§ 57. Электрический двигатель

электромеханическое устройство, предназначенное для эффективного преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения рабочего вала:

• 1. Физический принцип действия — возникновение пары противоположно направленных сил Ампера, действующих со стороны постоянного магнитного поля на противоположные стороны замкнутой рамки (обмотки) с электрическим током.
• 2. Высокая энергоэффективность — современные промышленные электродвигатели обладают коэффициентом полезного действия (КПД), достигающим 95–98%, что в разы превосходит любые тепловые двигатели внутреннего сгорания.

вращающаяся часть конструкции электродвигателя, насаженная на центральный стальной вал:

• 1. Магнитный сердечник — цилиндр, набранный из листов магнитомягкой электротехнической стали с продольными пазами (прорезями) на боковой поверхности, служащий для максимальной концентрации и усиления магнитного потока.
• 2. Многовитковая обмотка — изолированные медные провода, плотно уложенные в пазы сердечника и подключенные секциями к пластинам коллектора.

неподвижная наружная часть электродвигателя, создающая сильное рабочее магнитное поле:

• 1. Конструкция — массивный стальной корпус с полюсными башмаками, снабженными мощными обмотками возбуждения (электромагнитами), питающимися от того же источника тока, что и якорь (или мощными постоянными магнитами в микродвигателях).
• 2. Роль поля — обеспечивает высокую и равномерную плотность магнитных линий в рабочем воздушном зазоре вокруг якоря.

электромеханический коммутационный узел, обеспечивающий автоматическое изменение направления тока в обмотке якоря при его вращении:

• 1. Коллектор — цилиндрическое кольцо, разрезанное на изолированные друг от друга медные сегменты (полукольца или ламели), жестко закрепленное на валу и вращающееся вместе с обмоткой.
• 2. Щетки — неподвижные скользящие контакты из графита или меди, прижатые пружинами к полукольцам коллектора и соединенные с клеммами источника питания.
• 3. Принцип коммутации — каждые пол-оборота при переходе рамкой нейтральной плоскости полукольца меняются местами под щетками, меняя направление тока в сторонах рамки на противоположное, что исключает застревание и обеспечивает непрерывное однонаправленное вращение.

исторический первый в мире электродвигатель с непрерывным вращательным движением, пригодный для практического использования, созданный русским физиком и академиком Борисом Семёновичем Якоби в 1834 году:

• 1. Конструктивные особенности — содержал две группы электромагнитов (неподвижные на станине и подвижные на вращающемся диске) и оригинальный кулачковый коммутатор.
• 2. Историческое испытание (1838 г.) — установленный на гребном катере, двигатель Якоби развивал мощность около 550 Вт и успешно перевозил 12 человек по Неве против сильного течения, доказав практическую перспективность электротяги.

Выдающийся русский физик, академик Петербургской академии наук и изобретатель в области электротехники, создавший первый в мире практически пригодный электрический двигатель с вращающимся рабочим валом.

• В 1834 году сконструировал первый в мире практически пригодный электродвигатель с вращающимся валом, доказав принципиальную возможность применения электромагнитных сил для совершения механической работы.
• Разработал ключевые узлы электромотора — неподвижную магнитную систему (статор), вращающийся сердечник с обмоткой (якорь) и коммутатор со скользящими щётками для циклического переключения тока.
• Прославился открытием гальванопластики и созданием первого буквопечатающего телеграфа, заложив основы отечественной электротехники и широкого внедрения электродвигателей в производство.

Работа электрического двигателя основана на механическом действии магнитного поля на проводник с электрическим током (явление возникновения силы Ампера).

Если поместить в магнитное поле замкнутую прямоугольную рамку с током, то на противоположные стороны рамки, по которым ток течет во взаимно противоположных направлениях, со стороны магнитного поля действуют две равные по модулю, но противоположно направленные силы. Эта пара сил создает суммарный вращающий момент, заставляющий рамку поворачиваться вокруг своей оси.

Принцип действия электродвигателя (по рис. 159 учебника):

• Легкая прямоугольная рамка $ABCD$ насажена на вертикальную ось и размещена в пространстве между северным ($N$) и южным ($S$) полюсами магнита. Концы обмотки рамки выведены на два изолированных металлических полукольца $2$, к которым прижаты неподвижные токоподводящие щётки $1$, соединенные с плюсом и минусом источника тока.
• При замыкании цепи ток течет по сторонам рамки $AB$ и $CD$ в противоположных направлениях.
• Согласно правилу левой руки, на сторону $AB$ действует электромагнитная сила, направленная «от нас» (вглубь рисунка), а на сторону $CD$ — сила, направленная «на нас» (наружу). Под действием этой пары сил рамка поворачивается по ходу часовой стрелки.
• Когда рамка совершает поворот на $90^\circ$ и проходит нейтральное положение, полукольца коллектора меняются местами под неподвижными щетками. В результате направление тока в сторонах рамки меняется на прямо противоположное.
• Направление сил Ампера вновь совпадает с направлением движения сторон, и рамка продолжает безостановочно вращаться в том же самом направлении.

1. Примеры использования электродвигателей:

• Бытовая техника и электроника: вентиляторы, пылесосы, стиральные машины, компрессоры холодильников, электробритвы, кухонные комбайны, электроинструменты (дрели, перфораторы, шлифмашины);
• Транспорт: трамваи, троллейбусы, поезда метрополитена, магистральные электровозы, скоростные поезда («Сапсан», «Ласточка»), электромобили и электробусы;
• Промышленность и строительство: приводы подъемных башенных кранов, шахтные подъемники, прокатные станы металлургических заводов, карьерные экскаваторы, конвейеры и станки.

2. Преимущества электродвигателей по сравнению с тепловыми:

• Экологическая чистота: не выбрасывают токсичных отработанных газов, дыма, сажи и пара, не сжигают кислород в атмосфере;
• Компактность и высокая удельная мощность: при одинаковой мощности имеют существенно меньшие габариты и массу;
• Эксплуатационное удобство: не требуют постоянного запаса топлива, смазочных масел и охлаждающей воды на борту, запускаются и реверсируются мгновенно простым нажатием кнопки;
• Рекордный КПД: коэффициент полезного действия мощных электромоторов достигает 95–98% (у двигателей внутреннего сгорания КПД обычно не превышает 30–40%).

Первый в мире практически пригодный электрический двигатель изобрел выдающийся русский физик, электротехник и академик Борис Семёнович Якоби в 1834 году.

В 1838 году Борис Якоби установил усовершенствованный мотор мощностью около 0,75 л.с. на 14-вёсельный катер с гребными колесами, который питался от гальванической батареи и успешно ходил по Неве против течения с 12 пассажирами.

Ответ:

• Направления сил в вертикальном положении ($90^\circ$):

В момент, когда плоскость рамки оказывается перпендикулярной линиям магнитного поля, согласно правилу левой руки, на верхнюю сторону рамки действует сила, направленная вертикально вверх, а на нижнюю сторону — равная ей сила, направленная вертикально вниз.

Обе силы действуют вдоль одной прямой в противоположные стороны, растягивая рамку. Плечо этих сил относительно оси вращения равно нулю, следовательно, вращающий момент сил в данном положении равен нулю. Кроме того, именно в этот момент щетки попадают на диэлектрический зазор между полукольцами коллектора, и ток в рамке на мгновение исчезает.

• Причина продолжения вращения:

Рамка не останавливается в мертвом положении благодаря явлению инерции: вращаясь с угловой скоростью, рамка по инерции проскакивает вертикальное положение. В этот же миг полукольца коллектора входят в контакт с противоположными щетками, по сторонам рамки начинает течь ток противоположного направления, и возникшие силы Ампера вновь подхватывают и ускоряют вращение в прежнем направлении.