Sunku net įsivaizduoti, kaip atrodytų šiuolaikinis pasaulis be nuolatinės srovės elektros variklio (beje, ir kintamosios srovės). Bet kuris modernus mechanizmas turi elektros variklį. Jis gali turėti skirtingą paskirtį, tačiau jo buvimas, kaip taisyklė, yra labai svarbus. Tikimasi, kad artimiausiu metu nuolatinės srovės variklio vaidmuo tik didės. Jau šiandien be šio įrenginio neįmanoma sukurti kokybiškos, patikimos ir tylios įrangos su reguliuojamu greičiu. Tačiau tai yra valstybės ir visos pasaulio ekonomikos vystymosi raktas.
Iš nuolatinės srovės variklio istorijos
1821 m. eksperimentų metu garsus mokslininkas Faradėjus atsitiktinai atrado, kad magnetas ir srovės laidininkas kažkokiu būdudaryti įtaką vienas kitam. Visų pirma, nuolatinis magnetas gali sukelti paprastos srovės laidininko grandinės sukimąsi. Šių eksperimentų rezultatai buvo panaudoti tolesniems tyrimams.
Jau 1833 m. Thomas Davenport sukūrė traukinio modelį su nedideliu elektros varikliu, galinčiu jį vairuoti.
1838 m. Rusijos imperijoje buvo pastatytas 12 vietų keleivinis laivas. Kai ši elektriniu varikliu varoma v altis plaukė prieš srovę palei Nevą, tai sukėlė tikrą emocijų sprogimą mokslo bendruomenėje ir ne tik.
Kaip veikia nuolatinės srovės variklis
Jei pažiūrėsite į darbą paviršutiniškai, kaip daroma mokykloje per fizikos pamokas, gali atrodyti, kad jame nėra visiškai nieko sudėtingo. Bet tai tik iš pirmo žvilgsnio. Tiesą sakant, elektrinės pavaros mokslas yra vienas sunkiausių techninių disciplinų cikle. Veikiant elektros varikliui, įvyksta daugybė sudėtingų fizikinių reiškinių, kurie vis dar nėra iki galo suprantami ir paaiškinami įvairiomis hipotezėmis bei prielaidomis.
Supaprastintoje versijoje nuolatinės srovės variklio veikimo principą galima apibūdinti taip. Į magnetinį lauką įdedamas laidininkas ir per jį teka srovė. Be to, jei atsižvelgsime į laidininko skerspjūvį, aplink jį susidaro nematomi jėgos koncentriniai apskritimai - tai magnetinis laukas, kurį sudaro laidininko srovė. Kaip jau minėta, šie magnetiniai laukai žmogaus akiai nematomi. Tačiau yra paprastas triukas, leidžiantis juos vizualiai stebėti. Paprasčiausias būdas yra padaryti skylę faneroje arba storame popieriaus lape, pro kurį prakišti laidą. Tokiu atveju paviršius prie skylės turi būti padengtas plonu smulkiai išsklaidytų magnetinių metalo miltelių sluoksniu (galima naudoti ir smulkias pjuvenas). Kai grandinė uždaroma, miltelių dalelės išsirikiuoja magnetinio lauko pavidalu.
Tiesą sakant, nuolatinės srovės variklio veikimo principas yra pagrįstas šiuo reiškiniu. Tarp U formos magneto šiaurinio ir pietinio polių dedamas srovės laidininkas. Dėl magnetinių laukų sąveikos viela pajuda. Judėjimo kryptis priklauso nuo stulpų padėties ir gali būti tiksliai nustatyta pagal vadinamąją įstrižainės taisyklę.
Ampero stiprumas
Jėga, kuri išstumia srovę nešantį laidininką iš nuolatinio magneto lauko, vadinama Ampero jėga – garsaus elektros reiškinių tyrinėtojo vardu. Srovės vienetas taip pat pavadintas jo vardu.
Norėdami rasti skaitinę šios jėgos reikšmę, reikia padauginti srovę svarstomame laidininke iš jo ilgio ir magnetinio lauko dydžio (vektoriaus).
Formulė atrodys taip:
F=IBL.
Paprasčiausio variklio modelis
Grubiai tariant, norint sukurti patį primityviausią variklį, reikia įdėti į magnetinį lauką laidžios medžiagos (vielos) rėmą ir maitinti jį srove. Rėmas pasisuks tam tikru kampu ir sustos. Ši pozicija dėl specialistų slengoelektros pavaros plotas vadinamas „negyva“. Sustojimo priežastis – magnetiniai laukai, galima sakyti, kompensuojami. Kitaip tariant, tai atsitinka, kai gaunamoji jėga tampa lygi nuliui. Todėl nuolatinės srovės variklio įtaisas apima ne vieną, o kelis rėmus. Tikrame pramoniniame bloke (kuris sumontuotas ant įrangos) tokių elementarių grandinių gali būti labai labai daug. Taigi, kai jėgos subalansuojamos viename kadre, kitas kadras išveda jį iš „stuporo“.
Skirtingos galios variklių įrenginio ypatybės
Net ir nuo elektrotechnikos pasaulio nutolęs žmogus iš karto supras, kad be nuolatinio magnetinio lauko š altinio tiesiog negali būti nė kalbos apie jokį nuolatinės srovės elektros variklį. Kaip tokie š altiniai naudojami įvairūs įrenginiai.
Mažos galios nuolatinės srovės varikliams (12 voltų ar mažiau) nuolatinis magnetas yra idealus sprendimas. Tačiau ši parinktis netinka didelės galios ir dydžio vienetams: magnetai bus per brangūs ir sunkūs. Todėl 220 V ir daugiau nuolatinės srovės varikliams tikslingiau naudoti induktorių (lauko apviją). Kad induktorius taptų magnetinio lauko š altiniu, jis turi būti maitinamas.
Elektro variklio konstrukcija
Apskritai, bet kurio nuolatinės srovės variklio konstrukciją sudaro šie elementai:kolektorius, statorius ir armatūra.
Armatūra naudojama kaip variklio apvijos guolio elementas. Jį sudaro ploni elektriniai plieno lakštai su grioveliais aplink perimetrą laidui nutiesti. Gamybos medžiaga šiuo atveju yra labai svarbi. Kaip jau minėta, naudojamas elektrinis plienas. Šios rūšies medžiagai būdingas didelis dirbtinai išaugintas grūdelių dydis ir minkštumas (dėl mažo anglies kiekio). Be to, visa konstrukcija susideda iš plonų, izoliuotų lakštų. Visa tai neleidžia atsirasti parazitinėms srovėms ir neleidžia perkaisti armatūros.
Statorius yra fiksuota dalis. Jis atlieka anksčiau aptarto magneto vaidmenį. Modelio variklio veikimui pademonstruoti laboratorijoje, siekiant aiškumo ir geresnio principų supratimo, naudojamas dviejų polių statorius. Tikruose pramoniniuose varikliuose naudojami įrenginiai su daugybe polių porų.
Kolektorius yra jungiklis (jungtis), kuris tiekia srovę nuolatinės srovės variklio apvijų grandinėms. Jo buvimas yra griežtai būtinas. Be jo variklis veiks trūkčiojančiai, o ne sklandžiai.
Variklių įvairovė
Nėra vieno universalaus variklio, kuris būtų naudojamas absoliučiai visose technologijos ir šalies ūkio šakose ir atitiktų visus saugos bei patikimumo reikalavimus eksploatacijos metu.
Rinkdamiesi nuolatinės srovės variklį turėtumėte būti labai atsargūs. Remontas yra labai sunkus ir brangusprocedūra, kurią gali atlikti tik tinkamos kvalifikacijos darbuotojai. O jei variklio konstrukcija ir galimybės neatitiks reikalavimų, remontui bus išleista nemažai lėšų.
Yra keturi pagrindiniai nuolatinės srovės variklių tipai: šepečiu varomi, inverteriniai, vienpoliai ir universalūs šepečiu varomi nuolatinės srovės varikliai. Kiekvienas iš šių tipų turi savo teigiamų ir neigiamų savybių. Reikėtų trumpai apibūdinti kiekvieną iš jų.
DC šepečiu varomi varikliai
Yra daug galimų šio tipo variklių įgyvendinimo būdų: vienas kolektorius ir lyginis skaičius grandinių, keli kolektoriai ir kelios apvijų grandinės, trys kolektoriai ir tiek pat apvijų apsisukimų, keturi kolektoriai ir du apvijų posūkiai, keturi kolektoriai ir keturios grandinės ant inkaro ir galiausiai aštuoni kolektoriai su inkaru be rėmo.
Šio tipo varikliai pasižymi palyginamu vykdymo ir gamybos paprastumu. Būtent dėl šios priežasties jis tapo žinomas kaip universalus variklis, kurio pritaikymas labai platus: nuo žaislinių radijo bangomis valdomų automobilių iki labai sudėtingų ir aukštųjų technologijų CNC staklių, pagamintų Vokietijoje arba Japonijoje.
Apie inverterių variklius
Apskritai šio tipo varikliai yra labai panašūs į kolektorių ir turi tuos pačius privalumus bei trūkumus. Vienintelis skirtumas yra paleidimo mechanizme: tai daugiautobulas, kuris leidžia lengvai keisti greitį ir reguliuoti rotoriaus greitį. Taigi šio tipo nuolatinės srovės variklių našumas daugeliu parametrų yra pranašesnis už kolektorių variklius.
Bet jei kažkas įgyja naudos, tai kai kuriuose dalykuose bus ir nuostolių. Tai nepaneigiamas visatos dėsnis. Taigi šiuo atveju: pranašumą suteikia gana sudėtinga ir kaprizinga technika, kuri dažnai nepavyksta. Patyrusių specialistų teigimu, inverterio tipo nuolatinės srovės variklius remontuoti gana sunku. Kartais net patyrę elektrikai negali nustatyti sistemos gedimo.
Vienpolių nuolatinės srovės variklių ypatybės
Veikimo principas išlieka tas pats ir pagrįstas laidininko magnetinių laukų sąveika su srove ir magnetu. Bet srovės laidininkas yra ne laidas, o diskas, besisukantis apie ašį. Srovė tiekiama taip: vienas kontaktas užsidaro ant metalinės ašies, o kitas per vadinamąjį šepetį sujungia metalinio apskritimo kraštą. Toks variklis, kaip matyti, yra gana sudėtingos konstrukcijos ir todėl dažnai sugenda. Pagrindinis pritaikymas yra moksliniai tyrimai elektros ir elektros pavaros fizikos srityje.
Universalių kolektorių variklių ypatybės
Iš esmės šio tipo varikliai neturi nieko naujo. Tačiau ji turi labai svarbią savybę – galimybę dirbti kaipiš nuolatinės srovės tinklo ir iš kintamosios srovės tinklo. Kartais ši jo savybė gali sutaupyti daug pinigų įrangos remontui ir modernizavimui.
Kintamosios srovės dažnis yra griežtai reguliuojamas ir yra 50 Hz. Kitaip tariant, neigiamo krūvio dalelių judėjimo kryptis keičiasi 50 kartų per sekundę. Kai kas klaidingai mano, kad ir elektros variklio rotorius turi keisti sukimosi kryptį (pagal laikrodžio rodyklę – prieš laikrodžio rodyklę) 50 kartų per sekundę. Jei tai būtų tiesa, bet koks naudingas kintamosios srovės elektros variklių pritaikymas nebūtų svarstomas. Kas atsitinka realybėje: armatūros ir statoriaus apvijų srovė sinchronizuojama naudojant paprasčiausius kondensatorius. Ir todėl, pasikeitus srovės krypčiai ant armatūros rėmo, keičiasi ir jos kryptis ant statoriaus. Taigi, rotorius nuolat sukasi viena kryptimi.
Deja, šio tipo nuolatinės srovės variklių efektyvumas yra daug mažesnis nei keitiklių ir vienpolių variklių. Todėl jo naudojimas apsiriboja gana siauromis sritimis – kur būtina bet kokia kaina pasiekti maksimalų patikimumą, neatsižvelgiant į eksploatacines išlaidas (pavyzdžiui, karo inžinerija).
Galutinės sąlygos
Technologijos nestovi vietoje, ir šiandien daugelis mokslo mokyklų visame pasaulyje konkuruoja tarpusavyje ir stengiasi sukurti pigų ir ekonomišką variklį, pasižymintį dideliu efektyvumu ir našumu. Nuolatinės srovės elektros variklių galia kasmet auga, o jųenergijos suvartojimas.
Mokslininkai prognozuoja, kad ateitį lems elektros įranga, o naftos amžius baigsis gana greitai.
