Основные этапы развития электродвигателя: принципы, конструкции, авторы.

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).

Возможность превращения электрической энергии в механическую показывалась и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», 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 (pиc. 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. 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. 4.6). В 1831 г. он опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой описал построенную им модель электродвигателя. 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 о сталкивание 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 опенкам имел мощность 0,044 Бт и, конечно, не мог использоваться на практике, да к сам изобретатель не придавал ему серьезною значения.

Как на первом этапе, так к 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 врашательным движением явно полюсного 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 5. 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, сначала в Дерпте, а затем в Петербурге.

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.

В 1834 г. Б. С. Якоби послал в Парижскую Академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное описание электродвигателя Якоби было опубликовано в 1835 г.

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 перечней, но техническую резолюцию совершили машины вращательного движения, Внешний вид первого двигателя Якоби показан т рис. 4.7. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов» один из которых располагался на подвижной раме, другой — на неподвижной.

В качестве источника питания электромагнитов 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. 4.8); каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись тестирующими вкладками; каждое кольцу 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. 4.8 стрелками указаны направления токов для данного положена 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 жиротропа или коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот, т.е. в 1/2 или 3/4 секунда (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 Гельмшлыдэ 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 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 ли 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 электромагнитам и. 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 Девенпорта (рис. 4.9) имел четыре подвижных горизонтальных крестообразно расположенных электромагнита 1—4, укрепленных на деревянном диске, Жестко связанном с перекальным валом. Эти электромагниты были расположены внутри двух постоянныхмагнитов в форме полуокружностей 5, 6, опирающихся на деревянное кольцо. Магниты соприкасались одноименными по. люсами и создавали кольцо с двумя полюсами N и S. На особой подставке были расположены медные пластины 5, 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. 4.10), 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, аналогичными описанным выше.

Вращение с вертикальных валов с помощью конических шестерен передавалось на горизонтальный, на котором укреплялись гребные колеса, расположение по обоим бортам «электрического бота».

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 против 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 в током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой. Немецкий академик Вилы 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 гальваничсских 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 двух двигателях происходит постоянное включение и выключение катушек, и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поле 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, ив 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 шатуннo-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами, например, электродвигатель Бурбуза (рис. 4.11). 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.

Как например электродвигателя, обладавшего признаками, характерными для первого этапа и получившего известность, можно указать на конструкцию французского механика и оптика Поля Густава Фромана, Этот двигатель работал на принципе притяжения железных пластин электромагнитами, направление тока в обмотках которых изменялось коммутатором. В статье д. А. Лачинова «Электромеханическая работа», публикация которой началась в первом номере первого русского электротехнического журнала «Электричество» (1880 г.), приводятся следующие данные о двигателе Фромана, демонстрировавшемся на Всемирной выставке в Париже в 1867 г.: мощность — 1 л.с., масса — 47 пудов (769 кг) и КПД — 22%. Для сравнения укажем, что современный электродвигатель постоянного тока соответствующей мощности весит примерно в 13 раз меньше.

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 1860 г. студент (впоследствии профессор) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1841—1912 гг.).

Электродвигатель Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном 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 полюсным» 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 мути создания современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения й 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 папе, 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, но не знал еще принципа самовозбуждения, почему и считал нужным при обращении двигателя и генератор заменить электромагниты постоянными магнитами.

В 1863 г. Пачинотти опубликовал сведении о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточно внимании, к изобретение было на время забыто. Несмотря на большой интерес с принципиальной точки., зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идеи кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет 3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.

Особо следует остановиться на открытии принципа обратимости электрических машин. Сама логика исследований Б. С. Якоби, относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть его в самом начале 30-х годов прошлого века к этому открытию. И еще не зная, вероятно, о работах своего выдающегося современника и будущего друга академика Петербургской Акатемни наук Э. X. Ленца, в мемуарах 1835 г. Якоби писал: «Будучи приведенной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока, машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из перемещающихся магнитов и способных производить магнитоэлектрический ток в направлении, противоположном гальваническому току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины, принципа обратимости, бесспорно принадлежит Эмилию Хрнстшшанпчу Ленцу (1804—1865 гг.). В докладе Петербургской Академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г. и опубликованном в известнейшем в то время журнале «Poggendorff's Annalen» в 1834 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 записано: «Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить проводчику 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».

Поиск по сайту: