Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 323 Невского района Санкт-Петербурга ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ Тема проекта: «Электродвигатели: история создания, строение и применение» Тип проекта: Исследовательский проект Автор проекта: Ивасишин Роман Дмитриевич, 9 «а» класс Руководитель проекта: Манько Марина Владиславовна, учитель физики Санкт-Петербург 2021-2022 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 3 Обоснование актуальности выбранной темы ........................................................ 3 Тип проекта................................................................................................................ 3 Формулировка проблемы ......................................................................................... 3 Цель проекта .............................................................................................................. 3 Задачи проекта........................................................................................................... 4 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ........................................................................................ 4 Объект и предмет ...................................................................................................... 4 Гипотеза ..................................................................................................................... 4 Анализ проблемы ...................................................................................................... 4 Электродвигатели: история создания, устройство и применение ....................... 5 История ...................................................................................................................... 5 Принцип работы ...................................................................................................... 10 Применение ............................................................................................................. 12 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ........................................................................................ 12 Планируемые сроки и затраты............................................................................... 12 Развёрнутый план работы ...................................................................................... 12 Итоговый продукт и ожидаемые результаты ....................................................... 13 Способ презентации продукта ............................................................................... 13 Анализ результатов проекта .................................................................................. 13 ВЫВОД........................................................................................................................ 14 ПРИЛОЖЕНИЕ .......................................................................................................... 15 Глоссарий ................................................................................................................. 15 Литература ............................................................................................................... 15 ВВЕДЕНИЕ Тема проекта Электродвигатели: история создания, строение и применение. Обоснование актуальности выбранной темы Современную жизнь невозможно представить без электричества: мы постоянно используем электроприборы в быту и для работы. Одним из важнейших изобретений в этой области стал электродвигатель. Сейчас электродвигатели применяются в самых разных областях науки и техники. Они являются самыми экономными и экологичными, обладают самым высоким КПД среди всех видов двигателей. Однако, не все люди понимают, как работают эти устройства, хотя и пользуются ими каждый день. Именно это побудило меня сделать работу, которая поможет разобраться в строении и принципах работы электродвигателей. Тип проекта Исследовательский проект. Формулировка проблемы Меня заинтересовало устройство электродвигателей и принцип их работы. Являются ли они какими-то сложными и непонятными устройствами на самом деле или работают на простых законах физики? Цель проекта Цель моей работы – рассказать об истории создания электродвигателей и их применении в современном мире, объяснить принцип их работы и продемонстрировать его на примере нескольких материальных моделей. Задачи проекта - сбор и систематизация информации - составление теоретической части проекта (доклада об электродвигателях) - создание нескольких моделей, демонстрирующих принцип работы простейших электродвигателей. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Объект и предмет Объект исследования – электродвигатели. Я буду рассматривать их с точки зрения физики, а также истории, описывая изменения в жизни людей с появлением электродвигателей. Гипотеза Основная гипотеза моего проекта – электродвигатели на самом деле не являются очень сложными механизмами, их принцип работы легко объясняется с точки зрения физики, даже для людей, которые в физике разбираются не очень хорошо. Вторая гипотеза – простейший электродвигатель можно сделать своими руками в домашних условиях. Анализ проблемы Проблему поиска эффективного, экологичного и практичного двигателя решали более полувека учёные из самых разных стран. Среди них были как обычные экспериментаторы-изобретатели, так и известнейшие в мире науки люди – Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл. Но их всех объединяет одно – основываясь на исследованиях и изобретениях друг друга, они смогли создать электродвигатель и сделать его таким, каким мы знаем его сегодня. Ценность моего проекта состоит в том, что в результате будет представлено подробное электродвигателей, и простое понятное каждому. описание Также принципов будут работы представлены и практические модели, демонстрирующие описанные в проекте процессы их работы. Полагаю, что масштабных проблем при создании исследовательской работы не будет, но могут возникнуть трудности при поиске нужной и достоверной информации и при конструировании моделей электродвигателей в практической части проекта. К сожалению, у меня ещё нет опыта в создании проектных работ по физике, но я участвовал в научно-исследовательских конференциях по другой тематике. Электродвигатели: история создания, устройство и применение В 21-ом веке электродвигатели имеют особое место в нашей жизни. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих нас в повседневной жизни. Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей. История Всю историю создания и развития электродвигателей можно разделить на три этапа. И начал её английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей. В 1821 г. он, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или магнита вокруг проводника. Это явление объясняется тем, что вокруг проводника с током возникает круговое магнитное поле. Направление магнитных линий такого поля определяется по правилу правой руки. Опыт Фарадея стал толчком для множества ученых, показав возможность преобразования электрической энергии в механическую. Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: Двигатель У. Пейджа Питер Уильям Барлоу изобрёл устройство, названное колесом Барлоу. Оно состояло из постоянного магнита и зубчатого колеса, контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента. Однако, это колесо не имело никакого практического применения. Колесо Барлоу Второй этап развития электродвигателей характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. а) явнополюсный якорь б) неявнополюсный якорь Неявнополюсный якорь представляет собой одну большую катушку, а явнополюсный состоит из нескольких, обычно четырёх и более. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был не постоянным, а резко пульсирующим. В 1834 г. Борис Семёнович Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока с непосредственным вращением ротора. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна половина располагалась на неподвижной раме, а другая – на вращающемся диске. В качестве источника питания применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности электромагнитов использовалось специальное устройство - коммутатор. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одинаковое направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала, изменяя их полярность, и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами, находящимися на неподвижной раме. Мощность двигателя составляла около 15 ватт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. Двигатель Якоби Через пять лет этот двигатель был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, получив первое практическое применение. К тому моменту его мощность составляла уже более 500 Вт. Третий этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца Антонио Пачинотти. Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря. Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным. Двигатель Пачинотти Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. Эрнстом Вернером фон Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого, чем гальванические элементы, источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции, всё более и более совершенствуясь. Таким образом, общими усилиями множества ученых разных стран, на протяжении более полувека создавалась конструкция, которую можно назвать электродвигателем. Принцип работы Большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. Таким образом, если между северным и южным полюсом магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Основными компонентами любого вращающегося электродвигателя являются статор - неподвижная часть и ротор - вращающаяся часть. У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели, у которых ротор находится снаружи статора, называются электродвигателями обращенного типа. Электродвигатели можно разделить на две группы: двигатели постоянного тока и переменного. В двигателях постоянного тока для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты и переключение фаз осуществляется прямо в самом двигателе. Благодаря этому такой двигатель может питаться как постоянным током, так и переменным. Эта группа двигателей делится по способу переключения фаз и наличию обратной связи на коллекторные и бесколлекторные двигатели. В коллекторных двигателях синхронное переключение цепей вращающейся части электродвигателя обеспечивает щёточно-коллекторный узел, который является наиболее ненадёжным и сложным в обслуживании элементом. Он располагается между двумя электродами, замыкая цепь. Когда через катушки в нём проходит ток, создаётся магнитное поле, заставляющее ротор повернуться. После поворота между электродами располагается следующая пара щёток, передающая ток на другую катушку, которая в свою очередь опять поворачивает ротор, замыкая цепь третьей парой щёток и так далее. Однако, щёточно-коллекторный узел довольно быстро изнашивается и стирается в ходе работы, что делает этот вид двигателя не самым надёжным. Якорь коллекторного двигателя. Роль щёток выполняют ламели. В бесколлекторном двигателе переключение происходит с помощью специального электронного блока – инвертора, а в остальном он работает так же, как и коллекторный. Двигатели переменного тока по принципу работы делят на синхронные и асинхронные. Принципиальное различие этих двигателей состоит в том, что в синхронных машинах ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля, а у асинхронных поле вращается быстрее ротора. Асинхронные двигатели в настоящее время распространены гораздо более, чем другие виды электродвигателей. Применение Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии. Они используются повсеместно, например, в промышленности, строительстве или в быту. У электродвигателей много преимуществ перед другими видами двигателей: лёгкость переключения режимов работы, регулируемая частота вращения, высокий КПД, экономичное потребление, безопасность для окружающей среды, надёжность, компактность и простота конструкции. Но они являются довольно дорогими, а также требуют специального обслуживания. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Планируемые сроки и затраты На разработку всего проекта уйдёт 2-3 месяца. Материальные вложения потребуются для создания функционирующих моделей электродвигателей. Это будут как материалы, так и деньги для их покупки. Развёрнутый план работы 1. Поиск информации (и проверка достоверности) в различных ресурсах. 2. Систематизация и разделение на три части: история, устройство и применение электродвигателей. 3. Оформление цельной работы, написание вступления и заключения. 4. Редактирование. 5. Доработка титульного листа. 6. Практическая часть: конструирование моделей электродвигателей для демонстрации принципов их работы. 7. Подготовка текста защиты проекта. Итоговый продукт и ожидаемые результаты Итоговым продуктом будет научно-популярная статья и модели, демонстрирующие принцип работы электродвигателей. Они помогут людям разобраться в устройстве электродвигателей, рассказывая простым и понятным языком об этой теме. Также мои модели простейших электродвигателей могут быть использованы для демонстрации принципа их работы, например, на уроках физики. Способ презентации продукта Работающие модели электродвигателей будут представлены во время защиты проекта. Анализ результатов проекта Все модели электродвигателей работают, что доказывает вторую гипотезу моего проекта – создать модель электродвигателя в домашних условиях возможно. Я сделал простейший коллекторный двигатель, чтобы доказать вторую гипотезу моего проекта: сделать рабочую модель электродвигателя в домашних условиях возможно. Для создания мне понадобились следующие материалы и детали: Медная проволока диаметром 1 мм, Медная проволока диаметром 0.1 мм, Деревянная пробка от бутылки, Деревянная спица, 2 ферритовых магнита, 2 неодимовых магнита, ДСП, Супер-клей, 6 шурупов-саморезов, Аккумулятор от шуруповёрта, Провода с зажимами и креплениями, Всего на создание моего электродвигателя ушло около месяца. ВЫВОД Хотя электродвигатели и создавались на протяжении полувека, они не являются невероятно сложными машинами, а работают они на простых законах физики. В современном мире электродвигатели незаменимы и применяются повсюду, являясь самым распространённым, эффективным, экономичным и экологически чистым видом двигателей. Жизнь современного электродвигателей. Их человека можно найти немыслима в без автомобиле использования и в пылесосе, электромясорубке, кухонном комбайне, кофемолке, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками. Трудно представить, что каких-то 150 лет назад человечество даже не знало о возможности существования электродвигателя. Задачи, поставленные мною в начале работы, были решены, цель достигнута. Познакомился с историей электродвигателей, узнал, что, как выглядели первые двигатели, как они работали и какие ученые работали над созданием электромагнитных двигателей. Изучил область применения электродвигателей, и узнал, что они получили широкую область применения. Изготовил модель электродвигателя. ПРИЛОЖЕНИЕ Глоссарий Гальванический элемент - химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Инвертор - устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Коммутатор в электродвигателях и электрогенераторах - щёточноколлекторный узел, устройство, обеспечивающее электрическое соединение цепи ротора с цепями неподвижных частей машины. Литература 1. «Простой электродвигатель своими руками» - Коротун В. [Электронный ресурс] / ASUTPP заметки электрика / URL: https://www.asutpp.ru/prostoyelektrodvigatel-svoimi-rukami.html 2. «История создания первого электродвигателя» [Электронный ресурс] / ECOconceptcars.ru / URL: http://ecoconceptcars.ru/2011/01/blog-post_10.html# 3. «История создания электродвигателя» [Электронный ресурс] / https://engineering-solutions.ru / URL: https://engineeringsolutions.ru/motorcontrol/history/ 4. «Физика» учебник, 9 класс, 7-е издание – Перышкин А.В., Гутник Е.М. / Изд-во «Дрофа», 2019 . с. 165-171.
