Сначала был электродвигатель

Развитие техники знает немало сложных и острых моментов, принимавшихся как кризисы, выход из которых сопровождался "Фудными и долгими усилиями ученых, изобретателей и организаторов производства. К числу таких событий можно отнести энергети­ческий кризис XVII—XVIII столетий, когда водяное колесо, хоро­шо послужившее прогрессу человечества в эпоху мануфактур, стало сдерживающим фактором дальнейшего развития капита­листического производства, ограничивая мощность и масштабы механического привода. Пришедший на смену ранней гидроэнер­гетике «его величество пар», перевернувший, по выражению К. Маркса, промышленное производство в XVIII в., породил мощную и быстро развивающуюся теплоэнергетику с паровыми котлами и машинами.

В начальный период развития электрических двигателей их изобретателям приходилось вступать в дискуссии по такому пово­ду: так как для производства электрической энергии с помощью электромашинных генераторов все равно необходим первичный паровой двигатель, то не целесообразнее ли приводить в действие станки непосредственно от парового двигателя, не теряя напрасно энергию при ее многоступенчатых преобразованиях? Аргументы в пользу индивидуального привода и транспорта электроэнергии на большие расстояния появились только в последней четверти про­шлого столетия, когда назрел новый энергетический кризис, свя­занный с ограниченными возможностями теплового центрального двигателя. Выйти из этого кризиса позволили электрические ма­шины, которые за несколько десятилетий совершили новый пере­ворот в промышленном производстве.

Важнейшими научными предпосылками электромеханики по­служили достижения в области электродинамики и открытие электромагнитной индукции. Свою положительную роль при раз­работке первых конструкций электрических машин и электромаг­нитных „устройств сыграл и опыт конструирования машин и механизмов доэлектрического периода.

Первоначально развитие электрических генераторов и электри­ческих двигателей шло раздельными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был от­крыт только в 30-х годах, но его использование в широких масш­табах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с зтий представляется вполне правомерным рассматривать отдельно ис­торию создания электродвигателя и генератора в период до 3870 г

А поскольку единственным надежным н изученным источником электроэнергии был до середины XIX века только гальванический цемент, то естественно, первыми стали развиваться электриче­ские машины постоянного тока.

В развитии электродвигателя постоянного тока молено наметить три основных этапа, впрочем, достаточно условных, так как конст­рукции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много лет. Вместе с тем, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зачаточной форме нередко можно найти в первоначальном пе­риоде развития электродвигателя. Для характеристики каждого эта­па совершенствования электродвигателя в дальнейшем изложении рассматриваются только наиболее типичные конструкции.

Начальный период развития электродвигателя (1821 —1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механиче­скую и начинается с описанного выше опыта Фарадея (рис. 4.1).

Первую установку, демонстрирующую непрерывное вращение магнитов и проводников с током друг около друга, в 1821 г. построил Фарадей.

Установка (рис. 31) состояла из двух чашек 1 и 2, наполненных ртутью, в ко­торые через днища были введены проводники 5 и 6, соединенные с полюсами гальванической батареи. В чашки помещались магниты 3 и 4. Магнит в правой чашке закреплялся жестко и был неподвижен, а левый магнит присоединялся к проводнику 5 ниткой и находился в свободном состоянии. На стойке между чашками было укреплено коромысло 7, левое плечо 8 которого было неподвижно и погружено в ртуть в левой чашке. В правую чашку опускался свободно висящий металлический стержень 9, подвешенный к правому плечу коромысла. Ртуть в чашках обеспечивала подвижный контакт. При пропускании тока через цепь подвижные части установки начинали вращаться – в левой чашке магнит вокруг проводника, в правой – проводник вокруг магнита.

Барлоу «Исследование магнитных притяже­ний», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, из­вестное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электро­двигателя.

«звездное колесо» или «колесо Барлоу» (рис. 32).

На деревянной подставке 1 на стойках устанавливалась ось 8 с закрепленными на ней медными зубчатыми колесами 6 и 7. Нижние зубцы колес располагались между полюсами постоянных магнитов и соприка­сались с ртутью, налитой в желоба 2 и 3. К желобам от вольтова столба подводились проводники (на рисунке не показаны). В результате взаимодействия поля постоянного магнита с электрическим током, протекающим через зубец, соприкасающийся с ртутью, происходило вращение колеса с достаточно большой скоростью. Изменение направления тока путем перемены контактов или изменение положения полюсов магнитов приводило к изменению направления вращения колес.

Рис. 32. Колесо Барлоу	Рис. 33. Электродвигатель Риччи

В 1838 г. Якоби построил более мощный двигатель, состоящий из 40 элементов. Неподвижная часть каждого из них (рис. 36) представляла собой два дугообразных электромагнита 1, соединенных между собой скобами из немагнитного материала 2. Внутри помещалась система из четырех укрепленных на валу, свободно вращающихся электромагнитов 3. Направления токов в подвижных электромагнитах с помощью специального коммутатора менялись таким образом, чтобы взаимодействие магнитных полюсов подвижной и неподвижной части (их взаимное притяжение и отталкивание) обеспечивало вращающий момент одного направления.

Проведенные испытания подтвердили возможность применения электродвигателя для практических целей, но в то же время установили, что применение гальванических батарей в качестве источника крайне неэкономично. Дальнейшие исследования показали, что решение вопроса о широком применении электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, т. е. от создания более экономичного генератора электрической энергии.

Несмотря на то, что первые двигатели могли питаться только от гальванических батарей, они, тем не менее, находили практическое применение уже в то время. Например, в типографиях, работавших периодически, а не в течение целого рабочего дня, было выгоднее устанавливать электродвигатели, а не паровые машины. В этих и аналогичных случаях имел распространение электродвигатель французского электротехника П. Фромана (рис. 37).

Электрический ток в его двигателе с помощью специального коммутатора поочередно подводился к неподвижным электромагнитам, размещенным на станине. На вращающемся колесе на равных расстояниях друг от друга параллельно оси располагались толстые пластины из мягкой стали. Ток по обмоткам электромагнитов протекал в таких направлениях, что их притягивающее действие на пластины происходило всегда в одном и том же направлении, в результате чего вал машины приводился во вращение.

Предпринимались попытки создать электродвигатели, основанные на принципе поочередного втягивания стальных сердечников в два различных соленоида; получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Фактически здесь использовались принципы и кинематические особенности работы паровых машин. Такими были электродвигатели, построенные в 1845 г. профессором Колумбийского колледжа Ч. Пейджем (рис. 38), и в 1850 г. профессором Парижского университета Бурбузом (рис. 39).

Рис. 38. Двигатель Пейджа	Рис. 39. Двигатель Бурбуза

Третий этап в развитии электродвигателей определяет появление нового, принципиально важного направления в разработке и построении электрических машин. Первый шаг на этом этапе сделал итальянский ученый, профессор физики Болонского и Пизанского университетов А. Пачинотти. В 1860 г. он создал новую конструкцию электродвигателя, имеющего практически постоянный вра­щающий момент (рис. 40). Якорь 3 в форме стального кольца, укрепленный с помощью латунных спиц на вертикальном валу, вращался в поле двух электромагнитов 1, снабженных полюс­ны­ми наконечниками 2. Для облегчения крепления обмотки якорь снабжался зубцами. Концы катушек якорной обмотки присоединялись к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к коллекторным пластинам осуществлялся с помощью контактных роликов. Обмотки электромагнитов включались последовательно с обмоткой якоря, т. е. по совре­менной терминологии машина имела последовательное возбуждение. Бла­годаря боль­шому количеству витков, равномерно распределенных по всей длине якоря, вра­щающий момент практически не имел пульсаций. Двигатель имел небольшие габариты и удобную схему возбуждения. В 1863 г. Пачинотти опубликовал статью о конструкции своей машины, в которой указал на возможность обращения двигателя в генератор. Но публикация осталась незамеченной, и идея кольцевого якоря сразу не получила развития. Основные потребности промышленности в механической энергии в 60-х гг. XIX в. вполне удовлетворялись паровым двигателем, тем более, что в то время еще не было экономичного источника электрической энергии. Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет в конструкции генератора.

Впервые возможность получения электрического тока на принципе электромагнитной индукции была продемонстрирована Фарадеем на установке, описанной им вместе с первыми опытами по электромагнитной индукции (рис. 41). Между полюсами постоянного магнита он расположил медный диск так, чтобы силовые линии магнитного поля проходили через него перпендикулярно его плоскости. К краю и к центральной части диска прижимались скользящие контакты, щетки, присоединенные проводниками к гальванометру. При вращении диска гальванометр показывал непрерывное протекание тока. При перемене направления вращения диска направление тока также менялось на противоположное. Это устройство, называемое часто диском Фарадея, представляет собой так называемый униполярный генератор – первый машинный источник постоянного тока. В развитии электрического генератора так же, как и в развитии электродвигателя, можно выделить три этапа. Первый этап, начавшийся сразу после открытия Фарадеем электромагнитной индукции и продолжавшийся практически три десятилетия, характеризовался созданием электрических машин с возбуждением магнитного поля постоянными магнитами. Такие генераторы в то время получили название магнитоэлектрических.

Началом третьего этапа в развитии электромашинных генераторов является 1870 г., когда французский изобретатель, бельгиец по происхождению, З.Т. Грамм получил патент на генератор нового типа, в котором принцип самовозбуждения совмещался с конструкцией кольцевого якоря (рис. 50). Грамм усовершенствовал якорь Пачинотти, изготовляя его из пучков стальной проволоки, снижая тем самым потери на вихревые токи; кроме того, Грамм предусмотрел возможность построения многополюсных машин.
В генераторе Грамма был применен почти современный коллектор. Генератор давал постоянный ток, практически неизменный по величине.

Рис. 50 Схема соединений и внешний вид генератора с кольцевым якорем
Грамма для осветительных установок: 1 – чугунная станина; 2 – электромагниты;
3 – полюсные наконечники; 4 – кольцевой якорь; 5 – коллекторные пластины

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и весе. Сравнение машины Грамма с машиной «Альянс» показывает, что генератор с кольцевым якорем имеет вес на 1 кВт мощности примерно в 6 раз меньший, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что он стал весьма востребованным. Он быстро вытеснил другие типы и получил широкое распространение. В период с 1870 по 1875 гг. завод Грамма выпускал ежегодно по несколько десятков машин, а уже в одном только 1876 г. их было выпущено почти тысяча.

К этому времени принцип обратимости электрических машин был хорошо известен. Двигатели и генераторы перестали рассматриваться как обособленные, независимые друг от друга устройства. После Венской международной выставки (1873) машина Грамма стала использоваться как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Так как активные части электродвигателя и генератора имеют принципиально одинаковые устройства, в дальнейшем их развитие пошло параллельно, по одному пути.

Генератор с кольцевым якорем представлял собой практически современную машину, однако нуждался в некоторых усовершенствованиях, которые были сделаны в 70–80-х гг. XIX в. Главным недостатком кольцевого якоря было плохое использование меди в его обмотке: в создании ЭДС участвовали только части витков, обращенные к полюсным наконечникам. В 1873 г. немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь барабанным. В барабанном якоре в создании электродвижущей силы участвуют обе стороны каждой секции обмотки, не используются только их лобовые части. С 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшать воздушный зазор в машине. С целью снижения потерь на вихревые токи с 1880 г., по предложению Эдисона, якорь стали делать шихтованным, т. е. набирать из тонких стальных листов, оклеенных бумагой. Впоследствии оклейка бумагой стала заменяться покрытием тонким слоем лака. Тогда же для улучшения условий охлаждения якоря американский изобретатель Х. Максим предложил устраивать в якоре каналы для прохождения воздуха. С 1885 г. стали применять шаблонную обмотку, что позволило снизить стоимость машин и улучшить качество обмотки. Важными усовершенствованиями являлись введение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г. – дополнительных полюсов.

В течение 70–80-х гг. XIX в. машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали ее основных принципов, а были направлены на повышение качества конструктивных узлов, улучшение использования активных материалов и изоляции, на улучшение качества щеток и т. д.

Открытие в 1831 г. явления электромагнитной продукции указало новый способ получения электрического тока который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе — диске Фарадея. Один из первых шагов в истории генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразгаданной. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг, оставалось неизвестным. Дадим слово Фарадею. «Вчера, по возвращении в город, — писал ученый в редакцию известного лондонскогонаучною журнала 27 июли 1832 г.,— я нашел закрытое письмо, — оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Но, «ввиду того, что он описывает опыт, при котором впер­вые удалось получить химическое разложение магнитоэлектриче­ским током, я посылаю Нам это письмо для опубликования...»

Письмо было подписано двумя латинскимн буквами »Р. М,* Так и вошел в историю техники «.-генератор Р. М. ». Эта машина представляла собой синхронный многополюсный генератор, т.е. была генератором переменного тока. Письмо Р. М. привлекло к проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публика­цию и сам «Р. М.», в марте 1833 г. он обратился и редакцию жур­нала с благодарностью Фарадею за публикацию письма и описанием усовершенствовании в машине. Главное нз них — до­бавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь сердечников электромагнитов.

И снопа та же подпись: «Р. М.» На рис. 4.13 представлен усовер­шенствованный вариант генератора. Фарадей также способствовал опубликованию в журнале письма Сальватора даль Негро (апрель 1832 г.), работавшего в городе Падун (Италия), В этом письме описан генератор с возвратно-поступательным движени­ем блока из четырех постоянных магнитов, полюса которых в холили в соединенные определенной после­довательности катушки. Это тоже был генератор переменного тока.

Однако переменный ток в то временно не мог еше найти себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели требовался постоянный ток Знаменитый Ампер требовал, чтоб электрические машины давали настоящий, т.е. постоянны» ток. Поэтому в

последующем изобрета­ли направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей раз­нообразные коммутационные устройства.