Текст книги "Лаборатория юного физика"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

Соавторы: Петр Хлебников
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 7 страниц)

Электродвигатель

Основные части коллекторного электродвигателя – статор, якорь, коллектор и щетки. Они показаны на рисунке 35.

Рис. 35. Электродвигатель и его основные части.

Сердечники статора и якоря сделайте из жести от консервной банки. Жесть необходимо отжечь, чтобы улучшить ее магнитные свойства. Разрежьте ее на полосы шириной 25 мм. Нагрейте полосы в печи или на открытом огне (примус, газовая горелка) до светло-красного каления и дайте им остыть на воздухе. Остывшие полосы очистите от окалины и грязи.

Для изготовления сердечника статора выпилите из фанеры шаблон (рис. 36).

Рис. 36. Изготовление сердечника статора.

На этом же рисунке дан чертеж пластины статора. Вырежьте четыре пластины с длиной средней части 55 мм, четыре – с длиной 54 мм и четыре – с длиной 53 мм. Соберите их на шаблоне.

Каждая четверть окружности статора состоит из трех пластин: короткой (внутренней), средней и длинной (наружной). Между концами пластин, загнутыми в пропилы шаблона, останутся свободные места. Пока забейте их щепочками.

Закрепленные в шаблоне пластины статора оберните четырьмя оборотами жестяной ленты шириной 25 мм. Из консервной банки вам не удастся вырезать целую ленту нужной длины. Придется взять несколько кусков, прикладывая их один к другому в стык.

Собранное кольцо статора крепко обвяжите проволокой или шпагатом, выровняйте края киянкой и напильником и пропаяйте. Снимите готовое кольцо с шаблона.

По рисунку 36 заготовьте четыре обжимки и наденьте их на полюсы статора. Только пока не обжимайте, это сделаете после изготовления полюсных башмаков.

Каждый башмак состоит из корпуса, обоймы и четырех сердечников. Согнув корпус, вложите внутрь сердечники. Обойму надвиньте на крылья корпуса и обожмите. Готовые башмаки вдвиньте между отогнутыми внутрь концами пластин статора и окончательно обожмите.

У настоящих электродвигателей корпус закрыт с обеих сторон крышками, в которых установлены подшипники вала. У нашей модели крышки имеют вид крестовин. Их устройство и крепление к статору показано на рисунках 37 и 38.

Материал для крестовин– листовое железо, черное или оцинкованное, толщиной 0,5–0,8 мм. Годится и латунь такой же толщины. У передней крышки, внутри которой помещены коллектор и щетки, ножки на 12 мм длиннее, чем у задней.

Для привинчивания крышек припаяйте внутри статора между полюсами четыре пары болтиков от «Конструктора», опилив их головки с одного бока. Если у вас есть четыре шпильки такого же диаметра, но длиной не менее 35 мм, то можете припаять их вместо болтиков.

Ножки передней и задней крышек изогните так, чтобы все они хорошо надевались на болтики статора. При этом отверстия в центрах крестовин должны возможно точнее приходиться против центра кольца статора.

Чтобы двигатель можно было крепить к подставке, сделайте две лапки по рисунку 37.

Рис. 37. Крепление крестовин к статору.

Материал для них тот же, что и для крышек. Поставьте кольцо статора на ровную доску. Один из винтов для крепления крестовин должен оказаться точно внизу. Лапки подогните так, чтобы они хорошо прилегали к кольцу статора и к доске. Обозначьте места лапок на кольце статора и припаяйте в найденном положении.

На рисунке 38 показаны части щитка для подключения двигателя.

Рис. 38. Устройство задней и передней крышек и клеммной панели.

Стойки щитка – из жести, а панель – из листового изоляционного материала (текстолита, гетинакса, плексигласа и т. п.). Для подключения проводов подберите маленькие болтики, каждый с двумя гайками и двумя шайбами. Согните стойки по чертежу и обожмите их вокруг концов панели. Приложите щиток к кольцу статора и обозначьте места для припайки стоек. Паять нужно, вынув панель; потом вдвинете ее сбоку.

На рисунке 39 показано устройство щеткодержателя и щеток.

Рис. 39. Щеткодержатель со щетками и сердечник якоря.

Выпилите щеткодержатель толщиной 1,5–2 мм из того же листового изоляционного материала, который брали для изготовления панели. Просверлите в нем отверстия. В боковые отверстия должны входить нарезанным концом ножки от штепсельной вилки. Центральное отверстие просверлите под размер штепсельного гнезда.

Ножки от штепсельной вилки укоротите на 10 мм. Вырежьте щетки из полоски листовой бронзы или латуни. Чтобы щетки хорошо пружинили, материал надо отгартовать, то есть проковать молотком. Изогните щетки по рисунку и припаяйте в разрезы ножек вилки.

На рисунке 39 показаны также части якоря и заготовки для них. Из отожженной жести от консервной банки заготовьте пять угольников, двадцать сердечников, пять обжимок, десять вкладышей и пять башмаков.

Угольники согните под углом в 72°. Лучше сначала начертите этот угол с помощью транспортира, а потом подгоняйте к нему угольники. Отогните наружные концы угольников и придайте им округленную форму.

Сложите угольники звездой, положив между ними по четыре сердечника, и плотно обожмите их обжимками. На болванке диаметром 34–35 мм выгните все вкладыши и башмаки. Сложив вместе два вкладыша, наложите их на середину башмака. Края башмака аккуратно загните вокруг отогнутых концов угольников.

Вал сделайте из стальной вязальной спицы. Легкими ударами молотка загоните спицу в центр якоря и продвиньте до середины. Оба конца спицы отломите, предварительно подпилив напильником. Вал должен выступать из якоря на 40 мм с каждой стороны.

Якорь при вращении не должен цеплять за полюсы статора. Для проверки сделайте контрольный станочек по рисунку 40.

Рис. 40. Контрольный станочек, коллектор, обмотки и подшипники.

Готовый якорь положите осью в выемки скобы станочка, а отогнутую пластинку-указатель подведите концом к одному из полюсов якоря.

Поворачивая якорь и по очереди подводя к указателю все его полюса, вы сразу увидите, какие из них получились длиннее других. Укоротите их легкими ударами молотка. Передвигая якорь на станочке вправо и влево, подгоните его по всей длине башмаков.

Изготовление коллектора показано на рисунке 40. Цилиндрик сделайте из писчей бумаги. Нарежьте несколько полосок шириной 20 мм. Приготовьте жидкий столярный клей, или БФ-2, или канцелярский казеиновый клей. Наматывайте бумагу на спицу, все время смазывая ее клеем. Старайтесь мотать плотно, а о краях не беспокойтесь– пусть получатся неровными, потом обрежете. Когда кончится одна лента, другую не накладывайте на ее конец, а приклейте в стык. Намотав цилиндрик диаметром примерно 10 мм, оборвите ленту. Обвяжите цилиндрик ниткой и положите сохнуть. Сырой он мягкий, а высохнет– станет крепким. Тогда острым ножом обрежьте его с обоих концов до длины 10 мм.

На цилиндрике нужно укрепить пять одинаковых пластин. Лучший материал для них – медь или латунь толщиной 0,3–0,5 мм. Длина широкой части пластин должна быть 10 мм, а ширина такая, чтобы между соседними пластинами на коллекторе остались промежутки шириной 0,5–1 мм.

Измерьте полоской бумаги длину окружности цилиндрика и рассчитайте ширину пластин и промежутков. Так, если диаметр высохшего цилиндрика стал равен 9 мм, то длина его окружности составит 28,3 мм. Можно сделать пластины шириной по 5 мм, тогда на пять промежутков останется 3,3 мм, то есть ширина каждого промежутка будет 0,6–0,7 мм.

Выгните пластины коллектора по дуге. Это удобно сделать легким молоточком на ученической ручке. Пластины должны точно прилегать к цилиндрику по всей длине. Их узкие концы залудите с канифолью. Приклеивать пластины к цилиндрику лучше всего клеем БФ-2.

Можете взять и столярный клей, и казеиновый, но они плохо держат металл. Придется внутреннюю поверхность пластин предварительно смазать луковым соком и просушить.

Намазав пластины клеем, наложите их на цилиндрик и подвиньте так, чтобы они нигде не соприкасались одна с другой, иначе двигатель не будет работать. Обмотайте их ниткой с клеем, как показано на рисунке 40.

Для обмотки якоря подберите медный изолированный провод диаметром 0,4–0,5 мм, Если нет нового, можете использовать старый провод, смотав его с электрического звонка, реле, трансформатора или дросселя от радиоприемника и т. п. Следите только, чтобы изоляция не имела повреждений. Тщательно осмотрев провод, аккуратно оберните все подозрительные места кусочками папиросной бумаги с клеем БФ-2.

Для якоря понадобятся пять кусков провода длиной по 2 м. Прежде чем мотать, оклейте тонкой бумагой все части якоря, которые будут соприкасаться с обмоткой.

Конец провода длиной 5 см закрепите, обернув вокруг вала, и начинайте обмотку первого полюса. Аккуратно укладывайте витки провода, двигаясь от вала к полюсному башмаку. Затем, продолжая мотать в ту же сторону, идите от башмака к валу. Так укладывайте ряд за рядом все 2 м провода. Конец обмотки длиной 5 см закрепите на полюсе ниткой и обмотайте вокруг вала. Таким же образом обмотайте остальные четыре полюса якоря. Смажьте конец вала, в сторону которого сделаны выводы обмоток, срезом луковицы и дайте высохнуть. После этого смажьте вал клеем БФ-2 и насадите готовый коллектор. Залуженные концы пластин должны смотреть в сторону якоря. Промежутки между пластинами должны приходиться как раз посредине промежутков между полюсами. Конец вала должен выступать из коллектора на 20 мм. Конец каждой обмотки соедините с началом следующей и припаяйте к залуженному концу соответствующей пластины коллектора.

Схема обмотки якоря показана на рисунке 40.

Для обмотки статора понадобится изолированный провод диаметром 0,5–0,6 мм. Каркасы катушек склейте из тонкого картона по рисунку 40. Размер гильзы нужен такой, чтобы она надевалась на полюс статора при вынутом полюсном башмаке. Заготовьте кусок провода длиной 3 м. Оставив 10-сантиметровый выводной конец, привяжите суровой ниткой начало обмотки к корпусу и мотайте в слой, ряд за рядом, пока не намотаете все 3 м. Конец обмотки также закрепите суровой ниткой, оставив вывод длиной 10 см. Таким же образом заготовьте и остальные три катушки статора. Все их нужно мотать в одну и ту же сторону.

Наденьте все катушки на полюсы статора началом обмотки к кольцу и вдвиньте на места полюсные башмаки. Якорь оберните поверх полюсов тремя оборотами бумажной ленты и вдвиньте внутрь статора. Отрегулируйте положение полюсных башмаков статора так, чтобы все они плотно прилегали к обертке якоря.

В переднюю крестовину вставьте штепсельное гнездо и наденьте на него щеткодержатель со щетками, как показано на рисунке 40. Из голой медной проволоки диаметром 0,5–0,6 мм сверните на валу двигателя спиральку в три-четыре витка и введите ее вместе с валом в канал штепсельного гнезда. Проверьте, как вращается вал в этом подшипнике. Если он слишком зажат, подберите проволоку потоньше, если болтается, – потолще. Заложите в штепсельное гнездо подобранную спиральку.

Наденьте на вал со стороны коллектора две металлические шайбочки. Установите крестовину со щеткодержателем и подогните ножки так, чтобы шайбочки не были зажаты, когда якорь стоит точно внутри полюсов статора. В таком положении привинтите крестовину. С противоположной стороны навейте на вал тугую спираль из проволоки. Она должна кончаться, не доходя 1–2 мм до задней крышки.

Подшипник задней крышки сверните на валу из четырех-пяти витков голой медной проволоки того же диаметра, какой шел для переднего подшипника. Осторожно закрепив спираль пайкой, впаяйте ее внутрь отверстия в задней крестовине. Делать это удобнее всего, установив крестовину на место и закрепив ее гайками. Поставьте ножки крестовины так, чтобы вал якоря, зажатого в статоре двигателя, проходил через центр отверстия в ней. Натрите вал графитом от мягкого карандаша, наденьте на него заготовленный подшипник и припаяйте его к крышке. Графит не даст припою пристать к валу.

Вытянув бумажную ленту из зазора, проверьте, легко ли вращается якорь и не цепляет ли он за башмаки статора. Чем тщательнее отцентрируете якорь, тем лучше будет работать ваш двигатель.

Выполните все электрические соединения по схеме (рис. 40). Обмотки статора можно соединять по любому из трех вариантов, показанных на том же рисунке. Выбор варианта зависит от напряжения источника питания. При напряжении 4–5 в постоянного или 6 в переменного тока применяется смешанное соединение полюсных обмоток, при более низком напряжении – параллельное, при более высоком – последовательное.

Еще раз проверьте вращение двигателя от руки и приступайте к испытанию его на пониженном напряжении. Если двигатель питается от батарей, включите сначала меньшее число элементов, если от трансформатора, возьмите отвод с более низким напряжением.

Если двигатель стучит, дребезжит и т. п., остановите его и проверьте, не цепляют ли полюса якоря за статор или за провода, не погнут ли вал. Когда двигатель начнет работать нормально, отрегулируйте прижим щеток и положение щеткодержателя, чтобы искрение было небольшим. После этого погоняйте двигатель минут 10–15 без нагрузки, чтобы дать щеткам хорошо притереться. Ни в коем случае не смазывайте щетки маслом. Затем приступайте к пробам и регулировке двигателя при нормальном напряжении.

На конце вала, выступающем из задней крестовины, сделайте шкив. Его можно намотать из бумажной ленты точно так же, как делали цилиндрик для коллектора.

Трансформатор

Трансформатор – это прибор, при помощи которого переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения. Так, например, ток от осветительной сети, имеющий напряжение 127 или 220 в, можно при помощи трансформатора преобразовать в ток низкого напряжения, необходимый для питания самодельного электродвигателя.

Очень легко изготовить трансформатор, если достанете готовый сердечник от какого-нибудь старого трансформатора небольшой мощности. Подходят сердечники от силовых и звуковых трансформаторов радиоприемников, телевизоров, проигрывателей и тому подобных устройств. Они набраны из пластин специальной трансформаторной стали, имеющих форму буквы «Ш» (рис. 41).

Рис. 41. Трансформаторные пластины, катушка и выкройка обоймы.

Обычно их вставляют в катушку попеременно, то с одной, то с другой стороны, а ножку каждого «Ш» замыкают пластинами в форме полоски. Такая сборка называется сборкой «вперекрышку».

Пластины бывают разной величины. Если, например, ширина средней ножки у буквы «Ш» 20 мм, то такие пластины называют «Ш-20». Для нашего трансформатора годятся пластины от Ш-18 до Ш-25.

Толщина пакета зависит от мощности трансформатора. Нам нужна такая толщина, чтобы площадь сечения средней ножки пакета была около 6 кв. см. Для пластин Ш-18 это будет примерно 35 мм, для Ш-25 – 25 мм.

По размерам средней ножки заготовьте деревянный брусок и склейте на нем из картона прочную катушку (рис. 41). Только сначала оберните брусок двумя слоями бумаги, иначе потом склеенную катушку с него не стянете. Высота катушки должна быть на 1 мм меньше высоты средней ножки, а щечки должны входить между крайними ножками буквы «Ш».

Если напряжение тока 127 в, намотайте на катушку 1200 витков изолированного провода диаметром 0,31 – 0,35 мм. Если напряжение 220 в, намотайте 2200 витков изолированного провода диаметром 0,25 – 0,29 мм.

Концы обмотки выведите через щечки катушки. Только сначала сообразите, в каком месте щечки их выводить, чтобы при сборке трансформатора концы не попали под пластины сердечника.

Это – первичная обмотка. Когда будете ее мотать, через каждые несколько рядов провода прокладывайте ленту парафинированной бумаги или чертежной кальки во всю ширину катушки. Смотрите, чтобы крайние витки не западали возле щечек. Всю первичную обмотку оберните двумя-тремя слоями бумаги и уже поверх нее мотайте вторичную.

Число витков вторичной обмотки зависит оттого, какое напряжение нужно получить. Но наш трансформатор не предназначен для питания потребителя током одного какого-нибудь определенного напряжения. Это – лабораторный прибор. Он должен давать несколько разных напряжений для питания различных потребителей. Поэтому вторичную обмотку мы сделаем с несколькими отводами.

Напряжение во вторичной обмотке будет в несколько раз ниже, чем в первичной, зато величина тока будет почти во столько же раз больше. Тонкий провод при прохождении по нему большого тока сильно нагреется. Поэтому вторичную обмотку нужно намотать проводом диаметром не меньше 1 мм. Лучше всего взять провод диаметром около 1,2 мм.

Намотав 40 витков вторичной обмотки, сложите провод вдвое и протяните получившуюся петлю через отверстие в щечке. Это будет первый отвод. Часть обмотки между началом и первым отводом даст напряжение около 3,5 в, нужное для горения лампочки карманного фонаря. Следующий отвод сделайте еще через 28 витков. Напряжение между ним и началом обмотки будет 6 в. Сюда можно будет подключать лампочку для освещения шкалы радиоприемника или 6-вольтовую автомобильную лампочку. Наконец, намотав еще 67 витков, сделайте последний вывод. Полное напряжение всей вторичной обмотки будет 12 в. Можно будет включать 12-вольтовую лампочку.

Готовую катушку оклейте двумя слоями плотной бумаги. Затем туго набейте ее стальными пластинами «вперекрышку». Загоняя последние пластины, не перекосите их. Иначе можно углом пластины прорезать каркас катушки и повредить обмотку.

Сердечник обожмите стальной обоймой с лапками для прикрепления к панели. Такие обоймы есть у фабричных трансформаторов. Если готовой обоймы подходящего размера у вас нет, вырежьте и согните ее по чертежу (рис. 41).

Привинтите трансформатор к деревянной панели с ножками из двух реек. Выводы первичной обмотки должны заканчиваться шнуром с вилкой для подключения к сети переменного тока (рис. 42).

Рис. 42. Трансформатор и его схема.

Выводы вторичной обмотки присоедините к четырем клеммам. С нижней стороны панели прошедшие насквозь концы клемм залейте расплавленной канифолью или так называемой кабельной массой, чтобы между ними не могло возникнуть случайного замыкания, если под панель попадет проволочка или обрезок жести.

Во время работы трансформатор немного нагревается. Не обращайте на это внимания – правильно рассчитанный трансформатор должен быть теплым. Конечно, если он нагревается так сильно, что начинает дымиться, – это плохо. Значит, где-то повреждена изоляция проводов. Придется разобрать трансформатор, найти поврежденное место и устранить неисправность.

Стробоскоп

Мы все очень привыкли к кинематографу и к телевизору. Нас не удивляет, что мы видим там движущееся изображение. Но все-таки, как же оно движется?

Если рассмотреть обрывок киноленты, то на нем можно увидеть ряд картинок – кадров. На первый взгляд кажется, что все эти картинки одинаковые. Только присмотревшись, можно заметить разницу.

Вот рука у человека опущена, а вот чуть поднялась, выше, выше – и через несколько снимков она уже вытянута вровень с плечом.

Рассматривая картинки одну за другой, вы можете проследить все движения изображенных на них предметов. А если показать вам эти картинки, сменяя их быстро-быстро, с неуловимой для глаза скоростью? Вы уже не сможете заметить, когда одна картинка сменяется другой, и движение покажется вам непрерывным.

Для демонстрации этого явления вы можете сделать несложный прибор – стробоскоп – и сами нарисовать к нему картинки.

Из плотного картона вырежьте два диска диаметром 200 мм с отверстием в центре диаметром 8 мм. Только прежде чем делать центральное отверстие, надо один из дисков разметить по чертежу (рис. 43) и, положив его на кусок фанеры или доски, прорезать щели по металлической линейке хорошо наточенным ножом.

Рис. 43. Стробоскоп и его части.

Осью прибора будет круглый карандаш диаметром 7 мм или ученическая ручка. Краску с них можно не счищать – она не помешает. Для закрепления дисков на оси возьмите две обычные катушки от ниток и острым ножом отрежьте от них щечки. Сделать это легко, если покатать катушку по столу, нажимая острием ножа в месте среза.

Щечки от катушки туго наденутся на карандаш или ручку и закрепят диски, как показано на рисунке 43.

Из дощечки толщиной 10–12 мм выстрогайте ручку прибора. Ее размеры и форма показаны на том же рисунке.

Подшипники для оси согните из стальной проволоки толщиной от 0,8 до 1,5 мм. Если такой не найдете, возьмите либо шпильки для волос, либо канцелярские скрепки из проволоки потолще. Скрепки из тонкой проволоки не подойдут.

Кусок проволоки длиной 100 мм хорошо выпрямите, а потом согните так, как показано на рисунке 43. Петлю сгибайте вокруг середины заготовленной оси. На том месте, где потом встанет подшипник, проволоку гнуть нельзя: замнете ось, она будет плохо вертеться. Сначала перегните проволоку посередине, а потом обворачивайте концы. Когда концы отпустите, петля немного разойдется, и ось будет свободно в ней поворачиваться.

Концы подшипников срежьте под углом острыми кусачками или бокорезами и забейте в ручку.

Пожалуй, самая сложная часть работы – нарисовать для стробоскопа картинки. На рисунке 44 показаны в качестве образца три диска с картинками. Можете придумать сами любые другие.

Рис. 44. Диски для стробоскопа.

Вставив диск с картинками, расположите стробоскоп так, чтобы картинки были хорошо освещены. Один глаз закройте, а другой поместите против щелей стробоскопа. Вращая диски прибора, вы увидите, что картинки «оживут». Их движение будет вам казаться непрерывным.

Стробоскоп можно использовать и для наблюдения явлений, которые кажутся непрерывными, а на самом деле все время повторяются снова и снова, как картинки стробоскопа.

Сняв сплошной диск и картинки, попробуйте посмотреть через стробоскоп на трубку «дневного света» или на неоновую световую рекламу. При достаточно быстром вращении диска стробоскопа вы ясно увидите, как трубка то вспыхивает, то гаснет. Точно подогнав скорость вращения, вы можете вообще увидеть трубку почти темной.

Рассматривая таким же образом хорошо освещенную струйку воды, стекающую из водопроводного крана, вы можете увидеть, что эта струйка на самом деле не непрерывна, а состоит из цепочки отдельных круглых капель.

Просматривая кинофильмы, вы, может быть, заметили, что колеса телег, паровозов и т. п. иногда кажутся на экране вертящимися в обратную сторону. Это так называемый стробоскопический эффект. Вы можете получить его искусственно при помощи стробоскопа.

Начертите на бумажном круге колесо с восьмью спицами и поставьте его вместо пластинки на диск патефона или проигрывателя. Если рассматривать крутящееся колесо через стробоскоп, то спицы будут казаться бегущими то в одну, то в другую сторону, а то и вовсе остановившимися. Все зависит от того, с какой скоростью вы будете вращать диск стробоскопа.