Основные этапы развития электродвигателя

В развитии электродвигателей постоянного тока можно выделить три основных этапа, 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 электродвигателей.

· Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В основном преобладают конструкции с качательным движением подвижного элемента, названного якорем.

Одним из исторических примеров развития электродвигателя является «колесо Барлоу». Оно представляло собой два медных зубчатых колеса, укрепленных 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. 4.5).

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.

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. 4.6). Под полюсами горизонтально расположенного электромагнита 3, 4, способного совершать качательное движение, вертикально 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 10).

Электродвигатель Генри интересен тем, что в 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 совершал75 качений 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 придавал 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 важные работы по конст­руированию электродвигателей этого рода принадлежат петербур­гскому профессору Борису Семеновичу Якоби.

В 1834 г. Б. С. Якоби построил электродвигатель, работающий на принципе притяжения и отталкивания между электрическими магнитами. Двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна (4 пары) располагалась на неподвижной раме, а другая, аналогичная, - на вращающемся диске. Источником питания служила батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электрических магнитов применялся специально разработанный коммутатор, который 8 раз за оборот изменял полярность тока в катушках подвижных электрических магнитов. Мощность подобного двигателя составляла примерно 15 Вт.

Стремление увеличить мощность привело Якоби в 1838 г. к конструкции двигателя сдвоенного типа. Он имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а между ними – вращающийся диск с 12 электромагнитами. Это, однако, не дало существенного увеличения мощности. Требовалось новое конструктивное решение, которое Якоби и нашел через несколько лет.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил двигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными магнитами.

Сравнивая двигатели Якоби и Девенпорта, следует отметить, что принцип их действия одинаков. Девенпорт даже сделал шаг назад, заменив электромагниты Якоби постоянными магнитами, которые в то время имели большую массу и были подвержены размагничиванию. Однако в конструктивном отношении этот двигатель был более компактным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной плоскости. Это обстоятельство не могло не привлечь внимания Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно неболь­шом увеличении его габаритов.

Испытания указанных двигателей показали возможность практического применения электрических двигателей, но в то же время обнаружили, что в случае питания их от гальванической батареи механическая энергия получается чрезвычайно дорогой. Проводимые опыты, а также теоретические исследования Якоби привели к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи, которые Якоби приходилось использовать в большом количестве.

Рассматриваемые электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания электрических магнитов. Они снабжались якорями в виде стержня с обмоткой (явнополюсной). Этим электродвигателям были свойственны следующие недостатки: большие габариты при сравнительно малой мощности; большое рассеяние потока и малый КПД. Кроме того, вращающий момент на валу отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями якорей действие таких двигателей было пульсирующим. Практическое применение такие двигатели нашли вряд – ли.

Некоторые из двигателей, построенные в 40 - 60 гг. XIX в., действовали по принципу втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращательное с помощью шатунно-кривошипного механизма.

· Третий этап (после 1860 г.) в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с якорем, выполненным в виде кольца или полого цилиндра с непрерывной обмоткой кольцевого типа. При этом провод при намотке пропускался через внутреннюю полость. Затем стали выполнять цилиндрические сердечники с обмоткой барабанного типа, с размещением провода только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного поля входили в сердечник якоря перпендикулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.

Первый шаг в этом принципиально новом направлении в 1860 г. сделал итальянский ученый Антонио Пачинотти.

Его электродвигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами (зубцы уменьшали магнитное сопротивление и облегчали крепление обмотки), вращался 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, имеющих полюсные наконечники, включалась последовательно с обмоткой якоря (двигатель имел последовательное возбуждение).

Преимущества двигателя Пачинотти: практически постоянный вращающий момент, удобная схема возбуждения, коллектор практически современного типа, небольшие габариты. Основное значение работы Пачинотти – замена явнополюсного якоря неявнополюсным, что является важным шагом на пути создания современной машины постоянного тока.

Пачинотти пришел к выводу об обратимости созданной им электрической машины, но не знал принципа самовозбуждения, поэтому для обращения двигателя в генератор считал нужным заменить электромагниты постоянными магнитами.

Право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины – принципа обратимости – принадлежит Эмилию Ленцу. Этот принцип является следствием знаменитого закона Ленца, сформулированного в 1833 г. Ленц писал: «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».