У меня в кабинете на работе есть небольшая витринка, в которой стоит некоторое количество... гхм... штуковин, большинство из которых я когда-то смастерил сам. Объединяет их одно - когда-то мне было интересно помахать напильником, а теперь все они служат так называемыми conversation starters, то есть, объектами, которые помогают завязать непринуждённый разговор. Давайте сегодня поговорим про пару электромоторчиков, что стоят на первом плане фотографии.

Люди через мой кабинет проходят образованные, но учебник физики, как и я, в последний раз открывали в школе. Обычно они подкованы в математике и в программировании. Я им задаю несколько довольно простых вопросов, которые сводятся к «почему оно крутится?». И знаете, пока что никто на все не ответил без подсказок.

У меня подрастают дети, поэтому подсказки я решил материализовать, совместно с ними изготовив ещё пару моторчиков, которые выглядят привычнее. Даже если вам совершенно очевидно, как оно работает, очень рекомендую изготовление подобного совместно с детьми.

Подопытные и вопросы о них

Рассмотрим поближе обоих подопытных. Первый моторчик - это просто одна катушка толстой лакированной проволоки, зачищенной на концах. Висит катушка на двух медных вилочках, к которым подводится пара вольт. Достаточно толкнуть катушечку, и она начинает бодро крутиться:

Возникает резонный вопрос: а почему, собственно, вообще катушка начинает крутиться? А будет ли она крутиться, если толкнуть в обратную сторону? А что будет, если поменять полярность питания?

Второй подопытный - это мендосинский двигатель, он крутится от света. У меня стоит возле окна, и сам стартует от попадающего на него солнца. Солнце уйдёт - остановится...

Вопросы, заданные про первый моторчик, остаются: а почему и как оно крутится? А может ли крутиться в другую сторону? А где коллектор?

И самый главный вопрос: почему в его магнитной подвеске есть боковой упор, нельзя ли без него? Подробный разбор конкретно этого вопроса я вынес в отдельную статью, а в этой соредоточимся на более простых: как работают электродвигатели вообще и эти их странные представители в частности.

Детгиз приходит на помощь

Мне от отца досталась книжка «Самодельные электрические и паровые двигатели» издательства Детгиз 1946 года выпуска. В пятидесятых годах мой отец по ней делал моторчики. Сейчас у меня выросли его внуки, вот пришла и наша очередь. Саму книгу можно скачать вот тут:

Как я и говорил, во-первых, что-то сделать самому (особенно с детьми) это прикольно, а во-вторых, это более наглядное объяснение принципов работы более загадочно выглядящих моторчиков.

Мотор из двух винтов с простым якорем

Начнём с моторчика, который Абрамов и Хлебников нарисовали на рис. 12:

Смысл простой: у нас есть пара катушек (вообще, хватило бы и одной, но симметрия - наше всё) и простой стальной якорь. Если катушки включить, то якорь к ним притянется ровно так же, как и стрелка компаса выравнивается в магнитном поле Земли. Смотрите:

Если катушки выключить чуть до того, как якорь выровняется с ними, то он по инерции прокрутится чуть дальше. И тут катушки можно снова включить! Разумеется, делается это не руками, а рамкой прерывателя, которая задевает пружинку под напряжением.

По факту получается практически карусель, которую раскручивает неподвижно стоящий человек:

Как и карусель, так и якорь получают крутящий момент не непрерывно - часть движения проходит просто по инерции. Момент силы прикладывается к якорю только тогда, когда ток течёт через катушки, то есть, когда рамка прерывателя задевает пружинку. Если подать достаточно напряжения на пружинку, то вертеться будет бодро:

Я практически один-в-один воспроизвёл моторчик из книги. Единственное, что я решил добавить для наглядности - это двухцветные светодиоды, которые загораются либо красным, либо зелёным, в зависимости от направления тока через катушку. Это особенно пригодится во втором моторчике, но об этом потом. Как можно видеть на видео, ток через катушки всегда течёт в одном направлении, единственное, что не непрерывно, а только когда пружинка касается рамки на якоре.

Как это связано с тем моторчиком-колечком? А на самом деле, он практически такой же. Только катушка на якоре, а крутится якорь в постоянном магнитном поле статора. Стартует точно так же с толкача, но что же служит прерывателем?

Посмотрите ещё раз на видео:

Спойлер

Прерывателем служит неидеальность изготовления. Это не баг, это фича! Якорь несбалансирован, поэтому чуточку подпрыгивает на вилочках, когда проворачивается. И этого вполне достаточно, чтобы пролететь мёртвую точку.

Почти во всех инструкциях по изготовлению такого моторчика (например, здесь, и здесь) говорят не снимать изоляцию полностью на концах якоря. Так вот, не надо мучиться, можно смело полностью зачищать концы.

Вот картинка с одного из процитированных мной источников:

Видите "remove the enamel"? Предполагается снимать эмаль только с половины проводника. Во-первых, чтобы эмаль работала прерывателем, это можно делать только с одной стороны катушки, а вторую можно зачищать полностью. А во вторых, можно зачищать полностью с обеих сторон :)

Всё, у вас все карты на руках для того, чтобы ответить на оставшиеся вопросы: будут ли оба моторчика вращаться в другую сторону? Что будет, если сменить полярность питания?

Изготовление изделия номер 1

Фотографий много, так что буду прятать фотки под спойлеры.

Мы (эксплуатирую детский труд!) начали с изготовления якоря. В книге предполагается его делать наборным из жестяных полосок, но мне было лень заморачиваться, просто отрезали кусок от стальной полосы и его просверлили по центру.

фотки

В качестве оси отрезали кусок велосипедной спицы и заточили с одного конца.

фотки

Спицу просто припаяли к якорю. Поскольку спица из нержавейки, то чтобы её залудить, пришлось купить бутылёк ортофосфорной кислоты (средство для удаления ржавчины в ближайшем хозмаге). Заодно согнули рамку прерывателя из одножильного провода, которую тоже припаяли.

фотка

Ну и конечно же, якорь нужно было покрасить, а то куда ж без красоты :)

Потом пришёл черёд изготовления катушек. В книге предлагается намотать бумаги на винт, и приклеить картонные щёчки, чтобы проволока не сваливалась. Поскольку мы с детьми планировали опыты на катушках и вне моторчика, то хотелось сделать конструкцию попрочнее.

Щёки были вырезаны лобзиком из трёхмиллиметрового листа ПВХ, после чего для пущей красоты ободраны на наждаке.

фотки

Центр у катушки сделан из отрезка шестнадцатимиллиметровой трубы для домашней проводки, после чего щёки были приклеены обычным клеем для канализационных труб. По выбору материалов, наверное, видно, что у меня дома ремонт в полном разгаре :).

фотка

После чего я аккуратно намотал сколько-то-там витков лакированного провода. Моталки у меня нет, а у детей не хватило усидчивости мотать аккуратно :(

А затем я воткнул двухцветные светодиоды, которые показывают направление тока в катушке (а значит, полюс электромагнита со стороны диода). На всякий случай проверили при помощи компаса, что я нигде не накосячил.

фотки

Ну и осталось всего ничего - деревянная основа. Отрезали кусок сосновой паркетной доски, аккуратно обработали - покрасили. В качестве сердечника для катушек просто обрезки двенадцатого болта, ввинченные в деревяшку. Замыкать "магнитопровод" не стал, при таком качестве электромагнитов это ни к чему.

Кстати, вам доводилось нарезать резьбу в деревяшке? Я вот нарезал, причём тем же самым винтом, который при помощи болгарки превратил в эрзац-метчик, поскольку шаг нестандартный у резьбы :)

По центру ямка-упор для оси якоря. Сделана она из отрезочка латунной трубочки с запаянным донцем.

фотки

Ну осталось только всё собрать. Устанавливаю катушки.

фотка

И делаем рамку-держатель для якоря. Пружинка-контактор намотана просто на карандаш из медной проволоки 0.6мм.

фотка

Ну и окончательный вид изделия, на мой вкус, получилось довольно близко к книжному:

Мотор с обмоткой на якоре

В первом моторчике якорь был просто куском железяки, эффективность можно сильно повысить, если его тоже сделать магнитным. В качестве второго моторчика был выбран вариант с обмоткой на якоре:

У него четыре катушки: две на статоре и две на роторе. В принципе, катушки на статоре можно было бы заменить постоянными магнитами, но мы следуем рецепту из сороковых годов, когда под рукой были только консервные банки, а неодимовых магнитов не было.

Две катушки на роторе будут коммутироваться, направление тока в них будет меняться в зависимости от положения якоря. Напоминаю, что двухцветные светодиоды на моих катушках показывают, где северный полюс, а где южный. Смысл в том, чтобы якорь притягивался к статору по мере приближения к нему, и отталкивался от статора по мере удаления от него.

Изготовление изделия, гхм, номер 2

Чтобы было виднее, как происходит коммутация, давайте пошагово посмотрим на изготовление моторчика, там всё на виду.

На сей раз сердечник у электромагнитов будет набран из полосок жести. Абрамов и Хлебников предлагают нарезать из консервных банок, что в, принципе, было доступно в их время. Да и в моём детстве были здоровые плоские консервные банки из-под селёдки. А в нынешней реальности я обломался. Во-первых, вокруг меня больше нет свалок с банками. А во-вторых, оказалось, что нынче все банки из тончайшей жести и гофрированные. Так что плюнул я, и купил лист оцинковки...

фотки

Катушки изготавливаются по той же схеме, что и в прошлый раз, но с одним отличием: сердечник теперь не круглый. Поэтому мы взяли ПВХ трубу для проводки, и, нагрев аккуратно феном, надели на специально вырезанную палочку.

фотки

Сердечник ротора тоже набран из жести. Мне лень было аккуратно пробивать гвоздём пластинки, чтобы их надеть плотно на спицу, как того рекомендуют авторы. Я просто всё просверлил и зажал гайками на резьбовой шпильке. Обкладки коллектора мы вырезали из латунной трубочки подходящего диаметра, и закрепили их на термоусадку с клеевым слоем. Ну и всё, якорь готов!

фотки

Статор и упор для якоря мы тоже вырезали и согнули из жести. Потом во все стыки ткнули паяльником, и получилась очень жёсткая конструкция.

фотки

Щётки было бы хорошо вырезать из пружинной латуни, но у меня под рукой не было, поэтому взяли просто медь. Я экспериментировал с формой щёток, но на конечном моторчике они просто согнуты буквой Г.

фотка

Ну и всё, осталось повесить светодиоды и можно запускать!

Все ингредиенты моторчика на виду, так что разобраться в принципе работы совсем несложно. На мой вкус, со светодиодами получается совсем наглядно, очень хорошо видно работу коллектора. Проверьте себя, в какую сторону будет крутиться двигатель, если поменять полярность питания?

Принцип работы мендосинского двигателя

Возвращаясь к мендосинскому двигателю: принцип его работы точно такой же. Давайте я ещё раз его покажу:

Статор создаёт постоянное магнитное поле, а ток в катушках на якоре коммутируется, чтобы от него толкаться. Небольшое отличие в том, что мендосинскому двигателю не нужен коллектор, ведь его запитывают солнечные панели на якоре.

Теперь вспоминаем вопрос: как заставить двигатель крутиться в обратную сторону?

Ну и на сладкое остаётся самый сложный вопрос: если уж взялись делать магнитную подвеску, то нельзя ли избавиться от бокового упора для оси?

Разбор этого вопроса я вынес в отдельную статью, поскольку эта и так уже получилась неприлично длинной.

Ну а мы с детьми займёмся изготовлением мотора с кольцевым статором. По идее, он должен быть достаточно мощным, чтобы на его основе сделать какую-нибудь машинку. А то демонстрационные моторчики - это хорошо, но надо бы что-то с полезной функцией.

В реальность изготовления парового двигателя на коленке мне верится слабовато. Суровые были дети в сороковых годах :)

А вот двигатели Стрилинга вполне должны быть по силам.