Эпоха становления и развития электрических машин

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 этим представляется вполне правомерным рассматривать отдельно ис­торию создания электродвигателя и генератора в период до 1870 г.

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

В развитии электродвигателя постоянного тока можно 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.

Возможность превращения электрической энергии в меха­ническую показывалась и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяже­нии», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, из­вестное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электро­двигателя. Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, которые сопри­касались с ванночка­ми, наполненными ртутью, и находились между полюсами по­стоянных магнитов. При пропускании тока через колеса они начинали быстро вращаться.

Рис. . Колесо Барлоу. 1 - деревянная подставка с желобками 2 и 3, наполненными ртутью, 4-5 — зажимы для подключения гальванической батареи; 6-7 — медные зубчатые колеса, укрепленные на оси 8

В качестве примера другой конструкции электродвигателя мо­жет служить прибор, описанный в 1833 г. английским ученым У. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоян­ным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами которого на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимо­действие полюсов постоянного магнита и электромагнита приво­дило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока периодически изменялось коммутатором, который представлял собой желобок с ртутью, образующий кольцо и разделенный пере­городками на две части: концы обмотки вращающегося электро­магнита касались ртути. Это был прообраз будущего коллектора. Действительно, в 1836 г. двухпластинчатый коллектор в виде раз­резанной вдоль медной трубки предложил английский физик, изо­бретатель электромагнита Вильям Стерджен (1783—1850).

Колесо Барлоу не нашло практического применения и до сих пор остается лабораторным демонстрационным прибором. Элект­родвигатель Риччи вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности также не мог получить практического применения.

Для первого этапа развития электродвигателя характерным при­мером, отражающим иное конструктивное направление, может слу­жить прибор американского физика Дж. Генри (рис. ). В 1831 г. он опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой описал по строенную им мо­дель электродви­гателя. Под полю­сами горизонтально расположенного электромагнита З, 4 спо­собного совершать карательное движе­ние, вертикально

Рис. Конструктивная схема двигателя Генри

устанавливались постоянные магниты 1, 2. Изменение полярности электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока в его обмотке, соединявшейся посредством проводников 11—14 с гальваническими элементами 5 и 6 (к электродам элементов при­паяны чашечки с ртутью 7 и 8, 9 и 1О).

Электродвигатель Генри интересен тем, что а этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноимен­ных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получе­ния непрерывного движения (в данном случае — качательного). В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., по современным оценкам имел мощность 0,044 Вт и, конечно, не мог использоваться на практике, да и сам изобретатель не прида­ет ему серьезного значения.

как на первом этапе, так и позднее было предложено много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродви­гатель с вращательным движением якоря.

Второй этап раннего развития электрических двигателей (1834—1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Вращающий мо­мент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.

Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат петербур­гскому профессору Б. С. Якоби.

Борис Семенович Якоби (1801—1874 гг.) принадлежит к числу иностранных ученых, которые, откликнувшись на приглашение русских университетов и Петербургской Академии наук, перееха­ли в Россию и связали с ней всю свою творческую жизнь. Мориц Герман Якоби принял русское имя, прожил 39 лет в России. Б. С. Якоби заинтересовался «электромагнитными вращениями» еще в пору своей деятельности в области архитектуры (он был Архитектором— строителем по образованию). С начала 30-х го­дов прошлого столетия он все более увлекается работами в области электромагнетизма. Состоя в Петербургской Академии наук с :1839 г., в 1865 г. он был избран академиком по физике, заменив умершего Э. X. Ленца.

Представляют интерес некоторые высказывания Якоби, в ко­торых он определяет свой подход к изобретению электродвигате­ля. «В мае 1834 г. я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение ...» но я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движе­ние» производимое последовательным притягивающим и оттал­кивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом. Мне казалось, что такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов. Все эти соображения заставили меня окончательно отказаться от попытки построить аппарат, получа­ющий возвратно-поступательное движение...»

Сомнения Якоби легко объяснимы: привычный паровой двига­тель давал возвратно-поступательное движение, и, конечно, хо­телось построить новый» электрический двигатель, дающий такое же «нормальное» движение. Современные работы в области ли­нейных электродвигателей свидетельствуют о том, что сама идея поступательного движения в электрических машинах не является порочной, но техническую революцию со­вершили машины вра­щательного движения.

Внешний вид первого двигателя Якоби пока­зан на рис. . Этот электродвигатель ра­ботал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов, один из которых располагался на подвиж­ной раме, другой — на неподвижной. В качестве источни­ка питания злектро-

Рис. . Внешний вид "первого" двигателя Якоби

магнитов применялась батарея гальваниче­ских элементов. Для изменения полярности подвижных электро­магнитов использовался коммутатор.

Коммутатор представлял собой оригинальную и глубоко проду­манную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех металлических колец 1 - 4, установ­ленных на валу и изолированных от него (рис. ); каждое кольцо име­ло четыре выреза по одной восьмой час­ти окружности. Вы­резы заполнялись изолирующими вклад­ками; каждое кольцо

Рис. . Коммутатор <а> и схема коммутации <б> электродвигателя Якоби I — обмотка неподвижной рамы; II — обмотка подвижной рамы; кольца 1-2 и 3-4 электрически соединены

было смещено на 45 по отношению к предыдущему. По Окружности кольца скользил рычаг 5, представляющий собой своеобразную щетку; второй конец ры­чага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которо­му подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последо­вательно и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала и электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рис

стрелками указаны направления токов для данного положения вала.

В описании машины, содержащемся в сообщении Парижской Академии наук» Б. С. Якоби, в частности, писал: «Полезная рабо­та этого аппарата, измеренная прибором, аналогичным тормозу Прони, эквивалентна работе поднятия груза в 10—12 фунтов на высоту в один фут в секунду. Успешная работа этой машины обус­ловлена удачной конструкцией коммутатора, осу­ществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот, т.е. в 1/2 или 3/4 секунды (обычная скорость вращения машины)...» Как видно, здесь содержатся результаты испытаний машины, подчеркивается важность новой детали — коммутатора, и при­водятся цифры, позволяющие судить о характеристиках работа­ющего двигателя. Например, пользуясь современной системой единиц, можно подсчитать мощность двигателя, составлявшую примерно 15 Вт.

Элементы новизны машины были настолько своеобразны, что Б. С. Якоби приводит сравнение ее с паровой машиной в духе, вполне созвучном той эпохе: «Механизм мотора очень несложен по сравнению с паровой машиной: нет ни цилиндра, ни поршня, ни клапанов и т.д., изготовление которых требует очень тонкой работы и стоит больших средств; нет также трения, благодаря ко­торому теряется больше половины всей производимой работы; в этой машине потерю составляет только трение в подшипниках. Далее, машина эта дает непосредственное постоянное круговое движение, кроме того, нет опасности взрыва».

Изобретатель был увлечен идеей создания экономичного элект­родвигателя и не сумел избежать типичного заблуждения своего времени, заявив: «Наконец, чтобы коротко определить всю значи­тельность новой силы, можно сказать: в электрической машине скорость не стоит денег». Но не следует строго осуждать ученого за эту фразу: закон сохранения и превращения энергии в полном его понимании еще не был известен» соответствующие работы Майера, Джоуля и Гельмгольца были еще впереди (40-е годы прошлого столетия).

Б. С. Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и про­явить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы в скромных масштабах свое желание «посвятить все свое время и всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для того, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для то­го, чтобы мое новое отечество, с которым я уже связан многими узами, не лишилось возможности сказать, что Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями». Эти слова он написал в записке министру просвещения и президенту Академии наук, прося у него материальной помощи для экспери­ментов. Широкой поддержки у министра Якоби не нашел, но тем не менее четыре года спустя, в 1838 г. по Неве двигался бот, вме­щавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвига­телем Якоби.

Это был уже совсем другой двигатель, и конструкция его точно отражала типичные пути изобретательской мысли: поскольку не был еще создан принципиально новый экономичный и малогаба­ритный электрический двигатель, то Якоби пошел по пути объеди­нения многих машин с электромагнитами, имеющими сосредоточенные, катушечные обмотки, в один агрегат. Сначала это был так называемый сдвоенный двигатель «первого» типа. Он имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а между ними – вращающийся диск с 12 электромагнитами. К 1838 г. Якоби создал двигатель нового типа, но в этой своей конструкции он уже не был первым.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в кото­ром взаимодействовали подвижные электромаг­ниты с неподвижными постоянными магнитами. Электродвигатель Девен-порта (рис. 4.9) имел четыре подвижных гори­зонтальных крестообразно расположенных электро­магнита 1—4 укреплен­ных на деревянном диске, жестко связанном с вер­тикальным валом. Эти электромагниты были распо­ложены внутри двух по-

Рис. Конструктивная и электрическая схемы электродвигателя Девенпорта

стоянных магнитов в форме полуокружностей 5, 6, опирающихся на деревянное кольцо. Магниты соприкасались одноименными по­люсами и создавали кольцо с двумя полюсами N и 5. На особой подставке были расположены медные пластины 8, 7, разделенные посередине изоляцией. К ним подводился ток от источника пита­ния. Концы последовательной обмотки каждой пары электромагни­тов имели пружинящие контакты 9—12. Полярность электромагнитов в соответствующие моменты изменялась коммутатором.

Сравнивая конструкции электродвигателей Якоби и Девен­порта, можно отметить, что принцип их действия одинаков (у Девенпорта появились неподвижные постоянные магниты вме­сто электромагнитов Якоби), но двигатель Девенпорта был бо­лее компактным благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных частей. Это обстоятельство не мог­ло не привлечь внимания Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно неболь­шом увеличении его габаритов.

В 1837 г. в распоряжение Якоби был предоставлен бот, вмещающий 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов, на котором предполагалось установить электродвигатель и произвести затем соответствующие испытания и технико-экономические подсчеты, В процессе совершенствования двигателя Якоби пошел по пути конструктивного объединения на общем вертикальном валу не­скольких электродвигателей в один агрегат, расположив непод­вижные и вращающиеся магниты в одной плоскости. При этом увеличивались размеры электродвигателя в вертикальном направ­лении, что было вполне удобно для опытной судовой установки.

Двигатель Якоби конструкции 1838 г. представлял собой ком­бинацию 40 небольших электродвигателей (Рис. ), объединен­ных по 20 шт. на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине.

Для питания током обмоток электромагнитов на «электрическом боте» были установлены гальванические элементы. Измене­ние направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами.

Рис. 4.10. Модель элементарного электродвигателя Якоби "второго типа" 1838г.

1-2 — зажимы обмоток двух неподвижных электромагнитов; 3 — зажим коммутирующе­го устройства: 4 — один из четырех электро­магнитов, расположенных крестообразно

Отсутствие экономично­го, менее громоздкого ис­точника электроэнергии не могло не сдерживать энту­зиазма современников. Тем не менее первый успех был налицо, и одна из петер­бургских газет писала в 1839 г.: «... катер с двенад­цатью человеками, движи­мый электромеханической силой (в 3/4 лошади), хо­дил несколько часов противу течения, при сильном противном ветре». Что бы ни было впоследствии, важ­ный шаг уже сделан, и Рос­сии принадлежит слава первого применения теории к практике».

Испытания показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании их током от гальванических батарей механическая энергия получа­ется чрезмерно дорогой. Немецкий академик Вильд подсчитал в 1876 г., что одна лошадиная сила в двигателе Якоби обходилась в 12 раз до­роже, чем в случае паровой машины. Необходимо отметить, что для преодоления основного недостатка гальванических батарей — малой энергоемкости — требовалось использовать очень много элементов, а это требование для многих транспортных установок было неприем­лемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов. Произведенные опыты, а также теорети­ческое исследование привели Якоби к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависи­мости от удешевления электроэнергии, то есть от создания генерато­ра, более экономичного, чем гальванические батареи.

Однако Якоби не мог еще обнаружить принципиального недо­статка двигателей со стержневыми электромагнитами, в этих дви­гателях происходит постоянное включение и выключение катушек, и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поля в ма­шине непрерывно требуется электрическая энергия, которая при от­ключении катушек преобразуется в тепло. Поэтому по логике развития вскоре должны были появиться непрерывные обмотки, ко­торые обеспечивают электромеханическое преобразование энергии в установившемся режиме без изменения энергии магнитного поля.

Рассмотренные электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромаг­нитов, вращающий момент на валу отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стерж­невых якорей действие таких электродвигателей было пульсирую­щим. При столь резких и частых изменениях вращающего момента и при указанных выше низких технико-экономических показателях подобных электродвигателей, их применение в систе­ме электропривода представлялось малоперспективным.

Некоторые из электродвигателей, построенные в 40—60-х годах XIX в., действовали на принципе втягивания стального сердеч­ника в соленоид. Получавшееся при этом возвратно-поступатель­ное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами, например, электродвигатель Бурбуза (рис. ). Как видно из конструкции электродвигателя, мысль его изобретателя нахо­дилась в плену кине­матических схем па­ровых машин, в кото­рых возвратно-посту­пательное движение штока поршня преоб­разовывалось во вра­щательное движение вала посредством ба­лансира, кривошипно-шатунного механиз­ма. И Т.П.

Рис. Электродвигатель Бурбуза

1-2 — катушки электромагнитов с втягивающи­мися сердечниками; 3 - переключатель

Новый, третий этап в развитии электродвигателей постоянного тока, связан с разработкой конструкций, содержащих непрерывную обмотку на якоре. Конструктивно якорь выполнялся сначала в виде кольца или полого цилиндра с обмоткой кольцевого типа, когда провод при намотке пропускался через внутреннюю по­лость, затем стали выполнять цилиндрические сердечники с обмоткой барабанного типа, когда провод размещался только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного потока входили в сердечник якоря перпенди­кулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.

Первым конструкцию Кольцевого якоря предложил в I860 г. студент (впоследствии профессор) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1841—1912гг.). Электродвигатель Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнит-

Рис. . Электродвигатель Пачинотти

ном поле электромагнитов (рис. 4.12). Якорь, имеющий форму сталь­ного кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное со­противление и облегчало крепление обмотки) и латунными спицами» укреплялся на вертикальном валу. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводи­лись к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся ролика­ми. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсными наконеч­никами, включалась последовательно с обмоткой якоря, т.е. согласно современной терминологии, машина имела последова­тельное возбуждение.

Вращающий момент в электродвигателе Пачинотти был прак­тически постоянным. Габариты двигателя были невелики по срав­нению с размерами других электродвигателей равной мощности. Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что им был сделан следующий важный шаг на пути создания современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения и коллектор, по существу, современного типа.

А вот как сам изобретатель оценивал достоинства своей маши­ны (опубликовано в 1863 г.): «В принятом расположении ток не перестает циркулировать в обмотках, и машина двигается не толчками, которые следуют друг за другом более или менее часто, но парой сил, которая действует непрерывно... Кольцеобразная кон­струкция якоря способствует... наименьшей затрате живой силы на толчки и трение... Выступающие наконечники неподвижного электромагнита, продолжая действовать на зубцы магнитного ко­леса и охватывая очень большое их число, не останавливают своего действия пока в них остается магнетизм... Искры увеличиваются в числе, но очень уменьшаются в интенсивности, так как отсутству­ют сильные экстра-токи при открытии цепи, которая может быть всегда закрытой, и только когда машина действует, индуктивный ток продолжается в направлении, противоположном направлению тока батареи». Далее он говорит о том, что эта машина может быть превращена в генератор, если заменить электромагниты, возбуждающие поле, на постоянные магниты.

Из приведенных рассуждений изобретателя следует, что он до­статочно отчетливо понимал физические процессы в электродвигателе и пришел к мысли об обратимости электрической машины, нo не знал еще принципа самовозбуждения, почему и считал нуж­ным при обращении двигателя и генератор заменить электромаг­ниты постоянными магнитами.

Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины, принципа обратимости, бесспорно принадлежит Эмилю Христиановичу Ленцу (1804—1865 гг.). В докладе Петербургской Академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г. этот принцип представляется в виде следствия из сформулированного здесь же закона, обессмер­тившего имя великого физика — закона Ленца. Более четко прин­цип обратимости был еще раз сформулирован Э. X. Ленцем в статье "О некоторых опытах из области гальванизма", где было написано: Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить провод­нику гальванического тока каким-либо иным способом то движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникает ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте.