§ 57. Электрический двигатель

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):

1. 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 ($S$).
2. 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.
3. При замыкании цепи по противоположным сторонам рамки AB и CD начинает течь ток во взаимно противоположных направлениях.
4. 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):

1. 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.
2. 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.
3. 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.