, 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. 101, а), изменяя тем самым число оборотов двигателя.

Рис. 101. 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. 101, 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 ело жен (рис. 102), чем рассмотренная модель.

Рис. 102. Коллекторный электродвигатель постоянного тока: а — общее устройство: 1 — подшипники, 2 — задняя крышка статора, 3 — обмотка, 4 — якорь, 5 — сердечник, 6 — обмотки электромагнита, 7 — коллектор, 8 — передняя крышка статора, 9 — вал, 10 — вентилятор; б — медные пластины коллектора

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 102. Обмотки полюсов соединяются между собой так, чтобы полюсные наконечники сердечников имели разную полярность, обращённую к якорю (рис. 103).

Рис. 103. Соединение обмоток полюсов двигателя постоянного тока: 1 — обмотка возбуждения, 2 — соединительный провод

Вращающийся ротор двигателя состоит из якоря и коллектора (рис. 104).

Рис. 104. Ротор двигателя постоянного тока: 1 — щётки, 2 — коллектор, 3 — соединительные проводники, 4 — обмотка якоря, 5 — вал

Чтобы увеличить коэффициент полезного действия электродвигателя (см. рис. 102), 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. 102, 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.

Практическая работа № 37

Задание 1. Изучить устройство двигателя постоянного тока.

1. По плакатам, моделям и натурным образцам изучите устройство и принцип действия коллекторного электродвигателя постоянного тока.
2. Определите название и назначение входящих в двигатель основных узлов и деталей.
3. Подготовьте таблицу по предлагаемой форме и занесите данные в соответствующие графы:

Задание 2. Собрать простейшую схему двигателя постоянного тока.

1. Начертите схему подключения двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов к источнику тока. В схеме предусмотрите использование выключателя для пуска двигателя.
2. После проверки разработанной схемы учителем соберите электрическую цепь и опробуйте двигатель в работе.
3. Измените направление вращения якоря двигателя.
4. Дополните разработанную схему реостатом для изменения напряжения на зажимах двигателя и вольтметром для измерения указанного напряжения.
5. После проверки схемы учителем соберите электрическую цепь.
6. Запустите двигатель и проследите, как изменение напряжения на зажимах двигателя влияет на число оборотов якоря.
7. Результаты наблюдений занесите в лабораторную тетрадь.
8. Отключите источник. Разберите схему.
9. Приведите рабочее место в порядок.

Практическая работа № 38

Инструменты и материалы: подковообразный магнит, батарейка на 4,5 В, кнопочный выключатель, медный провод 00,6-0,8 мм и длиной 450 мм, деревянные планки и листовой металл для крепления магнита и проволочной рамки.

Задание. Собрать установку для демонстрации принципа действия электродвигателя.

1. Установите магнит на деревянной подставке так, чтобы один из его полюсов располагался непосредственно над другим (см. рис. 105).

Рис. 105. 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

2. Соедините концы рамки последовательно с кнопочным выключателем и батарейкой (см. схему рис. 105), пользуясь гибким монтажным проводом из выданного комплекта.
3. После проверки учителем выполненных соединений замкните на мгновение контакты выключателя. Понаблюдайте за перемещениями рамки.
4. Поясните, почему проволочная рамка начинает качаться при замыкании собранной вами электрической цепи.
5. Как на основе проведённой демонстрации можно объяснить принцип действия электродвигателя постоянного тока?

Новые слова и понятия

Коллекторный двигатель, якорь, статор, ротор, щётки, обмотка возбуждения.

Проверяем свои знания

1. Где применяются электродвигатели постоянного тока?
2. Как устроен простейший двигатель постоянного тока?
3. Назовите основные части коллекторного электродвигателя и расскажите об их назначении.
4. Поясните устройство и принцип действия коллектора.
5. Для чего в коллекторном электродвигателе применяется электромагнит?
6. Какими способами можно подключить к источнику тока обмотку возбуждения электродвигателя? Как это отражается на свойствах двигателя?
7. Как можно изменить скорость вращения якоря двигателя постоянного тока?