Физика. Электродвигатель

В предыдущем параграфе мы вплотную подступили к пониманию работы электродвигателя постоянного тока. Вспомним, что для непрерывного вращения рамки в магнитном поле необходимо устройство, регулирующее поступление тока каждые пол-оборота рамки (см. § 10-г). Такое устройство называется коллектором, и в простейшем случае представляет собой два металлических полукольца, закреплённых на общей оси (см. рисунок – для наглядности мы их покрасили изнутри красным и синим цветами).

Концы проволочной рамки 7 припаяны изнутри к металлическим полукольцам 1 и 5, между которыми вставлен диск из пластмассы 4, препятствующий соприкосновению полуколец. Ток подводится по проводам к упругим скользящим контактам 2 и 6. Рамка удерживается на оси 3 двумя планками из пластмассы 8 и 9.
Поскольку рамка находится в магнитном поле, при включении тока она начнёт поворачиваться. Рамка, описанная в предыдущем параграфе, останавливалась, пройдя пол-оборота. Однако рамка с коллектором будет вращаться безостановочно. Выясним, почему это происходит.

Сначала красная сторона рамки находилась около южного (S) полюса магнита, и красное полукольцо касалось контакта «+». Соответственно, ток был направлен от красного полукольца к синему. Теперь рамка повернулась и оказалась красной стороной у северного (N) полюса магнита.
Повернувшись в магнитном поле, рамка повернула и полукольца коллектора. Поскольку они жёстко прикреплены к рамке, то красное полукольцо теперь находится справа, около контакта со знаком «–». Следовательно, теперь ток направлен от синего полукольца к красному. Ещё через пол-оборота рамка вернётся в прежнее положение, и цикл повторится. Пока в рамке существует ток, благодаря коллектору она будет вращаться непрерывно. Итак, роль коллектора – каждые пол-оборота переключать направление тока в рамке на противоположное.
Мы рассмотрели действующую модель электродвигателя, которую можно изготовить своими руками. Настоящие электродвигатели имеют не одну проволочную рамку, а множество проволочных витков, укреплённых на цилиндре (см. рисунок).

Поэтому количество контактов на коллекторе будет не два, а больше (на рисунке – четыре, так как есть две взаимно перпендикулярных «обмотки»). Коллектор и проволочные обмотки, закреплённые на цилиндрическом сердечнике, образуют подвижную часть электродвигателя – ротор (от лат. «рото» – вращаюсь).
Неподвижная часть электродвигателя называется статором (от лат. «статор» – стоящий). На нём закреплены магниты или электромагниты, упругие контакты (их техническое название «щётки»), клеммы, а также подшипники для облегчения вращения ротора.
Важные достоинства двигателя постоянного тока – лёгкость пуска под нагрузкой и регулировки скорости вращения. Это даёт возможность широко применять такие двигатели на транспорте (трамваи, троллейбусы), в подъёмниках и т.п. КПД большинства электродвигателей более 90%, что гораздо выше, чем КПД двигателей внутреннего сгорания (см. § 6-и).
Недостатки двигателей постоянного тока обусловлены наличием коллектора. Это искрение, сопровождаемое возникновением радиопомех, истирание (износ) коллектора и щёток, загрязнение подшипников образующейся при этом пылью. Поэтому приходится время от времени останавливать работу и ремонтировать двигатель.