История эдектрических машин

Считается, что развитие электромеханики началось с открытия М. Фарадея, однако задолго до этого были уже созданы электри­ческие машины. Еще до 182] г. много занимались емкостными электрическими машинами с электрическим рабочим полем.

Середина XVII в. О. Герике описал первую электрическую машину, представлявшую собой вращающийся шар из серы, ко­торый натирался ладонями рук.

В начало XVIII в: Ф. Гауксби заменил шар из серы полым стеклянным шаром, насаженным на ось.

В 1743 г.- ввели в конст­рукцию машин трения изолированный металлический электрод, который собирал электрические заряды, и машина непрерывно могла питать внешнюю цепь.

XVIII в.- электрические машины трения непрерывно совершенствовались. Их разрабатывали М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман, А. Т. Болотов и другие ученые.

Конец XVIII в.- ротор машин трения стали выполнять из стек­лянных дисков диаметром до 2 м. Искры в этих машинах дости­гали длины более I м.

1800 г. итальянский ученый А. Вольта создал электрохими­ческий генератор, который состоял из цинковых и медных дис­ков, разделенных кислотой.

1802 г- Русский академик В. В. Петров в. сделал батарею из 4200 мелных и цинковых дисков и по­лучил ЭДС 1700 В при мощности 85 Вт. В. В. Петров открыл яв­ление электрической дуги и наблюдал магнитные и тепловые дей­ствия электрического тока.

В 1820 г.- Ж Био и Ф. Саварр сфор­мулировали закон взаимодействия тока и магнита. В этом же го­ду Г. Эрстед опубликовал работу, в которой описано взаимодей­ствие магнитной стрелки и проводника с током; Ф. Араго предло­жил соленоид.

1821 г. X. Дэви обнаружил влияние температу­ры и материала проводника на проводимость.

1821 г. М. Фа радей изобрел электрический дпигатсль, со­стоявший из постоянного магнита 1, вокруг которого вращался проводник с током 2, подключенный к батарее химических эле­ментов Е (рис. 1.1). В этом двигателе преобразование энергии осуществлялось при постоянном магнитном поле и постоянном токе, протекающем в проводнике. Непременное условно работы двигателя — наличие скользящего контакта между неподвижной и перемещающейся частью электриче­ской цепи. В двигателе М- Фарадея кон­такт осуществлялся между ртутью, на­литой в чашу 4, и верхней опорой 3. От­крытие М. Фарадея было подготовлено развитием физики того времени.

1824 г.- П. Барлоу сконструировал двигатель, состоявший из двух медных зубчатых колец, расположенных между полюсами постоянных магнитов. Сопри­касаясь со ртутью, колесо Барлоу вра­щалось при пропускании тока.

1824 г. Ф. Араго обнаружил, что при вращении медного диска магнитная стрелка, рас­положенная над ним, увлекалась в сто­рону вращения диска.

1826 г. Закон Ома был открыт Г. Омом

1831 г.- М. Фарадей в открыл закон электромагнитной индук­ции. Как утверждал М. Фарадей, ему удалось превратить магне­тизм в электричество. Открытие этого закона явилось важным этапом развития электромеханики. Представления М. Фарадея о магнитном поле как об особом состоянии материи оказались осо­бенно плодотворными и имели важное значение для развития тео­рии и практики электромашиностроения.

1832 г. братья Пикси предложили генератор переменного тока с вращающимся подковообразным постоянным магнитом / и неподвижными катушками со стальными сердечниками 2 (рис. 1.2).

1832 г -Э. X. Ленц в. сформулировал принцип обратимости электрических машин, а в 1833 г. он экспериментально показал возможность работы электрической машины в генераторном и двигательном режимах.

1834 г.-Б. С. Якоби построил электродвигатель, который ра­ботал за счет притяжения и отталкивания электромагнитов. Дви­гатель Б. С. Якоби имел две группы электромагнитов — вращаю­щуюся 1 и неподвижную 3 (рис. 1.3). Для изменения полярности вращающихся электромагнитов использовался коммутатор 4, представлявший собой цилиндр, разделенный на части изолиру­ющими вставками. В четырехполюсной машине было четыре медных и четыре изолирующих вставки. По цилиндру скользили неподвижные щетки 2. Напряжение к ним подводилось от галь­ванической батареи.

1838 г. Б. С. Якоби установил на боте 40 электродвигате­лей, работающих на два вала, и гальваническую батарею, состо­ящую из 320 элементов. Бот плавал по Неве несколько часов. Это было первым практическим применением электрических ма­шин, оно показало, что гальванические источники электрической энергии не могут обеспечить длительную работу мощных элект­родвигателей. Источниками электроэнергии стали электрические генераторы, преобразующие механическую энергию паровой или гидравлической турбины.

1860 г. А. Пачинотти, а в 1869 г. 3. Грамм предложили коль­цевой якорь (рис. 1.4). На кольцевой магнитопровод /, в первых машинах выполнявшийся из стальной проволоки, виток к витку наматывалась обмотка якоря 2. Щетки 3 в первых машинах скользили непосредственно по обмотке. В непрерывной обмотке якоря коммутация осуществлялась за счет замыкания витков щетками. Магнитное поле создавалось магнитами 4 или электро­магнитами. Если в машине Яко­би обмотка была разомкнутой, то в этой — стала замкнутой. Эта машина содержала все основные элементы современных электрических машин.

1873 г. кольцевой якорь был заменен Ф. Гсфнер-Лльтенеком и В. Сименсом на барабан­ный.

1878 г. на барабанном якоре начали делать пазы, а в

1880 г. по предложению Т. Эди-

1885 г. венгерские электротехники О. Блата, М. Дэри и К- Циперновский предложили однофазный кольцевой, броневой и стержневой трансформатор с замкнутой магнитной системой.

1889 г. М. О. Доливо-Добровольский разработал трехфаз­ную систему переменных токов и построил трехфазный асинхрон­ный двигатель с короткозамкнутым ротором и трехфазный транс­форматор.

1890 г. трехфазная система получила всеобщее при­знание, началось широкое применение переменного тока. В 1891 г. была осуществлена передача трехфазным переменным током 230 кВ-А при напряжении 15 кВ на расстояние 170 км.

1899 г. впервые была соединена с турбогенерато­ром Паровая турбина 1 мВт в

В XIX в. емкостные машины совершенствовались и были соз­даны оригинальные машины, однако успехи в развитии индуктив­ных электрических машин были настолько впечатляющими, что постепенно о емкостных машинах даже стали забывать.

Начало XXв века началось внедрение электричества во все отрасли промышленности. Уже. мощности электростанций во многих странах достигли сотен тысяч кило­ватт.Отдельные станции стали объединять в энергосистемы, мощность которых в 20—30-х годах достигла десятков миллионов киловатт. Рост мощности электростанций привел к появлению электротехнической промышленности.

В последние десятилетия масса электрических машин была значительно снижена при улучшении энергетических показателей. Были созданы электрические машины для различных отраслей народного хозяйства, ученым-электромеханикам удалось решить многие задачи, которые ставила перед ними развивающаяся про­мышленность.

Параллельно с развитием электрических машин развивалась теория электромеханического преобразования энергии.

Теория электрических машин развивалась в работах А. Ампера, Г. Ома, Д. Джоуля, Э. X. Ленца, Г. Гельмгольца и других выдающихся ученых начала XIX в. Особое место занимают работы Д. Макс­велла, который обобщил достижения электротехники в «Тракта­те об электричестве и магнетизме» (1873). Он разработал тео­рию электромагнитного поля и вывел уравнения, которые состав­ляют теоретическую основу электромеханики.

Большое значение имеют также работы Н, А. Умова (1874) и Д. Пойнтинга (1884) о передаче и преобразовании энергии.

Пер­вой теоретической работой по электрическим машинам можно считать работу Э. Арнольда по теории и конструированию обмо­ток электрических машин, вышедшую в 1891 г.

В 90-х годах прошлого века М. О. Доливо-Добровольский, Г. Каппа и другие разработали основы теории и проектирования трансформаторов. В 11894 г. А. Гейланд теоретически обосновал круговую диаграмму асинхронной машины. В 1907 г. К- А. Круг дал точное обоснование круговой диаграммы. В 20-х годах нашг-

го столетия Ю. Фортескью предложил метод симметричных со­ставляющих.

К 30-м годам XX в. в трудах Э. Арнольда, Р. Рихтера, А. Блонделя, Л. Дрейфуса, М. Видмара, К. Штейнметца, К- А. Круга, К- И. Шенфера, В. А. Тол&инского, М. П. Костенко и других теория установившихся режимов электрических машин была разработана достаточно глубоко.

Одна из первых работ по переходным процессам — работа Р. Рюденберга. Теория переходных процессов, зародившаяся в начале этого столетия, получила бурное развитие в 60—80-е го­ды XX в. благодаря широкому применению вычислительных ма­шин.

Первые работы по математической теории электрических ма­шин появились в середине 20—40-х годов. К ним относятся рабо­ты Р. Парка, А. А. Горева, Г. Крона, Г. Н. Петрова и др. Фунда­ментальными работами по математической теории электрических машин являются работы Г. Крона, который предложил модель и уравнения обобщенной электрической машины. ⁴ В последние годы усилиями многих ученых, таких, как Б. Адкинс, И. А. Глебов, Г. А. Сипайлов, Е. Я- Казовский, С. В. Страхов, В. В. Хрущев и другие, математическая теория ин­дуктивных электрических машин развилась довольно глубоко. Применение вычислительных машин позволило анализировать установившиеся процессы как частный случай переходных про­цессов, подойти к созданию автоматизированных систем проекти­рования электрических машин.

Однако теория емкостных машин отстала в своем развитии, так как, несмотря на усилия крупных ученых А. Г. Иосифьяна, А. В. Иоффе, Н. Д. Папалекси, Л. И. Мандельштама, А. Е. Кап-лянского, А. А. Воробьева и других, не удалось создать промыш­ленных образцов таких ЭП.

В настоящее время одной из важных задач математической теории электрических машин является создание общей теории ЭП, объединяющей индуктивные, емкостные и индуктивно-емко­стные ЭП.

Развитие электромеханики ведет к созданию новых ЭП с жид­ким, газообразным ротором, электрических машин с необычной геометрией и необычных применений. Новые задачи можно ре­шить только при глубоком развитии теории электромеханическо­го преобразования энергии.