Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Итак, ротор и статор:
Чтобы ротор завращáлся непрерывно, нужно на нём уложить несколько витков провода — ведь электроток всегда создаёт магнитное поле, то есть любой проводник с током является магнитом, а, управляя током, можно управлять и полем. По тому витку, что находится чуть в стороне от магнита, пускать ток, а тот, что по мере вращения оказался напротив магнита, то есть притянулся до упора — отключать.
Проводники, создавая каждый своё магнитное поле в нужный момент, будут поочерёдно притягиваться к магниту, и ротор получит более узкое название — якорь. Чтобы не было безвыходной ситуации, когда оба проводника стоят точно напротив магнитов, двигатель уравновешен и не может начать вращаться — число проводников (полюсов якоря) всегда не менее трёх и нечётное. Но если их много — то чётность безразлична, например, у якоря двигателя электровоза ВЛ10 аж 525 полюсов, а у ВЛ80 — 384, чётное.
Для переключения витков, а заодно для подачи на подвижный якорь тока от неподвижного источника, проще всего применить коллекторно-щёточный узел — КШУ. Это барабан из металлических пластин (коллектор) на якоре и прижатые к нему неподвижные проводники — щётки.
Чтобы сложный узел, коллектор, поменьше изнашивался — жертвенным элементом делают щётки, почти всегда они сделаны из графита, но в неответственных микродвигателях (например, для игрушек) попадаются латунные щётки — они и щётки, они же и пружины, так дешевле.
Впрочем, от ремонта и обслуживания КШУ никуда не деться, это одна из главных статей расходов в ремонте локомотивов с такими машинами. Самая трудоёмкая и сложная операция — продорожка, удаление продуктов износа щёток из дорожек между пластинами (межламельных промежутков).
Смесь графита от щёток и миканита (это материал, из которого делают изоляцию коллектора) твёрже меди, если прозевать выработку пластин коллектора — межламельная «грязь» начнёт выпирать выше пластин, щётки потеряют контакт с пластинами. Кроме того, графитовая грязь проводит ток и нарушает работу машины, чем это может кончиться — в статье ТЭД-6.
Графитовые поджимаются отдельными пружинами. В мощных машинах одна пара щёток не справляется с огромным током, щётки по несколько штук группируются на щёткодержателях. «Огромные токи» — это сотни, а порой тысячи ампер, к примеру, каждый двигатель трамвая Татра Т-3 рассчитан на длительную работу при токе чуть меньше 150 А под напряжением 300 В, но на разгоне ток часто зашкаливает за 200 А.
Двигатель электровоза ДЭ1 рассчитан на длительный ток 520 А при напряжении до 2000 В, а пассажирского электровоза ЧС8 — на 1185 А при напряжении до 900 В, но при разгоне тоже можно давать значительно большие токи, защита сработает при 2,3 кА (2300 А).
Теперь нужно вспомнить, что у каждого магнита два полюса — северный и южный, а сила магнитного потока очень сильно зависит от целостности магнитной цепи — каждый лишний миллиметр сильно ослабляет притяжение.
Значит, чтобы двигатель стал мощнее — нужно задействовать оба полюса, замкнуть магнитный поток в кольцо, чтобы он, вылетая из одного полюса магнита, пронзал якорь и возвращался через железо статора на другой полюс, а для пущей эффективности — поставить на статор друг напротив друга два магнита. Они называются полюсами машины.
Или, чтобы двигатель в тех же габаритах стал ещё мощнее — четыре полюса. Тогда, чтобы к каждому полюсу притягивался свой виток, щёткодержателей тоже надо поставить четыре. Или дать двигателю аж три пары полюсов и щёткодержателей — сделать его 6-полюсным. Именно столько полюсов у двигателей электровозов, развивающих больше мегаватта мощности каждый, и канувшего, увы, в Лету мощного тепловоза 2ТЭ121.
Если представить этот процесс в движении — то ясно, что одни и те же пластины коллектора поочерёдно подключаются то к плюсовым, то к минусовым щёткам, соответственно меняется направление тока в обмотке якоря и за полный оборот машины каждый полюс якоря успевает побывать и северным, и южным. Иначе говоря — каким бы током ни питался коллекторный двигатель, в обмотке якоря при вращении течёт переменный ток. Его «изготавливает» коллекторно-щёточный узел.
Итак, принцип действия разъяснил, хотя его разъясняют ещё в школе, но не у всех были хорошие учителя... Есть ещё асинхронные двигатели, синхронные, а ещё любая электромашина (лю-ба-я!) может обращаться в режим генератора. Но синхронник на транспорте применяется довольно узко, а работу асинхронника разобрать — как жениться, поэтому пока вернёмся к коллекторному двигателю.
На фото видно, что полюса машины соединены кабелями. У большинства мало-мальски мощных электромашин полюса — не постоянные магниты, а электромагниты, обмотки всех полюсов называются вместе обмоткой возбуждения (ОВ), а создаваемый ими магнитный поток — потоком возбуждения (обозначается буквой Ф).
Несложно догадаться, что буквой Ф обозначается и поток простеньких машин с постоянными магнитами — потоку всё равно, через какие магниты циркулировать, но зачем усложнять? Во-первых, постоянные магниты со временем размагничиваются, а поток ОВ стабилен. Во-вторых, Ф ОВ можно регулировать.
Здесь в повествовании появляется первая формула. Бояться её, как и все основные формулы физики, не надо — буквы, из которых она составлена, можно если не потрогать, так увидеть в виде показаний стрелок. Встречайте — «Вместе мы сила!» или формула момента двигателя:
М = СФI
Букву Ф мы только что прошли... Буква М — то, ради чего и создаётся двигатель, крутящий (или вращающий) момент. Открываете минералку? Прикладываете к пробке момент. Поворачиваете руль? Тоже развиваете момент. Короче, момент — сила по кругу. С — конструктивный коэффициент двигателя, примерно как рост и вес — в нём учтены и число пар полюсов, и конструкция обмотки якоря... А I (большая i) — ток якоря. В общем, эта формула — сухая иллюстрация лозунга «вместе мы сила»: совершенство двигателя, умноженное на ток возбуждения, умноженное на так якоря, даёт силу.
И пока двигатель стоит и пытается стронуть всю громаду (локомотив это, коленвал дизеля или же игрушечная машинка) с места — в нём работает только эта формула. Но как только стронется...
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Тема цикла — транспорт: железная дорога, авиация — самолёты и вертолёты, метро и трамвай. Занимательная физика в деле!
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
