קשה אפילו לדמיין איך העולם המודרני היה נראה בלי מנוע חשמלי DC (וגם AC, אגב). כל מנגנון מודרני מצויד במנוע חשמלי. יכול להיות לזה מטרה אחרת, אבל הנוכחות שלו, ככלל, היא קריטית. צפוי כי בעתיד הקרוב תפקידו של מנוע ה-DC רק יגדל. כבר היום, ללא מכשיר זה, אי אפשר ליצור ציוד איכותי, אמין ושקט במהירויות מתכווננות. אבל זה המפתח לפיתוח המדינה, והכלכלה העולמית כולה.
מההיסטוריה של מנוע DC
במהלך ניסויים בשנת 1821, המדען המפורסם פאראדיי גילה בטעות שמגנט ומוליך נושא זרם איכשהולהשפיע אחד על השני. בפרט, מגנט קבוע יכול לגרום לסיבוב של מעגל מוליך פשוט עם זרם. התוצאות של ניסויים אלה שימשו למחקר נוסף.
כבר בשנת 1833, תומס דבנפורט יצר רכבת דגם עם מנוע חשמלי קטן המסוגל להניע אותה.
בשנת 1838 נבנתה באימפריה הרוסית סירת נוסעים ל-12 מושבים. כאשר הסירה המונעת על ידי מנוע חשמלי יצאה נגד הזרם לאורך נווה, היא גרמה להתפוצצות אמיתית של רגשות בקהילה המדעית ולא רק.
איך פועל מנוע DC
אם מסתכלים על העבודה בצורה שטחית, כמו שעושים בבית הספר בשיעורי פיזיקה, אולי נראה שאין בה שום דבר מסובך. אבל זה רק במבט ראשון. למעשה, מדע ההנעה החשמלית הוא אחד הקשים ביותר במחזור התחומים הטכניים. במהלך פעולתו של מנוע חשמלי מתרחשות מספר תופעות פיזיקליות מורכבות, שעדיין אינן מובנות במלואן והן מוסברות על ידי השערות והנחות שונות.
בגרסה פשוטה, ניתן לתאר את עקרון הפעולה של מנוע DC באופן הבא. מוליך מונח בשדה מגנטי ומועבר דרכו זרם. יתר על כן, אם ניקח בחשבון את החתך של המוליך, אז נוצרים סביבו מעגלים קונצנטריים של כוח בלתי נראה - זהו שדה מגנטי שנוצר על ידי הזרם במוליך. כפי שכבר הוזכר, השדות המגנטיים הללו אינם נראים לעין האנושית.אבל יש טריק פשוט המאפשר לך לראות אותם חזותית. הדרך הקלה ביותר היא ליצור חור בדיקט או דף נייר עבה שדרכו ניתן להעביר את החוט. במקרה זה, יש לכסות את פני השטח ליד החור בשכבה דקה של אבקת מתכת מגנטית מפוזרת דק (ניתן להשתמש גם בנסורת עדינה). כאשר המעגל סגור, חלקיקי האבקה מסתדרים בצורת השדה המגנטי.
למעשה, עקרון הפעולה של מנוע DC מבוסס על תופעה זו. מוליך נושא זרם ממוקם בין הקוטב הצפוני והדרומי של מגנט בצורת U. כתוצאה מאינטראקציה של שדות מגנטיים, החוט מופעל. כיוון התנועה תלוי במיקום הקטבים, וניתן לקבוע אותו במדויק על ידי מה שנקרא כלל גימלט.
Ampere Strength
הכוח שדוחף מוליך נושא זרם אל מחוץ לשדה של מגנט קבוע נקרא כוח אמפר - על שם חוקר מפורסם של תופעות חשמל. גם יחידת הזרם נקראת על שמו.
כדי למצוא את הערך המספרי של כוח זה, עליך להכפיל את הזרם במוליך הנדון באורכו ובגודל (וקטור) של השדה המגנטי.
הנוסחה תיראה כך:
F=IBL.
דגם של המנוע הפשוט ביותר
באופן גס, כדי לבנות את המנוע הפרימיטיבי ביותר, צריך למקם מסגרת של חומר מוליך (חוט) בשדה מגנטי ולהפעיל אותו באמצעות זרם. המסגרת תסתובב לזווית מסוימת ותיעצר. עמדה זו על הסלנג של מומחים באזור הכונן החשמלי נקרא "מת". הסיבה לעצירה היא שהשדות המגנטיים מפוצים, כביכול. במילים אחרות, זה קורה כאשר הכוח הנוצר הופך להיות שווה לאפס. לכן, התקן מנוע DC כולל לא אחת, אלא כמה מסגרות. ביחידה תעשייתית אמיתית (אשר מותקנת על ציוד), יכולים להיות מאוד מאוד מעגלים אלמנטריים כאלה. לכן, כאשר כוחות מאוזנים על מסגרת אחת, המסגרת השנייה מוציאה אותו מה"קהה".
תכונות של המכשיר של מנועים בעלי הספק שונה
גם אדם שרחוק מעולם הנדסת החשמל יבין מיד שללא מקור של שדה מגנטי קבוע, פשוט אין מדובר במנוע חשמלי DC. מגוון מכשירים משמשים כמקורות כאלה.
עבור מנועי DC עם הספק נמוך (12 וולט או פחות), מגנט קבוע הוא הפתרון האידיאלי. אבל אפשרות זו אינה מתאימה ליחידות בעלות הספק וגודל גדולים: המגנטים יהיו יקרים וכבדים מדי. לכן, עבור מנועי DC של 220 וולט או יותר, כדאי יותר להשתמש במשרן (סלילה בשדה). על מנת שהמשרן יהפוך למקור של שדה מגנטי, עליו להיות מופעל.
עיצוב מנוע חשמלי
באופן כללי, העיצוב של כל מנוע DC כולל את האלמנטים הבאים:אספן, סטטור ואבזור.
האבזור משמש כאלמנט מיסב לליפוף המנוע. הוא מורכב מיריעות פלדה דקות למטרות חשמל עם חריצים מסביב להנחת החוט. חומר הייצור במקרה זה חשוב מאוד. כפי שכבר צוין, נעשה שימוש בפלדה חשמלית. דרגת חומר זו מאופיינת בגודל גרגר גדול שגדל באופן מלאכותי ורכות (כתוצאה מתכולת פחמן נמוכה). בנוסף, המבנה כולו מורכב מיריעות דקות ומבודדות. כל זה אינו מאפשר להתרחש זרמים טפיליים ומונע התחממות יתר של האבזור.
הסטטור הוא חלק קבוע. הוא מבצע את תפקיד המגנט שנדון קודם לכן. כדי להדגים את פעולתו של מנוע דגם במעבדה, לבהירות ולהבנה טובה יותר של העקרונות, נעשה שימוש בסטטור בעל שני קטבים. מנועים תעשייתיים אמיתיים משתמשים בהתקנים עם מספר רב של זוגות מוטות.
קולט הוא מתג (מחבר) המספק זרם למעגלים המתפתלים של מנוע DC. נוכחותו נחוצה בהחלט. בלעדיו, המנוע יפעל בקטטות, לא חלק.
מגוון מנועים
אין מנוע אוניברסלי אחד שישמש לחלוטין בכל ענפי הטכנולוגיה והכלכלה הלאומית ויעמוד בכל הדרישות בתחום הבטיחות והאמינות במהלך הפעולה.
עליך להיות זהיר מאוד בבחירת מנוע DC. התיקון קשה ויקר במיוחדהליך שיכול להתבצע רק על ידי צוות מוסמך מתאים. ואם העיצוב והיכולות של המנוע לא יעמדו בדרישות, אזי יושקעו כספים משמעותיים על תיקונים.
ישנם ארבעה סוגים עיקריים של מנועי DC: מנועי DC מוברשים, אינוורטר, חד-קוטביים ומנועי DC מוברשים אוניברסליים. לכל אחד מהסוגים הללו יש תכונות חיוביות ושליליות משלו. יש לתת תיאור קצר של כל אחד מהם.
מנועים מוברש DC
ישנן מספר רב של דרכים אפשריות ליישם מנועים מסוג זה: קולט אחד ומספר זוגי של מעגלים, מספר אספנים ומספר מעגלים מתפתלים, שלושה קולטים ומספר זהה של סיבובים מתפתלים, ארבעה קולטים ושניים סיבובים מתפתלים, ארבעה קולטים וארבעה מעגלים על עוגן, ולבסוף - שמונה קולטים עם עוגן ללא מסגרת.
סוג זה של מנוע מאופיין בפשטות השוואתית של ביצוע וייצור. מסיבה זו הוא נודע כמנוע אוניברסלי, שיישומו נרחב מאוד: ממכוניות נשלטות רדיו צעצוע ועד כלי מכונת CNC מורכבים והיי-טקיים מאוד מתוצרת גרמניה או יפן.
על מנועי אינוורטר
באופן כללי, סוג זה של מנוע דומה מאוד לאספן ויש לו אותם יתרונות וחסרונות. ההבדל היחיד הוא במנגנון ההשקה: זה יותרמושלם, המאפשר לך להפוך בקלות את המהירות ולהתאים את מהירות הרוטור. לפיכך, הביצועים של סוג זה של מנוע DC עדיפים על מנועי אספן במספר פרמטרים.
אבל אם יש רווח במשהו, אז בדברים מסוימים יהיה הפסד. זהו חוק שאין להכחישו של היקום. אז במקרה הזה: עליונות מסופקת על ידי טכניקה מורכבת וקפריזית למדי, שלעתים קרובות נכשלת. לדברי מומחים מנוסים, תיקון מנועי DC מסוג אינוורטר הוא די קשה לביצוע. לפעמים אפילו חשמלאים מנוסים לא יכולים לאבחן תקלה במערכת.
תכונות של מנועי DC חד-קוטביים
עקרון הפעולה נשאר זהה ומתבסס על האינטראקציה של השדות המגנטיים של המוליך עם הזרם והמגנט. אבל המוליך הנוכחי הוא לא חוט, אלא דיסק מסתובב על ציר. הזרם מסופק באופן הבא: מגע אחד נסגר על ציר המתכת, והשני, דרך המברשת כביכול, מחבר את קצה מעגל המתכת. למנוע כזה, כפי שניתן לראות, יש עיצוב מורכב למדי ולכן לעתים קרובות נכשל. היישום העיקרי הוא מחקר מדעי בתחום הפיזיקה של חשמל והנעה חשמלית.
תכונות של מנועי קומוטטור אוניברסליים
עקרונית, סוג זה של מנוע אינו נושא שום דבר חדש. אבל יש לו תכונה חשובה מאוד - היכולת לעבוד כמומרשת DC, ומרשת AC. לפעמים נכס זה יכול לחסוך כסף משמעותי על תיקון ומודרניזציה של ציוד.
תדר זרם חילופין מוסדר בקפדנות והוא 50 הרץ. במילים אחרות, כיוון התנועה של חלקיקים בעלי מטען שלילי משתנה 50 פעמים בשנייה. יש הסבורים בטעות שגם הרוטור של מנוע חשמלי חייב לשנות את כיוון הסיבוב (בכיוון השעון - נגד כיוון השעון) 50 פעמים בשנייה. אם זה היה נכון, אז כל יישום שימושי של מנועים חשמליים AC לא בא בחשבון. מה קורה במציאות: הזרם של פיתולי האבזור והסטטור מסונכרן באמצעות הקבלים הפשוטים ביותר. ולכן, כאשר כיוון הזרם על מסגרת האבזור משתנה, גם הכיוון שלו על הסטטור משתנה. לפיכך, הרוטור מסתובב כל הזמן בכיוון אחד.
למרבה הצער, היעילות של סוג זה של מנוע DC נמוכה בהרבה מזו של מנועים אינוורטר וחד קוטבי. לכן השימוש בו מוגבל לאזורים צרים למדי - שבהם יש צורך להשיג אמינות מירבית בכל מחיר, מבלי לקחת בחשבון עלויות תפעול (למשל הנדסה צבאית).
סעיפים אחרונים
הטכנולוגיה לא עומדת במקום, וכיום בתי ספר מדעיים רבים ברחבי העולם מתחרים זה בזה ושואפים ליצור מנוע זול וחסכוני עם יעילות וביצועים גבוהים. כוחם של מנועים חשמליים DC גדל משנה לשנה, בעוד שלהםצריכת חשמל.
מדענים צופים שהעתיד ייקבע על ידי ציוד חשמלי, ועידן הנפט יסתיים די בקרוב.
