Действующая модель простейшего электромагнитного двигателя

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Действующая модель простейшего электромагнитного двигателя

Карапетян Д.А. 1
1Лицей №7 БМАОУ
Леонова М.В. 1
1Берёзовское муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей №7» имени А.А Лагутина
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Двадцать первый век, век современных технологий. И нет ни одного современного предприятия, где бы не использовали электродвигатели. Оглянитесь вокруг, они получили повсеместное распространение. Эти сложные механизмы окружают нас везде, сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих нас в повседневной жизни, на работе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты, компьютеры – вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели.

И у меня появился вопрос: «А смогу ли я изучить историю и принцип действия электродвигателя и создать его простейшую стартовую точку?». Данный вопрос мы пока не изучали на уроках физики, но мне стало интересно разобраться в этом самому!

Актуальность: В современном мире нет такой отрасли, где не использовалось бы электрическое оборудование, и большинство этих оборудований оснащены электродвигателями. Поэтому мне стало интересно о их устройстве, истории развитии и значении в жизни человека.

Гипотеза: если изучить устройство и принцип действия электромагнитного двигателя, то я смогу изготовить его действующую версию в домашних условиях, используя простейшие материалы.

Цель: самостоятельно изготовить действующую модель простейшего электромагнитного двигателя.

Задачи:

  1. Изучить историю создания электродвигателя.

  2. Познакомиться с устройством электромагнитного двигателя, изучить принцип его работы.

  3. Подобрать необходимые материалы для изготовления действующей модели электромагнитного двигателя.

  4. Самостоятельно изготовить собственную действующую модель простейшего электромагнитного двигателя.

  5. Определить области практического применения электромагнитного двигателя в современной жизни.

Объект исследования: электромагнитные двигатели

Предмет исследования: действующие модели простейших электромагнитных двигателей.

  1. Теоретическая часть. История создания электродвигателя. Обзор литературы и интернет-источников по изучаемому вопросу.

Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство. История электродвигателя - сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея стал толчком для большинства ученых, изобретатели электродвигателя получили лучик надежды.

    1. Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники. При изучении истории создания электродвигателей я обратил внимание на то, что многие ученые старательно проводили опыты, которые позволили бы электромагнитную энергию преобразовать в электрическую. Для этого необходимо было сначала создать те элементы (узлы, устройства), которые позволили это сделать. Ниже приведена информация в хронологическом порядке авторов, - ученых физиков и химиков, которые своими работами и открытиями способствовали созданию электродвигателей.

1800 год, итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.

1820, датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

1821, британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей придумал вращающийся проводник Фарадея, создал первый электродвигатель Фарадея. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.

1822, французский физик, Андре Мари Ампер Ампер открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.

1822, английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.

1825, французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.

1825, британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.

1827, венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов. Эту машину называли вращающееся устройство Йедлика.

1831, английский физик Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.

1831, американский физик Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

1832, француз Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.

1833, британский физик Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.

1833, российский физик (немецкого происхождения) Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.

    1. Первые реальные электрические двигатели

1834 март, немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту.

1834 год, работа продолжается до1836-1837, американский кузнец и изобретатель Томас Дэвенпорт, проводя эксперименты с магнитами, создает свой первый электромотор в июле 1834 года. В декабре этого же года он впервые продемонстрировал свое изобретение. В 1837 году Дэвенпорт получил первый патент (патент США №132) на электрическую машину.

1839, Якоби, используя электродвигатель питающийся от 69 гальванических элементов Грове и развивающий 1 лошадиную силу, в 1839 г. Якоби построил лодку способную двигаться с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое практическое применение электродвигателя.

1837-1842, шотландский изобретатель Роберт Дэвидсон, занимался разработкой электродвигателя с 1837 года. Он сделал несколько приводов для токарного станка и моделей транспортного средства. Дэвидсон изобрел первый электрический локомотив.

1856, немецкий инженер, изобретатель, ученый, промышленник, основатель фирмы Siemens, Вернер фон Сименс изобрел электрический генератор с двойным T-образным якорем. Он первый разместил обмотки в пазах.

1861-1864, британский физик, математик и механик Джеймс Клерк Максвелл обобщил знания об электромагнетизме в четырех фундаментальных уравнениях. Вместе с выражением для силы Лоренца уравнения Максвелла образуют полную систему уравнений классической электродинамики.

1871-1873, бельгийский изобретатель Зеноб Теофил Грамм, устранил недостаток электрических машин с двух-Т-образным якорем Сименса, который заключался в сильных пульсациях вырабатываемого тока и быстром перегреве. Грамм предложил конструкцию генератора с самовозбуждением, который имел кольцевой якорь.

1885, итальянский физик и инженер, Галилео Феррарис, изобрел первый двухфазный асинхронный электродвигатель. Однако Феррарис думал, что такой двигатель не сможет иметь КПД выше 50%, поэтому он потерял интерес и не продолжал улучшать асинхронный электродвигатель. Считается, что Феррарис первым объяснил явление вращающегося магнитного поля.

1887, американец сербского происхождения, изобретатель Никола Тесла, работая независимо от Феррариса, изобрел и запатентовал двухфазный асинхронный электродвигатель с явно выраженными полюсами статора (сосредоточенными обмотками). Тесла ошибочно считал, что двухфазная система токов оптимальна с экономической точки зрения среди всех многофазных систем.

1889-1891, русский электротехник польского происхождения, Михаил Осипович Доливо-Добровольский, прочитав доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле изобрел ротор в виде «беличьей клетки». Дальнейшая работа в этом направлении привела к разработке трехфазной системы переменных токов и трехфазного асинхронного электродвигателя, получившего широкое применение в промышленности и практически не изменившегося до нашего времени.

Широкое внедрение электромеханических устройств в России начинается после Октябрьской революции 1917 года, когда электрификация всей страны стала основой технической политики нового государства. Можно сказать, что XX век стал веком становления и широкого распространения электромеханики.

    1. Выбор между двухфазной и трехфазной системой

Доливо-Добровольский справедливо считал, что увеличение числа фаз в двигателе улучшает распределение намагничивающей силы по окружности статора. Переход к трехфазной системе от двухфазной уже дает большой выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как приводит к значительному увеличению расходов металла на провода.

Таким образом, трехфазная система токов, предложенная Доливо-Добровольским была оптимальной для передачи энергии. Она практически сразу нашла широкое применение в промышленности и до наших дней является основной системой передачи электрической энергии во всем мире.

    1. Жизнь и история. Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби

Мориц Герман Якоби родился 9 (21) сентября 1801 года в Потсдаме в состоятельной еврейской семье. Отец будущего физика, Шимон Якоби (1772-1832), уроженец Белица, был личным банкиром короля Пруссии Фридриха Вильгельма III; мать, Рахель Леман (1774-1848), была домохозяйкой. Из-за отсутствия в Потсдаме гимназии, готовившей к поступлению в университет, обучался дома, под руководством брата матери – дяди Лемана. С 1 (13) апреля 1819 года по 29 февраля (12 марта) 1820 года отбывал воинскую повинность как вольноопределяющийся. В январе 1821 года сдал вступительные испытания в Берлинский университет; по решению родителей поступил на строительный факультет, затем перешёл в Гёттингенский университет. В 1823 году стал членом Бранденбургского экономического общества, созданного в Потсдаме. По окончании университетского курса (1829?) в Гёттингене до 1833 года он работал архитектором в строительном департаменте Пруссии.

В 1834 году переехал в Кёнигсберг, где в университете преподавал его младший брат Карл Якоби. Увлечения физикой привели Якоби к серьёзному изобретению – первому в мире электродвигателю с непосредственным вращением рабочего вала. В 1834 году он создал электродвигатель, основанный на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. Коллекторный электродвигатель постоянного тока конструкции Б. С. Якоби: A – рабочий вал на опорах, C – щёточно-коллекторный узел, S – четырёхполюсный ротор, Т – четырёхполюсный статор.

В ноябре того же года Якоби направил рукопись с описанием своего электродвигателя в Парижскую академию наук. Изобретение демонстрировалось на заседании Академии, после чего летом 1835 года Якоби опубликовал подробное научное описание принципов его работы. Таким образом, о построенном в мае 1834 года в Кёнигсберге двигателе стало широко известно в декабре 1834 года. В наши дни действующая модель электродвигателя Якоби хранится в Политехническом музее в Москве.

Работы Якоби были высоко оценены В. Я. Струве и П. Л. Шиллингом, и по их рекомендации Якоби в 1835 году был приглашён на должность профессора в Дерптский университет на кафедру гражданской архитектуры. В этом же году Якоби опубликовал «Мемуар о применении электромагнетизма для движения машин», вызвавший большой интерес в академических кругах.

Его научно-техническое творчество было многообразным. Якоби изобрёл приборы для измерения электрического сопротивления, названных им вольтагометром. В 1838 году он сделал своё самое замечательное открытие, а именно открыл гальванопластику, положив начало целому направлению прикладной электрохимии.

Значительные успехи были достигнуты в области телеграфии. Якоби сконструировал около 10 типов различных телеграфных аппаратов, среди них – телеграфный аппарат синхронного действия с непосредственной (без расшифровки) индикацией в приёмнике передаваемых букв и цифр и один из первых в мире[a] буквопечатающих телеграфных аппаратов (1850). Руководил строительством первых подземных телеграфных кабельных линий, что заставило провести исследования в области изоляционных материалов. Линии пишущего телеграфа соединили кабинет императора Николая I в Зимнем дворце с кабинетом военного министра в здании Главного штаба (1841), с Главным управлением путей сообщения (1842). На 25-километровой подземной телеграфной линии, построенной в 1843 году и соединившей Зимний дворец с Александровским дворцом в Царском Селе, был применён принцип трансляции сигналов при помощи электромагнитных реле. К сожалению, работы Б. С. Якоби в области электрической телеграфии были засекречены по распоряжению императора Николая I, что привело к утрате российского приоритета в этой области и обусловило многолетнюю практику закупок русской армией иностранного, а не отечественного радиотелеграфного оборудования.

В российской военной истории Борис Якоби остался как один из ведущих изобретателей гальванических батарей и морских противокорабельных мин нового типа, в том числе самовоспламеняющихся (гальваноударных) мин, мин с запалом от индукционного аппарата.

С 1839 года он состоял членом «Комитета о морских минах», работая в котором добился больших успехов. К началу Крымской войны в русском флоте было на вооружении уже несколько тысяч морских мин, которые были выставлены на массированных минных заграждениях на подступах к Кронштадту и другим крепостям. Подрыв на них 4-х британских пароходов 8 (20) июля 1855 года сорвал план англо-французской эскадры по нападению на Кронштадт.

Якоби был инициатором формирования гальванических команд в сапёрных частях русской армии; 13 (25) сентября 1838 года на Неве под руководством Якоби были проведены испытания первого в мире электрохода – шлюпки, движимой электрической силой. Двигатель шлюпки, созданный учёным, питался от батареи, состоявшей из 320 гальванических элементов. На первых испытаниях лодка плавала по реке вверх и вниз, покрыв за 7 часов расстояние в 14 км и показав таким образом среднюю скорость 2 км/ч.

Работы Якоби получили заслуженное признание: в 1839 году он был утверждён в звании адъюнкта Императорской академии наук, через три года стал экстраординарным, а в 1847 году – ординарным академиком. За изобретение гальванопластики Б. С. Якоби в 1840 году удостоен Демидовской премии в размере 5 000 рублей. В 1867 году награждён Большой золотой медалью на Всемирной выставке в Париже, где представлял Россию в международной комиссии для выработки общих единиц мер, весов и монет, отстаивая преимущества метрической системы. Последние годы жизни заведовал Физическим кабинетом Петербургской академии наук. Также продолжительное время нёс обязанности члена мануфактурного совета при Министерстве финансов. Борис Семёнович Якоби умер 27 февраля (11 марта) 1874 года в Санкт-Петербурге от сердечного приступа и был похоронен на Смоленском лютеранском кладбище (уч. 15), могила является памятником истории и культуры.

1.5. Устройство и принцип действия электродвигателей

Современные электродвигатели представляют собой устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую работу. Существует несколько основных типов электродвигателей, каждый из которых имеет свою конструкцию и принцип работы. Рассмотрим основные типы двигателей и их устройство.

А) Асинхронный двигатель (индукционный двигатель)

Асинхронные двигатели являются наиболее распространенными среди всех видов электрических машин благодаря своей простоте конструкции и надежности. Основные компоненты асинхронного двигателя включают:

Статор – это неподвижная часть двигателя, состоящая из сердечника, выполненного из тонких листов электротехнической стали, и обмоток, расположенных в пазах сердечника. Обмотки статора подключаются к источнику переменного тока.

Ротор – это вращающаяся часть двигателя, расположенная внутри статора. Роторы бывают двух типов: короткозамкнутый ("беличья клетка") и фазный ротор. Короткозамкнутый ротор состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых кольцами на концах. Фазный ротор содержит обмотки, аналогичные обмоткам статора, и соединяется через контактные кольца и щетки с внешним сопротивлением.

Принцип работы заключается в создании вращающегося магнитного поля в статоре, которое индуцирует ток в роторе, заставляя его вращаться. Скорость вращения ротора немного отстает от скорости вращения магнитного поля, отсюда название – асинхронный.

Б) Синхронный двигатель

Синхронные двигатели работают с постоянной скоростью, равной частоте питающего напряжения. Они состоят из следующих компонентов:

Статор, как и в асинхронном двигателе, содержит обмотки, создающие вращающееся магнитное поле.

Ротор состоит из постоянных магнитов или электромагнитов, питаемых постоянным током через контактные кольца и щетки. Постоянные магниты используются в небольших двигателях, тогда как электромагниты применяются в крупных машинах. Магнитное поле ротора синхронизируется с полем статора, обеспечивая постоянную скорость вращения.

В) Двигатель постоянного тока

Двигатели постоянного тока также делятся на два типа: коллекторные и бесколлекторные.

  • Коллекторный двигатель: одержит стационарные обмотки возбуждения (статор), вращающуюся обмотку якоря (ротор) и коллектор, который обеспечивает переключение тока между секциями обмотки якоря.Работа такого двигателя основана на взаимодействии магнитного поля статора и тока в обмотке якоря. Коллектор необходим для изменения направления тока в обмотке якоря, чтобы поддерживать постоянное направление крутящего момента.

  • Бесколлекторный двигатель: представляет собой усовершенствованный вариант двигателя постоянного тока, где роль коллектора выполняют электронные коммутаторы. Эти двигатели имеют три фазы, и управление осуществляется микроконтроллером, который регулирует подачу питания на обмотки в зависимости от положения ротора.

Г) Шаговый двигатель

Шаговые двигатели используются там, где требуется точное позиционирование. Они преобразуют электрические импульсы в механические перемещения ротора. Основные элементы шагового двигателя:

Статор: обычно содержит постоянные магниты или электромагниты.

Ротор: Выполнен из ферромагнитного материала или содержит постоянные магниты.

Управление двигателем осуществляется подачей последовательности импульсов на обмотки статора, что вызывает пошаговое вращение ротора. Таким образом, рассмотрев виды электродвигателей, можем выделить основные условия для создания электродвигателя. Основной принцип работы электродвигателя заключается в ее электромагниной индукции. Подвижная и не подвижная части устройства контактируют друг с другом электромагнитными полями, тем самым создавая вращающийся момент, то есть электрическая энергия превращается в механическую.
1.6.Области применения электродвигателей

Область применения некоторых современных электродвигателей очень велика. Рассмотрим только два основных и важных направления, особенно развивающихся в последние десятилетия.

Транспорт. Электромагнитный двигатель в машинах – это агрегат который конвертирует электрическую энергию в механическую, благодаря магнитной индукции. Принцип действия заключается в том, что при подаче электроэнергии на медной обмотке статора и ротора возникают взаимоотталкивающие поля, которые позволяют двигать ротор относительно не подвижного статора.

Космос. Большинство спутников, летающих на малой орбите, в основном используют электромагнитный двигатель. Он работает за счет преобразования электрического тока от постоянного источника на борту космического аппарата в кинетическую энергию. Но также существует технология, в которой электромагнит двигателя взаимодействует с магнитным полем Земли, что позволяет выводить отработавшие свой срок космические летательные аппараты в плотные слои атмосферы для их уничтожения.

2. Практическая часть. Изготовление действующей модели простейшего магнитоэлектрического двигателя из подручных средств

Изучив историю, устройство и принцип действия различных видов электродвигателей, пришло время использовать полученные знания на практике. Я буду собирать простейший тип электромагнитного двигателя в домашних условиях.

Подготовка материалов для изготовления простейшего типа электромагнитного двигателя в домашних условиях. Для этого мне понадобится одна батарейка (например, типа AA или AAA), медная проволока длиною около 25-30 сантиметров (лучше всего использовать изолированную проволоку диаметром около 0,5 мм), и неодимовые (сильные) постоянные магниты 3-4 штуки.

Для начала необходимо изготовить специальную деталь для работы нашего двигателя. Берем медную проволоку и отрезаем 25 (см), затем с помощью плоскогубцев делаем, так скажем, «рамочку». Затем устанавливаем медную раму к катоду батареи. Рамочка обязательно должна как бы обхватывать магниты, лежащие снизу батарейки, но при этом сильно не соприкасаясь.

Запуск двигателя. Когда мы подключаете катушку к батарейке, через неё начинает течь электрический ток, создавая электромагнитное поле. Это поле взаимодействует с полем магнита, заставляя катушку вращаться. Если катушка не вращается сразу, то необходимо изменить полярность подключения проводов или слегка наклонить катушку относительно магнита.

Описание работы самодельной модели простейшего типа электромагнитного двигателя: сквозь магниты проходит электрический ток, по участку медной проволоки, который располагается между двумя магнитами, течёт электрический ток. Вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Таким образом, упорядеченно движующиеся частицы отклоняются от своей траектории, начинают двигаться по окружности, тем самым приводя проволоку в движение. При воздействии на него магнитным полем траектория частиц отклоняются по правилу «левой руки» это значит, что, когда направление движения частиц перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, то частицы движутся по окружности. Именно это явление приводит рамочку в движение. Собранное устройство наглядно показывает, как электричество и магнетизм могут быть использованы для создания движения.

Заключение: В заключение следует сказать, что человечество не сможет проживать без электродвигателей, так как они являются источниками тепла и продуктами промышленных предприятий. Без электродвигателей, наука не будет достигать тех результатов, которые требует жизнь.

Считаю, что поставленные мною цели и задачи выполнены, а гипотеза, которую я поставил в начале выполненного проекта, подтверждена.

Практическая значимость проекта: использование данного проекта в образовательных целях – в ходе проведения уроков или различных мероприятий. Перспективы развития проекта: 1. рассчитать коэффициент полезного действия представленной модели; 2. сравнение преимущества электродвигателя перед другими, например, тепловыми двигателями.

Список литературы и интернет ресурсов:
1. Физика : 8-й класс : учебник / И.М. Перышкин, А.И. Иванов. - 2-е издание, стер. - Москва: Просвещение, 2022. - 255, [1] с. : ил.

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_двигательhttps://ru.ikipedia.org/wiki/Магнитное_поле https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитное_взаимодействие

  2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_тока

  3. https:/ru.wikipedia.org/wiki/Магнитное_поле

  4. https:/ru.wikipedia.org/wiki

  5. https:/ru.wikipedia.org/wiki/Магнитное поле

Приложение 1.

Этапы развития электромагнитных двигателей.

На первом этапе своего развития электродвигатели напоминали по устройству паровые машины. Так, например, двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджа (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в соленоидах, заменявших собой цилиндр). На схематическом рисунке 1 представлен первый электродвигатель Пейджа.

Фото 1. Электродвигатель Пейджа

П. Барлоу предложил «колесо Барлоу». Оно состояло из постоянного магнита и зубчатых колес, скользящий контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента.

Фото 2. «Колесо Барлоу»

Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (4 электромагнита) располагались на неподвижной раме, а другая аналогичная – на вращающемся диске. В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности электромагнитов использовался простейший коммутатор. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и тоже направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала, следовательно, изменялась их полярность, и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

Такой двигатель получил название явнополюсного электродвигателя Якоби и был вполне работоспособным. В 1838 г. этот двигатель на 0,5 кВт был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

Фото 3. Первый в мире электродвигатель Б.С. Якоби

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

– применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;

–электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.

Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.). Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным.

Фото 4. Электродвигатель Пачинотти. 1,2 – электромагниты, 3,4 – полюсные наконечники электромагнитов, 5 – ротор, 6 – кольцевая обмотка якоря, 7 – коллектор, 8 – ролики, подводящие ток к колектору.

Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время. Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался. Таким образом, общими усилиями множества ученых разных стран, на протяжении более полувека создавалась конструкция, которую можно назвать электродвигателем.

Просмотров работы: 23