На одной из полок моего кабинета стоит коллекция самодельных безделушек, которые я когда-то изготовил собственноручно. Объединяет их то, что каждый служит «разговорчиком» — предметом, который легко запускает диалог. Сегодня остановимся на двух маленьких электрических моторах, выставленных на переднем плане снимка.
Кабинет мой посещают люди с отличным образованием, но учебник физики, как и я, они открывали последний раз ещё в школе. Обычно они сильны в математике и программировании, но когда я спрашиваю: «Почему этот мотор вращается?», — без подсказок ответить не получается.
Так как у меня есть дети, я решил показать им, как всё работает, и вместе мы собрали ещё пару простых моторов, понятных на глаз. Даже если принцип вам кажется очевидным, попробуйте повторить это занятие с ребёнком — будет интересно.
Наши «подопытные» и вопросы к ним
Первый мотор — это обычная катушка из лакированной медной проволоки, концы которой очищены от изоляции. Она закреплена на двух медных упорах, к которым подаётся несколько вольт. Стоит слегка поддеть катушку — и она раскручивается сама собой:
Почему катушка начинает вращаться? Крутнётся ли она, если запустить в другую сторону? Как изменится поведение при смене полярности питания?
Второй мотор — «мендосин» на солнечных элементах. Он стоит на подоконнике и запускается, как только на него падает прямой солнечный свет. Как только тень заслоняет источник — останавливается:
К первому моторчику вопросы те же: откуда появляется вращение, возможен ли реверс, где здесь коллектор и зачем боковой упор в магнитной подвеске? Ответ на последний вопрос я подробно разбирал в отдельной статье — здесь же сосредоточимся на базовом устройстве и работе этих примитивных электродвигателей.
Учебник старой школы
У меня сохранилась книжка 1946 года издания «Самодельные электрические и паровые двигатели» издательства «Детгиз». По ней мой отец в 50-х мастерил свои первые моторы, а теперь настала очередь внуков. Книга доступна для скачивания в открытом архиве.
Самостоятельная сборка не только увлекательна, но и наглядно демонстрирует принципы работы более сложных моторов.
Простейший мотор с двумя винтами
Первый образец из книги Абрамова и Хлебникова (рис. 12): две катушки и простой стальной якорь между ними. При подаче тока якорь притягивается к полюсам электромагнитов, а если прервать ток чуть раньше, чем якорь выровняется, инерция даёт ему дополнительно прокрутиться:
Коммутатор на якоре периодически включает и отключает ток через катушки: именно так якорь получает крутящий момент, а остальное обеспечивает инерция.
Я повторил конструкцию из книги, добавив двухцветные светодиоды, которые загораются красным или зелёным в зависимости от направления тока. Это пригодилось и для второго мотора.
По сути, кольцевой моторчик — та же схема, только катушка вращается внутри постоянного магнита статора. Он тоже стартует от лёгкого толчка; «прерывателем» служит небольшая дисбалансировка якоря, из-за которой он подпрыгивает и «перескакивает» мёртвую точку.
Подробнее о прерывателе
Неровности в выборе проволоки и изгибах якоря создают подпрыгивания на опорах — этого достаточно, чтобы прорываться сквозь «нулевой» угол. Во многих инструкциях советуют не счищать эмаль полностью с одного конца проволоки: полагается, что эмаль будет играть роль изолятора в нужный момент. Но на практике можно зачищать оба конца без потери работоспособности.
Теперь у вас есть все данные, чтобы ответить: реверсируют ли эти моторчики и что изменится при смене полярности питания?
Сборка мотора № 1
Фотографии процесса спрятаны под спойлерами.
Якорь и ось
Якорь покрасил, чтобы придать аккуратный вид. Для катушек вырезали «щёчки» из ПВХ толщиной 3 мм и приклеили их к сердечнику из электропроводной трубы. Проволоку намотали вручную.
Вставил двухцветные светодиоды, проверил полярность и магнитные полюса компасом.
Фото катушки со светодиодами
Деревянная основа из обрезков паркетной доски, а упор для оси — латунная втулка с запаянным дном.
Основание и упор
Осталось смонтировать катушки и пружинный контакт — мотор готов:
Мотор № 2 с обмоткой на якоре
В этой версии якорь тоже превращается в электромагнит: на нём четыре катушки, как и на статоре. В книге обозначено, что две статора можно было бы заменить постоянными магнитами, но мы следуем оригинальной технологии.
Катушки на роторе переключаются коллектором — направленность тока меняется в зависимости от положения якоря. Светодиоды помогают визуализировать смену полюсов.
Сборка мотора № 2
Чтобы было видно коммутацию, весь процесс тоже под спойлерами.
Сердечники статорных катушек
Катушки намотаны по той же схеме, но на ПВХ-трубе нестандартной формы. Специально вырезанная палочка и термофен помогли надеть трубу без деформации.
Намотка ротора
Ротор собран из жести: пластины насажены на шпильку и стянуты гайками; коллекторные сегменты — латунь на термоусадке.
Ротор
Статор и опора якоря вырезаны и спаяны из листовой жести — получилось жёсткое основание.
Каркас статора
Щётки сделали из медного листа; их форму можно менять, но в итоге они просто согнуты под углом.
Щётки
Последний шаг — установка светодиодов и пробный запуск:
Полная наглядность: видно каждый сегмент коллектора и смену полярности энергокоммутации. Попробуйте изменить полярность питания — и мотор развернётся в обратную сторону.
Как работает мендосинский мотор
Принцип тот же: постоянное поле статора и коммутируемые катушки на роторе. Отличие в том, что питание к якорю подаёт солнечная панель, а коллектор не нужен:
Как происходит коммутация?
Когда свет попадает на одну из солнечных панелей, она замыкает цепь на соответствующую катушку. Ротор поворачивается до тех пор, пока панель остаётся освещённой, затем следующая панель вступает в работу — и так по кругу. До тех пор, пока есть свет, двигатель крутится непрерывно.
Остаётся главный вопрос: можно ли убрать боковой упор в магнитной подвеске? Подробный разбор есть в отдельной статье, здесь же мы с детьми займёмся более мощным мотором с кольцевым статором — пригодится для самодельной машинки.
