Проектная работа «Электродвигатель»

Оглавление

Введение

В 21-ом веке электродвигатели имеют особое место в нашей жизни. Оглянитесь вокруг – они получил практически повсеместное распространение. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих нас в повседневной жизни, на работе, в школе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты, компьютеры – вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели. И мне стало интересно, как они устроены и получится ли у меня самостоятельно собрать свою модель электродвигателя.

И я решил познакомиться с историей и устройством электродвигателя, самостоятельно изготовить его модель.

Для достижения цели своей работы мне необходимо решить следующие задачи:

Познакомиться с историей развития электродвигателя;

Выяснить принципы работы электродвигателя;

Изучить область применения электродвигателей;

Изготовить модель электродвигателя.

История

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.). Он 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.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: 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).

Электродвигатель Пэйджа

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.

«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 (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

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.

Электродвигатель А. Пачинотти

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.

Устройство и принцип работы

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода.

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки. Эта сила называется «амперовой».

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из статора и ротора (якоря), разделенных воздушным зазором.

Статор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах — специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя.

Итак, современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе.

Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Характеристики электродвигателя

На данный момент электродвигатели имеют следующие характеристики. Максимальная мощность измеряется в Ваттах. Этот параметр зависит от конструкции, материала изготовления, и технологии создания. Несколько двигателей имеющие одинаковую массу и размер могут иметь различную мощность исключительно из-за технологии производства. Как правило, именно этот параметр задает ценовую категорию для двигателя. Далее рассматривают номинальное напряжение и ток, а так же сопротивление обмотки, эти параметры неизменно влияют друг на друга. При более низком сопротивлении, возрастает максимальное значение силы тока. Третьей характеристикой являются номинальные обороты в минуту. Конструкция современного двигателя направлена на получение более высоких оборотов, или же наивысшего момента на валу. Следовательно, двигатель с большим диаметром имеет увеличенный высокий момент и уменьшенные обороты.

Виды электродвигателей

По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.

Асинхронный двигатель.

Устройство асинхронного двигателя

На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.

Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым.

Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.

Синхронный двигатель.

Устройство синхронного двигателя

Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.

В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей.

Особенности электродвигателя, его достоинства и недостатки

На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.

Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления. Электродвигатель переменного тока менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.

Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.

Модель электродвигателя

Во всяком моторе есть две части: неподвижная — статор и подвижная — ротор. Ротором будет ось с полосками и прерывателем тока.

Для оси подберем вязальную спицу (размеры на чертеже). Полоски ротора (3 шт.) вырежем из жести (размеры на чертеже). В центре каждой полоски сделаем отверстие по толщине оси. Собираем их все на оси и оборачиваем изолентой. Прерыватель состоит из двух частей: небольшая рамка из жести на оси и полоска жести, укрепленной на фанере.

Из фанеры выпиливаем основание мотора (размеры на чертеже). Вырезаем полоску из жести, которая является основанием для оси с полосками (якоря) (размеры на чертеже), устраиваем ее в виде буквы П. Для статора берем два шурупа длиной по 4 см и вворачиваем в фанеру. Сделаем опору из полосок жести (3 шт.) (размеры на чертеже), которая выполняет две функции: магнитопровод, для соединения болтов, и нижняя опора для якоря. Переходим к изготовлению самой трудной части мотора — электромагниту. Для основания электромагнита нужно сделать две катушки, на которые было бы удобно наматывать проволоку. Я обратился за помощью к учителю технологии Звереву Владимиру Михайловичу, и мы на токарном по дереву станке изготовили две катушки. Наматываем медную лакированную проволоку на катушки примерно 300 витков. Катушки с проволокой помещаем на болты в основании и закрепляем.

Ставим все части электродвигателя на места. Регулируем полоски ротора на оси, все надежно закрепляем. Начинаем испытания. Наш электродвигатель получился слабым, так как заводится с ручного стартера, а остальное время якорь двигается по инерции. Это объясняется тем, что ток протекает по обмоткам не все время: ротор лишь четверть оборота включен, четверть оборота выключен , потом опять четверть оборота, чтобы включить, четверть оборота , чтобы выключить. Наш электродвигатель имеет небольшую мощность, но самое главное он работает.

Опора

Ось

Основание

Пластина якоря

Скоба

Применение

Без электроники сегодня никуда. С каждым днем количество приборов, работающих от электричества, всё возрастает. Электродвигатели получили широкое применение не только во многих отраслях промышленности, но и в предметах и устройствах, окружающих нас каждый день, так как простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными. Фены, вентиляторы, насосы, некоторые виды транспорта — вот лишь некоторый перечень устройств, работающих не без помощи электродвигателей. Относительной простотой конструкции и надежностью в эксплуатации отличаются именно асинхронные электродвигатели. Они хорошо используются в приводах деревообрабатывающих, металлообрабатывающих и других видов станков, кузнечнопрессовых, грузоподъемных, ткацких, швейных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, в ручном электроинструменте, в центрифуге, в лифтах, в бытовых приборах и т.д. однако имеют ограниченный диапазон частоты вращения и низкий коэффициент мощности при малых оборотах.

Крановые электродвигатели применяются в жилищном и капитальном строительстве, в горнодобывающей и металлургической промышленности, энергетике, на транспорте. Одним из видов транспорта, где используются электродвигатели, является метро.

Со временем мощность электродвигателей выросла от пятидесяти ватт до двухсот киловатт. Притом новые модели электродвигателей имеют сравнительно небольшие габариты: они выглядят, примерно, как швейная машинка. Более того, новые электродвигатели могут разгоняться до десятков тысяч оборотов в минуту за считанные секунды. Согласитесь, время не стоит на месте, техника совершенствуется и имеет уже более широкие возможности.

Заключение

Жизнь современного человека немыслима без использования электродвигателей. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, электромясорубке, кухонном комбайне, кофемолке, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками. Трудно представить, что каких-то 150 лет назад человечество даже не знало о возможности существования электродвигателя.

Задачи, поставленные мною в начале работы, были решены, цель достигнута.

Познакомился с историей электродвигателей, узнал, что, как выглядели первые двигатели, как они работали и какие ученые работали над созданием электромагнитных двигателей.

Изучил область применения электродвигателей, и узнал, что они получили широкую область применения.

Изготовил модель электродвигателя.

Проведя большую работу по изучению литературы о создании первых электродвигателей, о физических принципах их работы, о внедрении их сегодня во все отрасли жизни, я могу с уверенностью сказать, что электродвигатель является одним из величайших изобретений человека.

Процесс сбора и изучения информации, а так же изготовление модели мне были очень интересны, результатом проделанной работы доволен. Я, что мою работу можно использовать в 8 и 9 классе при изучении электромагнитных явлений.

Список литературы

https://www.youtube.com/watch ?v=NTom7GHt5BY

Самодельные электрические и паровые двигатели. А. Абрамов, П. Хлебников, Государственное издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР.

http://energo- vesta.com.ua/statiya/46-istoriya.html

Разбираемся в принципах работы электродвигателей: преимущества и недостатки разных видов

http://jelektro. ru/elektricheskie-terminy/ustrojstvo-rabota-jelektrodvigatelja.html

http://electricalschool.info/main/osnovy/1603-principy-dejjstvija-i-ustrojjstvo.html

Администрация Шарангского муниципального района Нижегородской области

МБОУ Кушнурская СШ

Научно-практическая конференция

«Планета открытий»

Секция: физика

Номинация «Применение законов физики в природе, быту»

Исследовательская работа

Электродвигатель

Автор работы: ученик 8 класса

МБОУ Кушнурской СШ

Суслов Михаил,14 лет.

Руководитель: Краснов Владимир Владимирович,

учитель физики МБОУ Кушнурской СШ

2017

Опубликовано 04. 12.18 в 13:27 в группе «Проектно-исследовательская деятельность на уроках физики»

Проект Электродвигатель — наш помощник

Муниципальное
общеобразовательное бюджетное учреждение

«Средняя
общеобразовательная школа» №3

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ
ПРОЕКТ

на
тему

«Электродвигатель – помощник человека»

по
дисциплине

«
физика»

Обучающиеся:  Дмитриенко Виктор и Дмитриенко Юрий

Класс  9А

Руководители проекта  Т.Г. Ковалева, Л.А.Боярченко

(инициалы,
фамилия)

Арсеньевский городской округ

2020

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………. .…………………………………………2

ГЛАВА I.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ……………………………….4

1.1. Практическое применение
электродвигателя……………………………..4

1.2. История создания
электродвигателя …………..……………………..…..4

ГЛАВА II. СОЗДАНИЕ
МОДЕЛЕЙ……….…………………..…………..…9

2.1 Создание
электрической модели с электродвигателем………………………..9

2.2 Реставрация
старой игрушки …………………………………………..……9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………..11

Список литературы……………………………………………………………12

Приложение №1 «Анкета «Что
ты знаешь об
электродвигателях»…………13

Приложение №2 Практическая работа «Создание электрической модели с электродвигателем»……………………………………………………………..14

Приложение №3 Практическая
работа «Реставрация старой игрушки»……15

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проекта. Электродвигатели
используются повсюду. Даже дома вы можете обнаружить огромное количество
электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, в вентиляторе
микроволновой печи, в стиральной машине, в компьютерных вентиляторах, в
кондиционере, в соковыжималке, пылесосе, холодильнике. Электродвигатели,
применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно.

Нам интересно узнать как, почему
и с помощью чего работают электробытовые приборы, музыкальные и
механические игрушки. Ведь в основе работы многих вещей лежит использование
электродвигателей. Мы выбрала электродвигатель с постоянным током, так как на
уроках физики мы узнали его принцип действия.

Также сегодня в магазине очень
большой выбор самых разнообразных игрушек: для разных возрастов, из самых
разных материалов. Но игрушки с электродвигателями занимают особое место. Они
вызывают огромный интерес, особенно у мальчишек. Ведь они сами, без помощи
человека совершают действия: крутятся, двигаются, перемещаются. Но, к
сожалению, игрушки стоят очень дорого, и не всем они по карману. Также очень
часто ломаются. Основная причина поломок — это механическое повреждение
отдельных вращающихся деталей. К сожалению, отремонтировать их практически
невозможно. Ведь эти детали сделаны из пластмассы и представляют единый
механизм. А вот использовать отдельные детали механизма вполне возможно. Такой
деталью механизма является электродвигатель. Его можно использовать для
создания новых моделей. Ведь он в большинстве случаях не повреждается.

Поэтому мы решили изготовить модели
техники с использованием электродвигателя.

Проблемные вопросы:

1.                
Можем ли
мы обойтись без электрического двигателя?

2.                
Можно ли
самим собрать электрический двигатель в домашних условиях?

3.                
Можно ли
отремонтировать старые поломанные игрушки?

Цель работы:
узнать как человек использует электродвигатель дома и доказать, что
электродвигатель – помощник человека, помогает в решении бытовых задач, нельзя
обойтись без электродвигателя. 

Задачи проекта:

• 
собрать и
проанализировать информацию по теме
проекта;

•  провести опыты, наблюдения, анкетирование;

•      
собрать модель
с электрическим двигателем;

•      
«вдохнуть»
жизнь в поломанные игрушки.

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

1.1. Практическое применение
электродвигателя

Электродвигатель – это
просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в
механическую энергию.

В основе этого
преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные
магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных
материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

Электродвигатели с переменного тока
вы можете найти в любой электрической розетке в доме.

Существует несколько типов
электродвигателей. Отметим два главных класса: с переменным и постоянным током.

Есть разные типы
электродвигателей. Отметим два главных типа:

Электродвигатели
первого типа использует для работы источник переменного тока (например —
электрическая розетка в доме).

Электродвигатели
второго типа использует для работы источник постоянного тока (например – батарея
гальванических элементов).

С
целью выявления практического применения электродвигателей в быту и определения
знаний учащихся об электродвигателях в их жизни мы провели анкету «Что мы
знаем об электрических двигателях» среди
учащихся 2-4 классов. Вывод: знания об
электродвигателях составляют менее
100%. (Приложение №1)

1.2.
История создания электродвигателя

Нами была изучена литература и ресурсы Интернета с целью
ознакомления с историей создания и развития электрического двигателя.

Выделяют
три этапа развития:

Первый этап развития
электродвигателя (1821-1832гг.) тесно связан с созданием физических приборов для
демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году 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 подтвердил
принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Второго этапа развития
электродвигателей (1833-1860 гг.) характерны конструкции с вращательным
движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году
сконструировал первый электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в
движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную
машину.

В 1834 году Борис Семенович Якоби создал первый в мире электрический
двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного
вращения подвижной части двигателя. 

13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против
течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями.
Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от
батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель
появился на судне.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Бориса
Семеновича Якоби и других исследователей к следующим выводам:

·                    
расширение применения
электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической
энергии, то есть от создания генератора, более экономичного;

·                    
электродвигатели должны иметь
по возможности малые габариты, большую мощность и обладать большим полезным
действиям;

·                    
этап в развитии
электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным
якорем и практически постоянным вращающим моментом.

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 дешёвого источника электрической
энергии — электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 году
электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной
конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без
электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах
и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные
комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено
электродвигателями.

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу
магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами
магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу.
Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг
себя круговое магнитное поле по всей длине провода.

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля
магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой
усиливается.

То есть среда становится
упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90
градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки. Эта сила называется
«амперовой».

Это явление использовали как основной принцип работы первых
электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях
постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля
применяются постоянные магниты.

Конструктивно все электрические двигатели
постоянного тока состоят из статора и ротора (якоря), разделенных воздушным
зазором.

Статор электродвигателя постоянного тока служит
для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных
и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных
полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах
расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля
машины, на добавочных полюсах — специальная обмотка, служащая для улучшения
условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит
из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной
в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный
на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На
коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки
якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих
скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые
удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки
на поверхность коллектора.

Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе,
связанной с корпусом электродвигателя.

Итак, современный двигатель постоянного тока
вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а
вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения
с двумя и более полюсами.

ГЛАВА II. СОЗДАНИЕ
МОДЕЛЕЙ

2.1 Создание электрической модели с электродвигателем

Теоретическая часть
была подкреплена практической работой. Нам понадобились: инструкция, комплект для сборки
электродвигателя, пластиковая основа, провода с изоляцией, металлические
элементы, батарея гальванических элементов, магнит, инструменты. (Приложение №2)

Сначала
мы закрепили элементы электродвигателя на пластиковой основе, установили над ними
магнит подходящей формы и размера (от магнита зависит сила электрического
поля), зафиксировали батарею в металлической рамке (сначала батарейка должна
упереться в проволоку, а затем только опустить ее в металлическую рамку). Разместили
элементы оформления модели.

Двигатель
начинает крутиться при взаимодействии магнитных полей. Нам удалось собрать модель
с электродвигателем.

2.2. Реставрация старой игрушки

В ходе обсуждения мы решили восстановить
игрушечный автомобиль. Нашу «модель» мы будем реставрировать с помощью старого
металлического конструктора (Приложение № 3).

Чтобы модель работала, мы будем использовать
электродвигатель из набора «Электроконструктор», провода небольшого сечения,
источник тока – батарею гальванических элементов. Чтобы собрать и изготовить модель
нам понадобились столярные и слесарные инструменты и принадлежности: ножовка,
наждачная бумага, ножницы по металлу, отвертка.

После того, как мы изготовили модель
электродвигателя, нам пришлось проверить его работоспособность. Модель работала
исправно. Она может прослужить довольно долго, при условии бережного отношения
к ней. Чтобы эксплуатация игрушки была более долговечной, необходимо покрыть ее
лаком и менять в случае необходимости батарею элементов.

Положительные стороны наших моделей:

·    
Все модели безопасные в использовании

·    
Все инструменты и материалы доступны для
изготовления моделей

·    
 Процесс изготовления моделей доступен
даже для младших школьников

Трудности изготовления  моделей:

·                  
При сборке моделей возникает необходимость
механического соединения проводов.

·                  
В процессе работы изготовления моделей
необходимо соблюдать правила безопасности труда.

Заключение

Проведя
большую работу по изучению темы «Электродвигатель – помощник человека», мы узнали много нового интересного о том, как
устроены они. Ответили на все поставленные вопросы. В домашних условиях мы часто пользуемся
электрическими двигателями: фен, миксер, кухонный комбайн, пароварка,
микроволновая печь, стиральная машинка, швейная машинка и так далее. Мы не
можем обойтись без электрических двигателей – помощников человека. Результат анкеты показали, что не все знают, как
устроены электрические двигатели, его значения в нашей жизни.

Мы
пользуемся электродвигателем дома, он нам очень помогает в решении бытовых
задач, нельзя обойтись без электродвигателя. У нас получилось собрать модель с
электрическим двигателем и «вдохнуть жизнь» в старую поломанную игрушку.

Теперь
мы можем поделиться полученными знаниями со всеми, кто заинтересуется работой и устройством
электродвигателя.

Практическая значимость нашего проекта заключается в систематизации знаний по данной теме, в использовании материала на уроках
физики, внеклассной работе; обогащении
словарного запаса, при подготовке к
экзамену по физике.

Список литературы

I.  
Статьи в
журналах:

1.                
Журнал «Горизонты техники для детей»
(Польша), под ред. Влад Мао.- Изд. 4-е – Ростов-на-Дону: Феникс, 2015г

2.                
 Журнал«Наука и жизнь» — Издательство АНО
«Редакция журнала «Наука и жизнь», 2014 г

3.                 
 Электронный журнал «Планета детства»,
08.04. 2013г.

II.  
Монографии

1.        
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники.
Автор: Корякин-Черняк С.Л. М.: Издательство, 2013 г

2.        
Электронная детская энциклопедия «Почемучки» – М.: Издательство, 2009 г

3.        
Самодельные
электрические и паровые двигатели. А. Абрамов, П. Хлебников, Государственное
издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР.

III.  
Ресурсы удаленного доступа (INTERNET)

1. http://ru.wikipedia.org/
2. http://www.toroid.ru/kacmanMM.html
3. http://energo-vesta.com.ua/statiya/46-istoriya.html
4. http://elektrik24.net/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/princip-raboty-3.html
5. http://jelektro.ru/elektricheskie-terminy/ustrojstvo-rabota-jelektrodvigatelja.html

Приложение
№1

Анкета «Что ты знаешь об электродвигателях»

1.                 
Что вы знаете об электродвигателях?

2.                
Как вы думаете, вы пользуетесь в домашних
условиях электродвигателями?

3.                
Где дома вы используете электродвигатель?

4.                
Нужен ли вам электродвигатель или вы
можете обойтись без него?

5.                
Можно ли
использовать электродвигатель для реставрации старых игрушек?

Результаты анкетирования

Всего участников – 29 учащихся 5
класса

Ответы на вопрос № 3: в холодильнике,
пылесосе, микроволновой печи, в компьютере (верные ответы), в телевизоре (неверный
ответ).

Приложение №2

Практическая
работа «Создание электрической модели с
электродвигателем»

Сначала
мы закрепили элементы электродвигателя на пластиковой основе, установили над
ними магнит подходящей формы и размера, зафиксировали батарею в металлической
рамке. Разместили элементы оформления модели.

Двигатель
начинает крутиться при взаимодействии магнитных полей. Нам удалось собрать модель
с электродвигателем.

Приложение № 3

Практическая работа «Реставрация
старой игрушки»

Мы использовали электродвигатель из набора
«Электроконструктор»

Мы решили восстановить
игрушечный автомобиль. Двигатель готов, осталось его подключить к ходовой части
автомобиля!

Сделайте простой электродвигатель

Magnet Motor Kit

Введение

Электродвигатели повсюду; даже в вашем компьютере есть электродвигатели для питания охлаждающих вентиляторов и жестких дисков. Сборка простого электродвигателя постоянного тока — отличный способ узнать, как они работают, и очень весело наблюдать за вращением вашего творения.

Цель

Целью этого проекта является создание простого электродвигателя с нуля.

Как сделать?

Начните с намотки якоря , движущейся части двигателя. Чтобы арматура получилась красивой и круглой, намотайте ее на цилиндрическую форму, например на пип или маленькую батарейку АА. Чтобы катушка постоянно держала форму, скрутите свободные концы и пару раз оберните их вокруг катушки. Если такой способ скрепления катушки слишком сложен, смело используйте для работы скотч или изоленту.

Следующим шагом является подготовка осевых опор. С помощью плоскогубцев согните две английские булавки посередине. Английские булавки могут проводить электричество к арматуре, в то время как проволочные петли на английской булавке могут удерживать ее.

Основой для этого двигателя будет деревянный блок. Это хорошая основа, потому что она тяжелая, устойчивая и хорошо выглядит для презентации в классе или научной ярмарке. Деревянный блок достаточно большой, чтобы вместить батарею.

С помощью винтов закрепите изогнутые английские булавки на деревянном бруске так, чтобы петли были обращены друг к другу на расстоянии около 1 дюйма друг от друга.

Прикрепите провода от держателя батареи к опорам (согнутые английские булавки)

Вставьте батарею в держатель. Поместите магнит поверх деревянного бруска прямо под катушкой. Убедитесь, что катушка все еще может свободно вращаться и что она просто не касается магнита.

Осторожно поверните якорь, чтобы запустить двигатель. Если не заводится, попробуйте покрутить в другую сторону. Мотор будет вращаться только в одном направлении.

10 Простые и творческие проекты «Сделай сам» с использованием электродвигателя

Хотите ли вы найти хорошее применение мотору, который у вас есть в гараже, или вы помогаете своему ребенку с его научным проектом, вот десять творческих и недорогих проектов «сделай сам», которые вы можете сделать с помощью мотора.

1. Автоматическая кормушка для кошек

Устали от того, что кошка требует еды в нерабочее время? Эта самодельная автоматическая кормушка изменит правила игры. Он выдает корм вовремя и в нужном количестве, поэтому ваша кошка получает здоровое питание независимо от того, находитесь ли вы рядом. Это удивительно легко и доступно сделать.

Он использует Arduino в качестве мозга, контейнер в качестве держателя еды и серводвигатель, который вращается для управления открытием и закрытием крышки контейнера, поэтому еда высвобождается. Чтобы настроить его, запрограммируйте Arduino на раздачу еды в желаемые часы и в определенном количестве, а затем спроектируйте кормушку. Вы можете спроектировать его так, как хотите, если расположите серводвигатель под углом поворота.

Связанный: Отличные проекты Arduino для начинающих

2. Авто Тиндер

Этот проект «сделай сам» с использованием мотора берет на себя всю тяжелую работу, заключающуюся в том, чтобы назначить свидание в tinder, проводя пальцем по экрану. Распечатайте автоматический трут-пальец (любой дизайн, который вы сочтете подходящим), соедините детали, протестируйте и соберите все это.

Вам понадобится Arduino (UNO), шаговый двигатель, стилус для сенсорного экрана и палец, который можно распечатать на 3D-принтере. Если вы не можете получить доступ к машине для 3D-печати, пересадите силиконовый палец и вместо этого прикрепите его к двигателю.

3. Машинка на радиоуправлении с Arduino

Владеть радиоуправляемой машинкой еще веселее, когда ее создал ты. Сначала вам нужно разобрать настоящую радиоуправляемую машину с аккумулятором, чтобы понять, как все работает и куда девается.

Как только вы это поймете, переходите к следующему шагу и удалите все детали, оставив нетронутыми только аккумулятор и двигатель. Аккумулятор остается неповрежденным, чтобы питать оригинальный двигатель постоянного тока и облегчать вашу работу.

Замените оригинальный электрический модуль автомобиля на Arduino Uno, а приемник на модуль HC-06 для лучшего дистанционного управления. Наконец, подключите 9-вольтовую батарею к устройству через VIN для питания Arduino.

Связанный: Что вам нужно для создания собственного автономного робота

4. Робот следящего за линией

Для этого творческого проекта вам понадобится шасси с двигателем и колесами для корпуса, Arduino Uno для управления работой робота, переключатель, датчики приближения, моторный щит L293D, провода-перемычки и держатель батареи.

Прикрепите моторный шилд L293D к Arduino и подсоедините его к шасси. Сделайте то же самое и для других частей, запустите код Arduino, и ваш робот точно определит и будет следовать по заранее определенным линиям.

5. Самоиграющая Мелодика

Эта самовоспроизводящаяся мелодия прослушивает загруженные фрагменты мелодии и пытается воспроизвести звук в режиме реального времени. Как и в большинстве творческих проектов «сделай сам» с использованием двигателя, Arduino является мозгом проекта. Он управляет двигателем постоянного тока, электроклапаном и позволяет самоиграющей мелодике получать и обрабатывать управляющие значения.

Вам понадобится Arduino Nano R3, резистор 1 кОм, два драйвера двигателя (L928), кнопочный переключатель, источник питания 12 В 5 А, регулятор напряжения, соленоид и двигатель постоянного тока 12 В с энкодером.

6. Мини-робот-пожарный

Мини-робот-пожарный не просто поможет вашим старым двигателям; он также способен обнаруживать, приближаться и даже тушить пожар. Он работает на Arduino, но обнаруживает возгорание через сенсорный модуль.

После обнаружения двигатели движутся к огню через модуль L293D, и робот тушит его, разбрызгивая воду из небольшого контейнера с насосом. Прямо под контейнером находится серводвигатель для управления распылением воды.

Вам понадобится Arduino Uno, три пожарных датчика, серводвигатель SG90, модуль драйвера двигателя L293D, погружной насос 5 В, крошечная макетная плата, двухмоторное шасси робота с двумя колесами, небольшая банка и соединительные провода. Эти предметы легко найти, и они столь же доступны по цене.

7. Разыграли! Передвижная коробка для салфеток

Если вы хотите отомстить тому, кто вас разыграл, или хотите напугать своего друга, эта движущаяся коробка с салфетками обязательно их достанет. Все, что вам нужно, это радиоуправляемая машинка (вы можете сделать свою, как описано выше), коробка из папиросной бумаги обычного размера и ножницы. Подготовьте коробку, вытащив все ткани и обрезав ее дно.

Поместите машинку на радиоуправлении в коробку и, если возможно, закрепите ее скотчем для устойчивости. Добавьте примерно треть салфеток, которые вы удалили ранее, положите их на стол и передвигайте коробку всякий раз, когда кто-то прикасается к ней, чтобы напугать их.

8. Часы от первого лица

Замените свои старые настенные часы, используя мотор, чтобы сделать крутые часы от первого лица для своего дома. Он показывает время на постоянно обновляемом движущемся дисплее. Как и в большинстве творческих проектов «сделай сам» с использованием мотора из нашего списка, его легко сделать, и вам также понадобится Arduino (Nano R3).

Другие компоненты, которые вам понадобятся, включают печатную плату, стандартные светодиоды, резисторы на 220 Ом, батарею 9 В, двигатель постоянного тока и импульсный стабилизатор. Чтобы сделать это, сначала соберите светодиоды на печатной плате (вы можете использовать светодиоды разных цветов для лучшего эффекта), а затем припаяйте резисторы.

Резистор помогает защитить светодиоды от высокого напряжения. Затем подключите импульсный регулятор для преобразования тока и подключите 9-вольтовую батарею, чтобы завершить настройку. Наконец, подключите Arduino к компьютеру и запустите код, чтобы часы заработали.0003

9. Открывалка потайной двери

Если вы постоянно теряете ключи, этот потайной дверной замок — идеальный способ найти хорошее применение вашему старому мотору и полностью избавиться от ключей. Вам понадобится Arduino UNO, шаговый двигатель и драйвер шагового двигателя, зуммер, емкостный датчик, адаптер 12 В, перемычки и монтажная лента.

Когда все будет готово, с помощью мультиметра найдите проводящую поверхность для системы. Хорошие места для проверки включают дверную ручку, замочную скважину и глазок. Соедините все части вместе с помощью перемычек.

Найдите место рядом с электрической розеткой для адаптера на 12 В, установите систему, подключите ее и вуаля! Ваш секретный открыватель двери будет готов.

Ознакомьтесь с пошаговым руководством по выполнению этого проекта.

10. Колесо обозрения с функцией распознавания лиц

Этот проект требует определенных усилий, но результат стоит каждой потраченной на него секунды. Как следует из названия, это колесо обозрения с возможностью распознавания лиц. Итак, вам понадобится; Комплект колеса обозрения Lego, Arduino, L29Модуль 3D-драйвера, двигатель постоянного тока с высоким крутящим моментом, макетная плата, Raspberry Pi Zero и модуль камеры Raspberry Pi.

Сначала настройте код, чтобы двигатель вращался, и соберите L293D, чтобы управлять им. Затем подключите двигатель к колесу обозрения, чтобы оно вращалось.