Целью разработки является воплощение самостоятельной творческой технической идеи в виде сборки модели электродвигателя из доступных, бросовых материалов, а также создание бытовых приборов с электромотором из бросового материала.
В исследовательской работе экспериментально изучен принцип действия электромотора. Исследован электромотор как устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую энергию.
Автора интересует гипотеза: если мы изучим принцип действия электромотора, то сможем самостоятельно создать бытовые приборы с электромотором в домашних условиях.
Основное содержание исследования посвящено изучению принципа действия электромотора, созданию модели электромотора и бытовых приборов с электромотором из бросового материала.
В качестве ключевого доказательства исследования используются методы: эксперимент, моделирование, изучение научной литературы.
Актуальность. Ежедневно человечество пользуется множеством бытовых приборов: холодильник, стиральная и посудомоечная машинка, вентилятор, фен, миксер и т. д., и даже не задумывается, как устроен тот или иной прибор, как работают электротехнические устройства. А ведь важность таких знаний необходима и чем раньше, тем лучше.
С самого раннего детства меня интересовало, что находится внутри приборов, что приводит их в движение? Я неоднократно пытался разобрать машинки на радиоуправлении, музыкальные и механические игрушки, блендер и даже пылесос. Мне было интересно, могу ли я сам создать своими руками что-нибудь уникальное и нужное человечеству?
Моя мама никогда меня не наказывала за то, что я что-то сломал, разобрал, наоборот, садилась рядом со мной, и мы вместе пытались собрать детали в единое устройство. Разбирая свои старые сломанные машинки на пульте управления, я каждый раз обнаруживал множество деталей, из которых больше всего меня привлекал маленький «бочонок», внутри которого явно что-то было. Именно от мамы я узнал о том, что этот «бочонок» называется электромотором.
Игрушки с электромотором очень часто ломаются. Основная причина поломок — это механическое повреждение отдельных вращающихся деталей. К сожалению, отремонтировать их практически невозможно. Ведь эти детали сделаны из пластмассы и представляют единый механизм. А вот использовать отдельные детали механизма вполне возможно. Такой деталью механизма является электромотор. Его можно использовать для создания новых моделей. Ведь он в большинстве случаях не повреждается. Идея создания моделей техники с использованием электромотора не оставляла меня в покое.
И я решил узнать об электромоторе как можно больше, познакомиться с историей и устройством электромотора, самостоятельно изготовить его модель и создать приборы с электромотором в домашних условиях.
Цель работы: воплощение самостоятельной творческой технической идеи в виде сборки модели электродвигателя из доступных, бросовых материалов, а также создание бытовых приборов с электромотором из бросового материала.
Для достижения цели своей работы мне необходимо решить следующие задачи :
- Познакомиться с историей развития электромотора;
- Изучить принцип действия электромотора;
- Изучить область применения электромоторов;
- Изготовить модель электромотора.
- Создать модели техники с использованием электромотора, необходимые в быту.
Гипотеза нашей работы: если мы изучим принцип действия электромотора, то сможем самостоятельно создать бытовые приборы на основе электромотора в домашних условиях.
В ходе работы мы использовали следующие методы :
1) изучение литературы и интернет-источников по теме;
2) моделирование;
3) экспериментирование;
4) сопоставление и анализ полученных фактов и сведений;
5) описание результатов.
Новизна проекта: создана действующая модель электродвигателя из доступных, материалов; созданы бытовые электроприборы, которые могут найти широкое применение в быту.
Теоретическая и практическая значимость данной работы. Результаты данной работы могут представлять интерес как в теоретическом, так и в практическом плане. Содержание данного исследования может быть использовано производителями электроприборов.
Основное содержание
Глава I. Электромотор
1.1. Практическое применение электромотора
Электромотор (электродвигатель) — это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую энергию [1, 8].
В основе этого преобразования лежит магнетизм. В 1821 году Майкл Фарадей сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращении. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.
Электродвигатели переменного тока вы можете найти в любой электрической розетке в доме.
1.2. История создания электромотора
Нами была изучена литература и ресурсы Интернета с целью ознакомления с историей создания и развития электрического двигателя.
Выделяют три этапа развития:
Первый этап развития электродвигателя (1821–1832 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.
Второго этапа развития электродвигателей (1833–1860 гг.) характерны конструкции с вращательным движением якоря. Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.
В 1834 году Борис Семенович Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя.
Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался [3, с. 17].
Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением [7, с. 33].
При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается.
То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки. Эта сила называется «амперовой» [8, с. 45].
Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из статора и ротора (якоря), разделенных воздушным зазором.
Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока [6, с. 43].
Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора [4, с. 36].
1.3. Принцип действия электромотора
Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:
- Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
- Постоянного тока, которые работают от батареек, блоков питания или других источников постоянного тока.
По принципу работы:
- Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
- Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе [5, с. 22].
Глава II. Моделирование электромотора и бытовой техники с электромотором из бросового материала
2.1. Процесс изготовления простого электромотора
Необходимые детали: 2 хомута для шланга (или канцелярские скрепки), проволока, батарейный отсек, батарейки серии АА, пластилин, магнит.
Этапы создания модели:
- Необходимо намотать на карандаш от 10 до 15 витков медной проволоки — это и будет ротор мотора. Можно использовать не только карандаш, но и любое круглое основание.
- Необходимо снять намотку с карандаша, постарайтесь не сильно нарушать диаметр витков. Зафиксируйте всю катушку двумя диаметрально противоположными витками.
- При помощи мелкого наждака нужно зачистить концы якоря электродвигателя. Задача — удалить слой изоляции, так как через эти концы будет осуществляться токосъем.
- При помощи пассатижей согните две скрепки таким образом, чтобы получились круглые петли посредине скрепки. В качестве основания для перегиба петли можно использовать любой твердый предмет. Мы вместо склепок использовали хомуты для шланга.
- Необходимо зафиксировать на батарейном отсеке хомуты, важно добиться плотного прилегания.
- Поместите в отверстия хомутов концы ротора, он же будет выступать и валом электродвигателя. Зачищенные концы провода должны располагаться в отверстиях хомутов.
- Зафиксируйте под катушкой на поверхности батарейного отсека постоянный магнит.
Простой электродвигатель готов — достаточно толкнуть пальцем катушку и она начнет вращательное движение, которое будет продолжаться до тех пор, пока вы не остановите вал мотора или не сядет батарейка.
2.2. Сахароразмешиватель. Коферазмешиватель
В ходе обсуждения мы решили создать прибор, наподобие миксера — «сахароразмешиватель».
Необходимые детали: корпус (бутылочка из под краски), металлический стержень (спица), пружинка, батарейный отсек, выключатель, электромотор, батарейки и провода.
Этапы изготовления прибора:
1. Для начала необходимо разрезать пластиковую бутылочку (корпус), чтобы разместит в ней батарейный отсек и мотор.
2. Пружинку необходимо прикрепить к металлическому стержню с помощью сухой сварки или сделать механическое отверстие в стержне и прикрепить пружинку с помощью проволоки.
3. Соединить мотор, батарейный отсек с батарейками, выключатель проводами.
4. Разместить мотор, батарейный отсек в корпус.
5. Разместить выключатель на поверхности корпуса.
6. Корпус можно обмотать липкой лентой, чтобы он не открывался.
7. Прикрепить стержень к мотору с помощью пишущего узла шариковой ручки.
После того, как мы изготовили модель прибора, нам необходимо проверить его работоспособность. Модель работает исправно. Прибор легко размешивает сахар в стакане, взбивает яичные белки и даже справляется с тестом для блинов. Прибор может прослужить довольно долго, при условии бережного отношения к нему.
2.3. Вентилятор
В ходе обсуждения мы решили создать прибор «вентилятор».
Необходимые детали: корпус (деталь от конструктора), батарейный отсек, выключатель, электромотор, батарейки и провода, пластиковая крышка, пластмассовый корпус от киндер-сюрприза.
Этапы изготовления прибора:
- Разместить мотор в корпусе.
- Вырезать из пластиковой крышки пропеллер, с помощью шила сделать в середине пропеллера небольшое отверстие.
- Прикрепить пропеллер к оси электромотора.
- С помощью проводков прикрепить мотор к батарейному отсеку и выключателю.
После того, как мы изготовили модель прибора, нам пришлось проверить его работоспособность. Модель работала исправно. Прибор может прослужить довольно долго, при условии бережного отношения к нему.
2.4. Пылесборник «Помощница»
В ходе обсуждения мы решили создать прибор «пылесборник».
Необходимые детали: корпус (любая пластиковая емкость), батарейный отсек, выключатель, электромотор, светодиоды, щетки (можно использовать верхнюю часть основание старой машинки) батарейки и провода, проволока, лоскут ткани.
Этапы создания модели:
1. Прикрепить батарейный отсек к основанию машинки (или к батарейному отсеку прикрепить щеточки).
2. Прикрепить мотор к выключателю и батарейному отсеку с помощью проводков.
3. Сделать из пластиковой банки корпус. Можно украсить корпус самоклеющимися наклейками.
4. Прикрепить корпус к основанию.
5. Вставить батарейки в батарейный отсек.
После того, как мы изготовили модель прибора, нам пришлось проверить его работоспособность. Модель работала исправно. Прибор легко собирает пыль, легкий мусор (бумагу). Прибор может прослужить довольно долго, при условии бережного отношения к нему.
2.5. Подводная моторная лодка
В ходе обсуждения мы решили создать моторную лодку.
Необходимые детали: корпус (бутылка), батарейный отсек, выключатель, электромотор, пластиковая крышка, батарейки серии АА и провода, корпус от духов.
Этапы изготовления лодки:
1. В пластиковом корпусе вырезаем отверстие для оси мотора.
2. Мотор соединяем с помощью проводов к батарейному отсеку.
3. Размещаем мотор и батарейный отсек в корпусе от духов, выводя ось наружу. Чтобы вода не проникала внутрь, все щели промазываем клеем.
4. К оси крепим заранее вырезанный пропеллер.
5. С помощью ленты или ремешка крепим корпус от духов к бутылке.
После того, как мы изготовили модель прибора, нам пришлось проверить его работоспособность. Модель работала исправно. Подводная моторная лодка передвигается в воде. Игрушка может прослужить довольно долго, при условии бережного отношения к ней.
2.6. Положительные стороны созданных моделей
Положительные стороны наших моделей:
Все модели безопасные в использовании
Все инструменты и материалы доступны для изготовления моделей
Процесс изготовления моделей доступен даже для младших школьников
Трудности изготовления моделей:
При сборке моделей возникает необходимость механического соединения проводов.
В процессе работы изготовления моделей необходимо соблюдать правила безопасности труда.
Выводы:
- Электромотор (электродвигатель) — это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую энергию.
- Выделяют три этапа развития:
Первый этап развития электродвигателя (1821–1832 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. Второй этап развития электродвигателей (1833–1860 гг.). Для него характерны конструкции с вращательным движением якоря. Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины.
- Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами.
- Создание бытовых приборов с использованием электромотора возможно в домашних условиях.
Заключение
Проведя большую работу по изучению темы «Волшебный электромотор. Создание бытовых электроприборов с использованием электромотора в домашних условиях», мы узнали много нового и интересного о том, как устроен электромотор, принцип действия электромотора, нам удалось создать действующие модели электромотора, приборы с электромотором. Нам удалось реализовать все поставленные задачи. Мы пользуемся электродвигателем дома, он нам очень помогает в решении бытовых задач, в современное время нельзя обойтись без электродвигателя. У нас получилось собрать модели с электрическим двигателем, используя детали из старых сломанных машинок, бросовый материал.
Теперь мы можем поделиться полученными знаниями со всеми, кто заинтересуется работой и устройством электродвигателя.
Результаты данной работы могут представлять интерес как в теоретическом, так и в практическом плане. Содержание данного исследования может быть использовано производителями электроприборов.
Литература:
- Абрамов А., Хлебников П. «Самодельные электрические и паровые двигатели», Государственное издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР.
- Виноградов Н. В. «Как самому рассчитать и сделать электродвигатель». Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1974
- Даль Э. Н. «Электроника для детей». М.: «Манн, Иванов и Фербер», 2017
- Емельянов А. В. Шаговые двигатели: учеб. пособие/ А. В. Емельянов, А. Н. Шилин/ ВолгГТУ. — Волгоград, 2005–48 с.
- Корякин-Черняк С. Л. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники. М.: Издательство, 2020 г
- Новиков Г. В. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: МГТУ, 2016, 500 с.
- Журнал «Горизонты техники для детей» (Польша), под ред. Влад Мао.- Изд. 4-е — Ростов-на-Дону: Феникс, 2015г.
- Журнал «Наука и жизнь» — Издательство АНО «Редакция журнала «Наука и жизнь», 2019
