Статья о способах определения магнитных полюсов у соленоидов и электромагнитов различной формы, с привязкой к статору электродвигателя, как пример более сложного электромагнита. Текст направлен на осмысленное понимание создания и использование магнитных полей в электротехнических устройствах. Эта статься с упором на простоту и визуальное объяснение материала, без лишнего усложнения.

Статор

Возьмём статор бесколлекторного электродвигателя, в моём случае с 12 зубцами (рис.2), бывает и по больше, от количества зубцов зависит плавность вращения, обороты и крутящий момент. Подобные статоры используются в квадрокоптерах и электротранспорте. И можно сказать, что это одна из главных частей бесколлекторного (бесщеточного) электродвигателей.

 На самом деле стоит начать не со статора. Начнём, точнее уже продолжим, с компаса и магнитных полюсов

Компас и магнитные полюса

Чтобы заставить ротор вращаться, нужен статор. А что бы заставить статор "толкать" ротор, нужно знать какие магнитные полюса будут образовываться на его зубцах в каждый момент времени.

Перед тем как мотать вокруг зубцов статора медный провод, нужно прийти к пониманию как нужно мотать и что это дает.

Давайте попробуем не просто мотать провод вокруг зубцов статора по шаблону, а подойдём к делу с некоторым пониманием процесса. Для начала определимся с магнитными полюсами, то есть какие магнитные полюса будут, после намотки тем или иным способом.

Рассмотрим два способа, как можно определить магнитные полюса у электромагнита, которым по сути и является статор с обмотками.

Первый способ - с помощью компаса. Компас (рис.3), показывает своей стрелкой направление в сторону географического севера(N). Обычно за это отвечает красная сторона стрелки. (Если вы не знаете, какая по цвету часть стрелки указывает на север, то можно это проверить, открыв приложение "Компас" на смартфоне). Вторая часть стрелки компаса, она белого или синего цвета, указывает на географический Юг(S)

На самом деле, стрелка компаса не знает, где находится географический север, а также юг. И в целом стороны света. Стрелка компаса — это магнит, а магнит может взаимодействовать только с другим магнитом. Поэтому, стрелка компаса и взаимодействует с другим магнитом, точнее магнитным полем планеты Земля, которую можно представить в виде большого магнита.

Противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются

Теперь нужно понять, какая часть стрелки компаса является магнитным северным полюсом, а какая магнитным южным полюсом. Сама стрелка компаса является по сути постоянным магнитом в форме двусторонней стрелки, которая окрашена в красный и белый цвета.

Как было сказано выше, красная стрелка компаса указывает на географический север(N). Известно, что географические и магнитные полюса Земли противоположны. Там, где находится географический север(N), примерно там-же находится магнитный юг(S). А там, где находится географический юг(S), примерно там-же находится магнитный север(N). Поэтому, мы можем понять, что красная стрелка компаса в действительности указывает на магнитный юг, а белая часть стрелки указывает на магнитный север. (рис.3)

А раз красная часть стрелки компаса указывает на магнитный южный полюс Земли, значит красная часть стрелки, - сама является северным магнитным полюсом. А, следовательно, белая часть стрелки компаса является магнитным южным полюсом.  Это то, что мы хотели выяснить, а точнее понять, чтобы в дальнейшем определять магнитные полюса любого магнита или электромагнита, а также отдельных зубцов статора электродвигателя. Главное правило при этом - противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Направление намотки и полярность

Чтобы определить магнитные полюса у электромагнита или соленоида, воспользуемся компасом. Проведём несколько экспериментов: намотаем на сердечник некоторое количество витков медного провода. Начнём мотать провод на сердечник с верху в низ. И намотаем провод по часовой стрелки. Далее подадим плюс источника питания с верху будущего электромагнита, а минус подадим с низу (рис 4а).

Поднесём компас к верхней части электромагнита и увидим, что красная часть стрелки притянулась к этой области.

Так как красная часть стрелки компаса является северным магнитным полюсом(N), значит верхняя часть электромагнита является южным магнитным полюсом(S). Тогда противоположная, нижняя часть электромагнита будет являться северным полюсом(N). Так мы определили полюса электромагнита.

Компас, также можно поднести и к нижней части электромагнита. В таком случае, на нижнюю часть электромагнита указывала бы уже другая часть стрелки - белая. Я это изображать не стал, так как правило определения и взаимодействия магнитных полюсов, простое. Магнитных полюсов всегда два. Там, где один полюс,- на противоположной стороне находится другой магнитный полюс. Если северный полюс стрелки указывает на южный полюс выбранного магнита, то южный полюс стрелки будет указывать нас северный полюс выбранного магнита.

(У моего компаса, белым цветом окрашена не полностью половина магнитной стрелки, а только конец стрелки.)

Далее. Если мы поменяем подключение полярности источника питания, оставив при этом прежнее направление намотки, то магнитные полюса поменяются местами, с верху электромагнита будет север, а с низу юг. Стрелка компаса повернётся на 180 градусов и будет указывать уже своей белой частью на верх электромагнита (рис4б).

Продолжим. Теперь подадим плюс на верх электромагнита, как на (рис4а), но с тем отличием, что медный провод уже намотан не по часовой стрелки, а против часовой стрелки. При этом мотаем всегда с верху в низ. Поднесём компас, и можем увидеть, как уже белая часть стрелки указывает на верх электромагнита. Полюса при этом поменялись на северный(N) с верху и южный(S) с низу (рис.4в).

Продолжим. Оставим всё, как в предыдущем варианте, но поменяем полярность источника питания, минус теперь будет с верху, а плюс с низу. Направление намотки остаётся тем же, против часовой стрелки. Как и ожидалось, стрелка компаса опять повернётся на 180 градусов, и полюса электромагнита так же поменяются на противоположные. (рис.4г).

Таким образом можно понять, что на то, какие полюса будут у электромагнита, влияет как место подключения плюса и минуса от источника питания, так и направление намотки.

Это был первый способ, как можно определить полюса у электромагнита, а также постоянного магнита. Всё это также относится к статору электродвигателя, к его отдельным зубцам.

Есть второй способ, как можно определить полюса у электромагнита. Для этого потребуется правая рука и воображение. Этим способом можно определить полюса электромагнита совсем не используя компас.

Правило правой руки

Перед тем как начать определять магнитные полюса с помощью правила правой руки, нужно более полноценно представить себе электромагнит. Помимо северного и южного магнитных полюсов, которые обозначаются как «N» и» S», у магнита есть ещё силовые линии, которые выходят из северного полюса и входят в южный. Эти силовые линии являются способом визуализации магнитного поля(рис.5.). При отсутствии других магнитов, магнитные линии выходят из своего северного полюса и входят в свой же южный полюс. Но при появлении вблизи ещё одного магнита, силовые магнитные линии способны входить в этот магнит, в его южный полюс, после этого магниты сближаются и образуется единый, более сильный магнит, со своим северным и южным полюсами.

С помощью этого можно представить притяжение или отталкивание двух магнитов. Если силовые линии в виде стрелочек от двух магнитов совпадают по направлению, то это ведёт к притяжению между магнитами. Если они идут на встречу друг другу, то это ведёт к отталкиванию между двумя магнитами (рис. 5а).

Если собрат пальцы в кулак и отодвинуть большой палец в верх, то все пальцы, кроме большого, будут представлять собой витки из провода, по которым течёт ток. Большой палец при этом будет показывать в направлении северного полюса. То есть, всё это будет представлять собой электромагнит, где есть витки с током (4 пальца). А северный полюс — это направление большого пальца. А также южный полюс, это противоположная сторона от большого пальца. От этого будем отталкиваться далее.

Проведём четыре отличающихся друг от друга опыта, наподобие тех, которые были выше. При этом мы не будем использовать компас для определения магнитных полюсов.

Сделаем электромагнит, намотаем вокруг цилиндрического сердечника токопроводящий провод.  Мотаем против часовой стрелки, с верху в низ. Подадим плюс от источника питания с верху, а минус с низу получившегося электромагнита.

Помним при этом, что ток течёт от плюса к минусу. Далее, попробуем определить с помощью правила правой руки, где у него северный, а где южный магнитный полюс.

Опыт 1: Используя ранее описанное правило, необходимо повторить правой рукой обмотку электромагнита.

Главное, всегда копировать пальцами направление намотки реального электромагнита. Там, где плюс, там будет первый виток у электромагнита. Там же будет первый виток, который мы имитируем пальцами.

 Обхватим рукой электромагнит так, чтобы направление пальцев совпадало с направлением намотки. Таким образом, плюс от источника питания находится вблизи указательного пальца, значит он является первым витком по которому начинает течь ток, далее второй виток - это средний палец, третий виток -это безымянный палец и четвёртый виток – это мизинец.

Теперь, нужно обратить внимание на отодвинутый большой палец, он всегда указывает на северный магнитный полюс. А значит, с противоположной стороны будет южный магнитный полюс (рис.6а).

Опыт 2: Возьмём электромагнит с опыта 1 и поменяем местами подключение плюса и минуса от источника питания. Минус теперь будет с верху, а плюс - с низу.  Направление намотки остаётся то же. Как и всегда, намотка идёт с верху в низ.

Используем правую руку и применим тот же принцип, как и в опыте 1. Обхватим электромагнит так, чтобы направление пальцев совпадало с направлением намотки (против часовой стрелки). Выходит, следующее: первый виток — это указательный палец, так как он расположен ближе всего к плюсу. Последний виток, - мизинец.  Ток течёт с низу в верх: указательный, средний, безымянный и мизинец. Теперь смотрим на большой палец, он всегда указывает на северный полюс. Мы можем понять, что теперь северный полюс с низу, а южный с верху у электромагнита (рис. 6б).

Опыт 3: Сделаем электромагнит. Намотаем вокруг цилиндрического сердечника медный провод, но теперь уже по часовой стрелки. Мотаем с верху в низ. Плюс подключаем с низу, а минус с верху получившегося электромагнита.

Применим правило правой руки. Обхватим рукой электромагнит так, чтобы направление пальцев совпадало с направлением намотки. Таким образом, плюс от источника питания находится вблизи мизинца, значит он является первым витком по которому начинает течь ток, далее второй виток - это безымянный палец, третий виток -это средний палец и четвёртый виток - это указательный палец, который подключён к воображаемому минусу источника питания. При этом, отодвинутый большой палец указывает на северный магнитный полюс, который как можно понять находится с верху электромагнита (рис.6в).

Опыт 4. Возьмём электромагнит с опыта 3 и поменяем местами подключение плюса и минуса. Плюс теперь будет с верху, а минус, - с низу, а значит ток потечёт в обратную строну в сравнении с опытом 3. Направление намотки остаётся тем же.

Применим правило правой руки. Обхватим рукой электромагнит так, чтобы направление пальцев совпадало с направлением намотки. Таким образом, плюс от источника питания находится вблизи мизинца. И ток, виток за витком идёт в низ, к минусу или к указательному пальцу, который является последним витком. Как всегда, отодвинутый большой палец будет показывать в сторону северного магнитного полюса. В этом исполнении электромагнит будет иметь северный полюс с низу, а южный с верху (рис.6г).

На примере бесколлекторного электродвигателя

Для примера я взял трехфазный электродвигатель, работающий от постоянного тока, к примеру, от квадрокоптера, а точнее статор от такого электродвигателя. Этот пример нужен, для нацеленного понимания того, к чему можно применить приёмы описанные в этой статьи.

Возьмем для наглядности упрощённый вариант статора с 6 зубцами. (Рис.7а, Рис. 7б). Электродвигатель трёхфазный. Каждая фаза на изображении обозначена своим цветом. И это отдельная обмотка, со своим магнитным полем и двумя полюсами (северный и южный). По сути это электромагнит, с той особенностью, что он своеобразной формы. Сам статор можно представить как несколько электромагнитов, объединённых в одно целое.

Все фазы расположены на равном расстоянии друг от друга, а именно смещены на 120 градусов. Если посмотреть на любую фазу, например, «А», то она имеет начало и конец. Начало с верху, конец с низу. Намотка выбранной фазы начинается с верху, как пример по часовой стрелки, далее опускается в низ и продолжается, не меняя направление вращения намотки от верхней части нижнего зубца и до нижней части этого же зубца (рис.7а) (рис.8а).

Точно также, мы бы наматывали медный провод на цилиндрический сердечник, чтобы получить электромагнит (рис.8б). И в итоге, в обоих случаях у нас выходит электромагнит с двумя полюсами, северным и южным. Где северный и где южный, зависит от направления намотки и места подачи полярности от источника питания, то есть, куда мы подаём плюс, а куда минус.

Такой статор (рис.7а,б) можно условно разделить на:

Зубцы – часть, на которую наматывается токопроводящий провод в изоляции, с целью создания магнитного поля. Они же являются магнитопроводом.

Центральный магнитопровод — это центральная часть статора. Название говорит за себя. Это проводник магнитного потока.

Магнитопровод позволяет пропустить силовые магнитные линии до тех местах, где была намотана обмотка. К примеру, на примере желтой фаза «А» (рис.7а), в данном случае допустим, что северный полюс находится верху — «А1», а южный в низу — «А2». Но если вторую половину провода намотать на другом зубце, к примеру, на зубце с обозначением фазы «C1», то северный полюс останется там же, а южный будет в том месте, где находится зубец, на котором мы мотали вторую половину провода. И смещение между северным и южным полюсами будет уже 120 градусов, а не 180 градусов, как было в начале.

В реальности, такие двигатели более сложно устроены. Зубцов на статоре может быть много, сами обмотки соединяются определённым образом. Но зная, в каком направлении течёт ток и зная направление намотки, можно определить какие магнитные полюса будут образовываться на любом из зубцов статора.

Применяя правило правой руки можно определить в динамике, какие магнитные полюса будут образовываться на зубцах статора электродвигателя в каждый момент времени. При хорошем воображении это можно делать мысленно, без необходимости брать в руки электромагнит. Это поможет предсказуемо контролировать и управлять магнитными полюсами. А также понимать, как поле ротора будет вести себя в близи поля статора.