Виноградов Н.В. Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Виноградов Н.В. Как самому рассчитать рассчитать и сделать электродвигатель
Предисловие
Наша молодежь активно участвует в технической самостоятельной деятельности в домах пионеров и на станциях юных техников, проводя практические занятия по машиноведению и электротехнике по учебным программам средней школы и самостоятельно моделируя в домашних условиях. Многие строят радиоприемники, патефоны, электропроигрыватели, киноаппараты, магнитофоны, модели самолетов м механическими и бензиновыми двигателями, кораблей, экскаваторов и многих других механизмов, за которые часто присуждаются премии на конкурсах.
Что же касается такого относительно простого устройства, каким является электродвигатель, то об этом, как будто, и говорить нечего. Поэтому многие способные школьники, чтобы усложнить задачу, строят, например, рекордно маленькие электродвигатели, помещающиеся на ногте. Это, конечно, интересно, но здесь моделист уклоняется в область приборостроения.
А самодельный электродвигатель должен обладать некоторой силой, он должен двигать механизмы, с которыми связан, иначе он не будет оправдывать своего названия
Литература по самодельным электродвигателям малой мощности (микродвигателям), к сожалению, ориентирует главным образом на примитивные макеты двигателей с деталями магнитопровода, согнутыми из полосок жести. На таком макете можно лишь демонстрировать принцип действия двигателя, а не получать от него какую-нибудь механическую работу. Между тем в школьных механических мастерских моделисты могут выполнять некоторые операции на токарных и сверлильных станках. Благодаря этому можно построить более «мощные» двигатели, способные приводить во вращение не только модели, но и настоящие швейные машины, вентиляторы, электропроигрыватели.
Обычно в литературе по самодельным электродвигателям преподносят готовые рецепты изготовления двигателя: приведены размеры всех деталей и данные обмоток. Остается лишь выполнить детали и собрать двигатель.
В этой книжке нет готовых рецептов. Даются только направляющие указания. Поэтому придется не только делать, но и думать о расчете двигателя, о его конструкции и о способах изготовления. Таким образом, юный техник может справедливо заявить, что он не только сделал, но и создал электродвигатель, – это его расчет, его конструкция и его изготовление.
…
Как сделать электродвигатель за 15 минут / Хабр
Всегда интересно наблюдать за изменяющимися явлениями, особенно если сам участвуешь в создании этих явлений. Сейчас мы соберем простейший (но реально работающий) электродвигатель, состоящий из источника питания, магнита и небольшой катушки провода, которую мы сами и сделаем.
Существует секрет, который заставит этот набор предметов стать электродвигателем; секрет, который одновременно умен и изумительно прост. Вот что нам нужно:
— 1,5В батарея или аккумулятор.
— Держатель с контактами для батареи.
— Магнит.
— 1 метр провода с эмалевой изоляцией (диаметр 0,8-1 мм).
— 0,3 метра неизолированного провода (диаметр 0,8-1 мм).
Мы начнем с намотки катушки, той части электродвигателя, которая будет вращаться. Чтобы сделать катушку достаточной ровной и круглой, намотаем ее на подходящем цилиндрическом каркасе, например, на батарейке типоразмера АА.
Оставляя свободными по 5 см провода с каждого конца, намотаем 15-20 витков на цилиндрическом каркасе.
Не старайтесь особенно плотно и ровно наматывать катушку, небольшая степень свободы поможет катушке лучше сохранить свою форму.
Теперь аккуратно снимите катушку с каркаса, стараясь сохранить полученную форму.
Затем оберните несколько раз свободные концы провода вокруг витков для сохранения формы, наблюдая за тем, чтобы новые скрепляющие витки были точно напротив друг друга.
Катушка должна выглядеть так:
Сейчас настало время секрета, той особенности, которая заставит мотор работать. Это секрет, потому что это изысканный и неочевидный прием, и его очень сложно обнаружить, когда мотор работает.
Держа катушку вертикально, положите один из свободных концов катушки на край стола. Острым ножом удалите верхнюю половину изоляции, оставляя нижнюю половину в эмалевой изоляции.
Проделайте тоже самое со вторым концом катушки, наблюдая за тем, чтобы неизолированные концы провода были направлены вверх у двух свободных концов катушки.
В чем смысл этого приема? Катушка будет лежать на двух держателях, изготовленных из неизолированного провода. Эти держатели будут присоединены к разным концам батареи, так, чтобы электрический ток мог проходить от одного держателя через катушку к другому держателю. Но это будет происходить только тогда, когда неизолированные половины провода будут опущены вниз, касаясь держателей.
Теперь необходимо изготовить поддержку для катушки. Это просто витки провода, которые поддерживают катушку и позволяют ей вращаться.
Они сделаны из неизолированного провода, так как кроме поддержки катушки они должны доставлять ей электрический ток.
Просто оберните каждый кусок неизолированного провода вокруг небольшого гвоздя – и получите нужную часть нашего двигателя.
Основанием нашего первого электродвигателя будет держатель батареи. Это будет подходящая база, потому что при установленной батарее она будет достаточно тяжелой для того, чтобы электродвигатель не дрожал.
Соберите пять частей вместе, как показано на снимке (вначале без магнита). Положите сверху аккумулятора магнит и аккуратно подтолкните катушку…
Если все сделано правильно, КАТУШКА НАЧНЕТ БЫСТРО ВРАЩАТЬСЯ! Надеемся, что у Вас, как и в нашем эксперименте, все заработает с первого раза.
Если все-таки мотор не заработал, тщательно проверьте все электрические соединения. Вращается ли катушка свободно? Достаточно ли близко расположен магнит (если недостаточно, установите дополнительные магниты или подрежьте проволочные держатели)?
Когда мотор заработает, единственное, на что нужно обратить внимание – чтобы не перегрелся аккумулятор, так как ток достаточно большой.
Просто снимите катушку – и цепь будет разорвана.
Давайте выясним, как именно работает наш простейший электродвигатель. Когда по проводу любой катушки течет электрический ток, катушка становится электромагнитом. Электромагнит действует как обычный магнит. Он имеет северный и южный полюс и может притягивать и отталкивать другие магниты.
Наша катушка становится электромагнитом тогда, когда неизолированная половина выступающего провода катушки касается неизолированного держателя. В этот момент по катушке начинает течь ток, у катушки возникает северный полюс, который притягивается к южному полюсу постоянного магнита, и южный полюс, который отталкивается от южного полюса постоянного магнита.
Мы снимали изоляцию с верхней части провода, когда катушка стояла вертикально, поэтому полюса электромагнита будут направлены вправо и влево. А это значит, что полюса придут в движение, чтобы расположиться в одной плоскости с полюсами лежащего магнита, направленными вверх и вниз. Поэтому катушка повернется к магниту.
Каким образом можно заставить электромотор вращаться быстрее?
Один из способов – добавить сверху еще один магнит.
Поднесите магнит во время вращения катушки, и случится одно из двух: или мотор остановится, или начнет вращаться быстрей. Выбор одного из двух вариантов будет зависеть от того, какой полюс нового магнита будет направлен к катушке. Только не забудьте придержать нижний магнит, а то магниты прыгнут друг к другу и разрушат хрупкую конструкцию!
Другой способ – посадить на оси катушки маленькие стеклянные бусинки, что уменьшит трение катушки о держатели, а также лучше сбалансирует электродвигатель.
Существует еще много способов усовершенствования этой простой конструкции, но основная цель нами достигнута – Вы собрали и полностью поняли, как работает простейший электродвигатель.
Volvo Cars будет собирать электродвигатели в Шёвде, Швеция
Volvo Cars будет собирать электродвигатели на своем заводе по производству силовых агрегатов в шведском городе Шёвде, также к середине текущего десятилетия планируется наладить полное собственное производство электродвигателей. В ближайшие годы компания выделит 700 миллионов шведских крон (68 миллионов евро) на эти цели.
Volvo Cars стремится стать производителем электромобилей премиум-класса, чьи глобальные продажи к 2025 г. на 50% будут приходиться на электромобили, остальное — на гибриды.
Производство в Шёвде было частью истории Volvo Cars с момента основания компании в 1927 году. Добавление сборки электродвигателей в производственные планы завода означает, что историческое место в Шёвде также станет и частью будущего компании.
Ранее в этом году Volvo Cars объявила, что она инвестирует значительные средства в собственное проектирование и разработку электродвигателей для моделей Volvo следующего поколения.
На первом этапе на заводе в Шёвде будет осуществляться только сборка электродвигателей. На более позднем компания планирует полностью реализовать производственный процесс электродвигателей.
«Самый первый Volvo 1927 года был оснащен двигателем, построенным в Шёвде, — говорит Хавьер Варела, старший вице-президент по производству и логистике Volvo Cars. — Команда завода обладает высокой квалификацией и привержена высочайшим стандартам качества. Так что вполне естественно, что они станут частью нашего захватывающего будущего».
Взяв на себя роль ДВС в автомобилестроении, электрические двигатели являются одним из основных компонентов электромобилей наряду с аккумуляторами и силовой электроникой. Взаимодействие по этим трем составляющим имеет решающее значение в создании электрокаров премиум-класса.
Собственная разработка электродвигателей даст возможность инженерам Volvo Cars дополнительно оптимизировать электродвигатели и всю электрическую трансмиссию новых автомобилей Volvo.
Такой подход позволит добиться дальнейшего повышения энергоэффективности и общей производительности.
В настоящий момент проектирование и разработка электродвигателей компании происходят в Гетеборге, Швеция, и в Шанхае, Китай. Ранее в этом году была открыта новая лаборатория по производству электродвигателей в Шанхае в дополнение к постоянным разработкам электродвигателей в Гетеборге и новейшим лабораториям по производству аккумуляторов в Китае и Швеции.
Остальные виды деятельности на заводе двигателей в Шёвде, ориентированные на производство ДВС, будут переданы отдельной дочерней компании Volvo Cars — Powertrain Engineering Sweden (PES). Как сообщалось ранее, PES планируется объединить с производством двигателей внутреннего сгорания Geely.
коллекторные модели, особенности, инструкция по конструированию
Рассмотрим отдельные аспекты конструирования. Не станем обещать изготовление вечного двигателя, по типу творения, приписываемого Тесле, но рассказ предвидится интересным.
Не станем тревожить читателей скрепками и батарейками, предлагаем поговорить, как приспособить уже готовый мотор под собственные цели. Известно, что конструкций масса, все используются, но современная литература базовые основы оставляет за кормой. Авторы проштудировали учебник прошлого века, изучая, как сделать электродвигатель собственноручно. Теперь предлагаем окунуться в знания, составляющие базис специалиста.
Почему в быту часто применяются коллекторные двигатели
Коллекторный тип двигателя
Если брать фазу на 220В, принцип работы электродвигателя на коллекторе позволяет изготовить устройства в 2-3 раза менее массивные, нежели при использовании асинхронной конструкции. Это важно при изготовлении приборов: ручные блендеры, миксеры, мясорубки. Помимо прочего, асинхронный двигатель сложно разогнать выше 3000 оборотов в минуту, для коллекторных указанное ограничение отсутствует. Что делает устройства единственно пригодными для реализации конструкций центрифужных соковыжималок, не говоря уже о пылесосах, где скорость часто не ниже.
Отпадает вопрос, как сделать регулятор оборотов электродвигателя. Задача давно решена путём отсечки части цикла синусоиды питающего напряжения. Это возможно, ведь коллекторному двигателю нет разницы, питаться переменным или постоянным током. В первом случае падают характеристики, но с явлением мирятся по причине очевидных выгод. Работает электродвигатель коллекторного типа и в стиральной машине, и в посудомоечной. Хотя скорости сильно отличаются.
Легко сделать и реверс. Для этого меняется полярность напряжения на одной обмотке (если затронуть обе, направление вращения останется прежним). Иная задача – как сделать двигатель с подобным количеством составных частей. Сделать самостоятельно коллектор вряд ли удастся, но намотать заново и подобрать статор вполне реально. Заметим, что от числа секций ротора зависит скорость вращения (аналогично амплитуде питающего напряжения). А на статоре лишь пара полюсов.
Наконец, при использовании указанной конструкции удаётся создать устройство универсальное.
Работает двигатель без труда и от переменного, и от постоянного тока. Просто на обмотке делают отвод, при включении от выпрямленного напряжения задействуют полностью витки, а при синусоидальном исключительно часть. Это позволяет сохранить номинальные параметры. Сделать примитивный электродвигатель коллекторного типа не выглядит простой задачей, зато удастся целиком приспособить параметры под собственные нужды.
Особенности работы коллекторных двигателей
В коллекторном двигателе не слишком полюсов на статоре. Если говорить точнее, всего два — северный и южный. Магнитное поле в противовес асинхронным двигателям здесь не вращается. Вместо этого меняется положение полюсов на роторе. Подобное положение дел обеспечивается тем, что щётки постепенно движутся по секциям медного барабана. Особой намоткой катушек обеспечивается должное распределение. Полюса словно скользят по кругу ротора, толкая его в нужном направлении.
Для обеспечения режима реверса достаточно поменять полярность питания любой обмотки.
Ротор в этом случае называется якорем, а статор – возбудителем. Включать эти цепи допустимо параллельно друг другу либо последовательно. И тогда начнут значительно изменяться характеристики прибора. Это описывается механическими характеристиками, взгляните на прилагающийся рисунок, чтобы представить утверждаемое. Здесь условно показаны графики для двух случаев:
График изменения характеристик прибора
- При параллельном питании возбудителя (статора) и якоря (ротора) коллекторного двигателя постоянным током его механическая характеристика почти горизонтальна. Это значит, что при изменении нагрузки на вал сохраняется номинальная частота вращения вала. Это применяется на обрабатывающих станках, где изменение оборотов не лучшим образом сказывается на качестве. В результате деталь вращается при касании её резцом резво, как при старте. Если препятствующий момент слишком возрастает, происходит срыв движения. Двигатель останавливается. Резюме: если хотите двигатель от пылесоса применить для создания металлообрабатывающего (токарного) станка, предлагается обмотки соединить параллельно, ведь в бытовой технике доминирует иной тип включения.
Причём ситуация объяснима. При параллельном питании обмоток переменным током образуется слишком большое индуктивное сопротивление. Указанную методику следует применять с осторожностью. - При последовательном питании ротора и статора у коллекторного двигателя появляется прелестное свойство – большой крутящий момент на старте. Такое качество активно используется для страгивания трамваев, троллейбусов и, вероятно, электропоездов. Главное, что при увеличении нагрузки обороты не срываются. Если запустить в таком режиме коллекторный двигатель на холостом ходу, скорость вращения вала будет расти безмерно. Если мощность мала – десятки Вт – беспокоиться не стоит: сила трения подшипников и щёток, возрастание токов индукции и явление перемагничивания сердечника вкупе затормозят рост на конкретном значении. В случае промышленных агрегатов либо упомянутого пылесоса, когда его двигатель извлекли из корпуса, повышение скорости идёт лавинообразно. Центробежная сила оказывается столь велика, что нагрузки способны разорвать якорь.
Поосторожнее при запуске коллекторных двигателей с последовательным возбуждением.
Коллекторные двигатели с параллельным включением обмоток статора и ротора отлично поддаются регулировке. За счёт внедрения реостата в цепь возбудителя удаётся значительно поднять обороты. А если такой присоединить в ветвь якоря, вращения, напротив, замедлится. Это массово используется в технике для достижения нужных характеристик.
Конструкция коллекторного двигателя и связь её с потерями
При конструировании коллекторных двигателей принимаются во внимание сведения, касающиеся потерь. Выделяются трёх видов:
- Электрическими принято называть тепловые потери при движении токов по проводникам. Для снижения указанной величины обмотки выполняются из меди, имеющей наименьшее удельное сопротивление из доступных материалов. Понятно, что лучше взять серебро, а золото – просто отлично, но это слишком дорого. Тепловые потери зависят от сечения. Нельзя выбирать толщину проводников слишком малой.
С этой точки зрения она ограничивается рассеиваемой мощностью, не меньше реально присутствующей в двигателе. Иначе обмотка сгорит. Слишком толстые проводники из меди, впрочем, сделают двигатель громоздким и тяжёлым, плюс – дорогим. Важное дополнение: двигатели обязаны сопровождаться средствами защиты. Уместны термопредохранители или реле, находятся в свободной продаже. А значения срабатывания выбираются ниже температуры выгорания обмотки (изоляции). Обычно 135 градусов Цельсия. Технические данные на предельные температуры проводов приводятся в характеристиках (data sheet).Коллекторы
- Магнитные потери возникают в сердечнике якоря. Кажется, логично сделать из стали, но это недопустимо. Он изготавливается из изолированных друг от друга пластин, как сердечник трансформатора. В противном случае вращающийся в магнитном поле статора металл станет подобен индукционной кухонной плитке. Листы разделены слоем лака. Используется специальная электротехническая сталь с повышенным содержанием кремния.
Это приводит к увеличению удельного сопротивления материала, что вызывает снижение значений вихревых токов. Наконец, сталь берётся мягкой и специально обработанной для снижения остаточного магнетизма. Если двигатель работает на постоянном токе, корпус и статор допустимо изготавливать из сплошных кусков металла. Когда работа идёт от сети 220В или 380В, прилегающие детали выполняются листовыми с разделением послойно посредством лака. - Про механические потери уже говорилось выше. Они служат паразитным эффектом, вдобавок уберегают маломощный коллекторный двигатель с последовательным возбуждением от выхода из строя. Благодаря тому, что обороты не выйдут за предел по скорости.
Обычно при питании коллекторного двигателя переменным током используется последовательное включение обмоток. В противном случае выходит слишком большое индуктивное сопротивление.
К сказанному добавим, что при питании коллекторного двигателя переменным током вступает в роль индуктивное сопротивление обмоток.
Поэтому при одинаковом действующем напряжении частота оборотов понизится. Полюса статора и корпус уберегаются от магнитных потерь. В необходимости этого легко убедиться на простом опыте: питайте маломощный коллекторный двигатель от батарейки. Его корпус останется холодным. Но если теперь подать переменный ток с прежним действующим значением (по показаниям тестера), картина изменится. Теперь корпус коллекторного двигателя начнёт греться.
Эскиз сбора статора в поперечном срезе и сбоку
Потому даже кожух стараются собрать из листов электротехнической стали, клепая либо склеивая при помощи БФ-2 и аналогов. Наконец, дополним сказанное утверждением: листы набираются по поперечному срезу. Часто статор собирается по эскизу, показанному на рисунке. В этом случае катушка наматывается отдельно по шаблону, потом изолируется и надевается обратно, упрощая сборку. Что касается методик, проще нарезать сталь на плазменном станке, и не думать о цене мероприятия.
Проще найти (на свалке, в гараже) уже готовую форму для сборки.
Потом уже намотать под неё катушки из медной проволоки с лаковой изоляцией. Заведомо диаметр подбирается больше. Вначале готовую катушку натягивают на первый выступ сердечника, потом на второй. Прижимают проволоку так, что по торцам остаётся небольшой воздушный зазор. Считается, подобное не критично. Чтобы держалось, у двух крайних пластин острые углы срезаются, оставшаяся серёдка отгибается наружу, отжимая торцы катушки. Это поможет собрать двигатель по заводским меркам.
Часто (особенно в блендерах) находится разомкнутый сердечник статора. Это не искажает форму магнитного поля. Раз полюс единственный, особой мощности ожидать не приходится. Форма сердечника напоминает букву П, между ножками литеры в магнитном поле вертится ротор. Под устройство сделаны кругообразные прорези в нужных местах. Подобный статор нетрудно собрать самостоятельно из старого трансформатора. Это проще, нежели сделать электродвигатель с нуля.
Сердечник в месте намотки изолируется стальной гильзой, по бокам – диэлектрическим фланцами, вырезанными из любого подходящего пластика.
Как сделать двигатель лампочкой
Простейшие двигатели, собираемые за 5 минут
Первый униполярный двигатель Фарадея можно собрать за минуту. Необходимо совсем мало деталей. Все они, за исключением провода, есть на фотографии.
Нужен один неодимовый магнит: диск или пруток с аксиальным намагничиванием (на одной плоской стороне южный полюс, а на другой северный). Подойдёт любой из четырёх с фотографии.
Шуруп, гвоздь или саморез из примагничивающегося материала. Длина примерно 45 мм. Более короткие или более длинные могут снижать скорость вращения. Острый конец способствует лёгкой и быстрой работе.
Аккумулятор AA 1,2 В и провод подходящей длины.
Устройство собирается таким образом: магнит прикрепляется к головке шурупа.
Конец шурупа за счёт этого примагничивается к аккумулятору. Через скользящий контакт ток подаётся к магниту. Начинается вращение.
Смена полюсов магнита или полярности аккумулятора вызывает движение мотора в противоположную сторону.
Второй двигатель линейный . В нём происходит не вращение, а линейное перемещение.
Он сделан из AAA аккумулятора, двух кубических неодимовых магнитов 8* 8* 8 мм и скрученной медной проволоки, образующей как бы туннель диаметром 12 мм. Но лучше использовать круглые магниты.
Проволока обязательно должна быть без изоляции! Её диаметр 0,5 мм.
Диаметр маркера, на который она накручивалась — 11 мм. Направление движения зависит от вида намотки (по часовой стрелке, против часовой стрелки) и внешних полюсов магнитов. Магниты к аккумулятору нужно подносить одноимёнными полюсами, соответственно, внешние полюса всегда тоже одноимённые. Дальше видео работы.
На следующем видео перемещение аккумулятора с неодимовыми магнитами в растянутой пружине (примерно 5 мм между витками).
Что делать, если самоделка не работает?
Если вдруг Вы собрали вечный электродвигатель своими руками, но он не вращается, не спешите расстраиваться. Чаще всего причиной отсутствия вращения мотора является слишком большое расстояние между магнитом и катушкой. В этом случае Вам нужно всего лишь самому немного подрезать ножки, на которых держится вращающаяся часть.
Вот и вся технология сборки самодельного магнитного электродвигателя в домашних условиях.
Если Вы просмотрели видео уроки, то наверняка убедились, что сделать двигатель из батарейки, медной проволоки и магнита своими руками можно разными способами. Надеемся, что инструкция была для Вас интересной и полезной!
Это будет полезно знать:
- Как сделать USB вентилятор в домашних условиях
- Как меньше платить за свет легально
- Как правильно паять провода