Основные этапы развития электромашинных генераторов : принципы, конструкции, авторы.

В начале развития электрических машин большое внимание было уделено электродвигателям, что объяснялось тем простым обстоятельством, что источники электроэнергии — гальванические элементы существовали и широко использовались. Но достаточно скоро, в частности в работах Б. С. Якоби, зазвучали критические ноты относительно электрохимических источников. «Я хочу отметить, — докладывал Б. С. Якоби Академии наук в 1842 г.,— что известные условия создали при проведении этой работы такие исключительно тяжелые осложнения, что под конец они стали почти непреодолимыми, особенно вследствие размеров машин... гальванические батареи не следует устанавливать для электромагнитных машин... Но на одном пункте необходимо стоять твердо и неуклонно — я имею в виду дальнейшее развитие науки. Дайте нам только время...»

Как видим, громоздкие и малоэффективные гальванические батареи сводили на нет усилия по конструированию и изготовлению электродвигателей. Сын знаменитого изобретателя паровоза Роберт Стефенсон подсчитал в 1862 г., что энергия гальванического электричества стоила в два раза дороже ручной работы. Назрела необходимость в создании более экономичного и мощного источника электрической энергии.

Однако несколько слов следует предварительно сказать и об электрохимических источниках.

Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью. К числу таких элементов принадлежали вольтов столб и его видоизменения. Но вследствие явления поляризации действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они были неудобны в эксплуатации. В 1829 г. А. С. Беккерель (открывший явление поляризации) создал более совершенную конструкцию элемента с двумя жидкостями. В 1836 г. Даниэль создал элемент с деполяризатором, который был назван постоянным элементом.

Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была установлена еще в начале XIX в., но только в 1854 г. немецкий ученый В. Зинстеден открыл способ аккумулирования. В 1859 г. француз Г. Планте, по-видимому, независимо от Зянстендена наблюдал то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор.

Несмотря на то что электрохимические источники получили до 70-х годов прошлого века значительное распространение, проблема экономичного источника электрической энергии была решена только созданием совершенной конструкции электромашинного генератора.

Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какой-либо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускорялся требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применена электричества, то последние стимулировали, ускоряли работу по созданию более совершенной конструкции генератора. В развитии электрического генератора постоянного тока можно разделить на четыре этапа. Первый этап (1831 — 1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов Такие генераторы получили в то время название магнито- электрических машин. 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 латинскими 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 ещё 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.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. О существе предложения Пиксии можно судить по рис. 4.14. При вращении подковообразного постоянного магнита наводилась переменная ЭДС в двух неподвижных катушках со стальными сердечниками. Магнит приводился во вращение посредством рукоятки и конической передачи. Концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера, идея которого ясна из рис. 4.6. В начале 30-х годов индуктированный ток был еще непривычной новинкой, открытой Фарадеем. Поэтому Ампер в докладе о генераторе Пиксии счел нужным подчеркнуть, что с помощью тока от этого генератора «были получены: интенсивные искры; довольно сильное сотрясение; онемение и непроизвольное движение пальцев...; сильное расхождение золотых листиков в конденсаторе Вольта; довольно сильное разложение воды, слегка подкисленной серной кислотой для улучшения ее проводимости».

Но главное, что счел нужным отметить Ампер, это «счастливая мысль», пришедшая Ипполиту Пиксии по поводу «выпрямления» тока. Пластинчатый барабан с прижимающимися к амальгамированным поверхностям пластин подпружиненными медными или бронзовыми пластинами-щетками стал основой коммутирующих устройств для всех последующих конструкций генераторов постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э. X. Ленц и имея, но на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип обратимости.

Недостатком машин Р. М. и Пиксии явилось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки. При этом проще было выполнить и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Первым генератором, получившим практическое применен® был магнитоэлектрический генератор Б. С. Якоби. Занимая усовершенствованием методов электрической взрывания мин Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнит электрической батареей» (рис. 4.15). При вращении катушек зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них наводилась ЭДС ; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в виду двух полуцилиндров, представляющее собой простейший двух пластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших для воспламенения минных запалов.

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генералов примело к увеличению числа постоянных магнитов, Этот путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигателей тенденцию: для увеличения мощности соединить несколько элементарных машин в одну. Наибольшее распространение в лабораторной практике 40—50-х годов прошлого века получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Э. Штегера с тремя вращающимися постоянными магнитами (1843 г.). Этот генератор использовался учеными (в том числе Ленем и Якоби) д:ы исследования щмцессон в магнитоэлектрических машинах.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на мамках в симли с развитием морскою транспорта. Еще в 1849 г. профессор Полле (Бельгия) принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках. избрав уже проторенный путь комбинировании в одном агрегате большого числа машин. Работы Полле были продолжены Ван Мальдереном (Франция) и Холмсом (Англия), и к 1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для производства таких генераторов была организована в Париже электропромышленная компания «Альянс» (отсюда произошло и название новой машины*.

В генераторе «Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рилами магнитов устанавливались на валу диски с большим числом катушек-якорей (рис. 4.16). В изображенной на рисунке машине было 40 магнитов и 64 стержня (явнополюсных якоря). Различные варианты машины «Альянс» имели разное число рядов магнитов (J, Л, 7). На налу генератора укреплен коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от Друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило пол действием тяг, идущих от Центробежного регулятора, который был связан с валом машины. В генераторе «Альянс» можно было варьировать сам моток катушек, в результате чего менялась ЭЛС.

В результате генератор мог давать либо большой ток низкого напряжения и служить, например для целей гальванопластики и электролиза, либо ток меньшей силы, но более высокого напряжения (40—250 В) для питания дуговых ламп.

В течение 1857—1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Для привода одной такой машины требовался паровой двигатель мощностью 6—10 л.с. Масса шестидисковой машины «Альянс» доходило до 4 т. причем только на долю магнитов приходилось более 1 т. Есть сведения, что машина «Альянс» получила одобрение Фарадея. Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку. При работе они быстро нагревались вследствие плохого отвода тепла, что приводило к разрушению изоляции. Масса и габариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их небольшую мощность, были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

Одну из возможностей сгладить ток магнитоэлектрического генератора указал в 1841 г. Уитстон. Он предложил комбинировать в одном агрегате несколько элементарных магнитоэлектрических генераторов, оси катушек (якорей) которых относительно осей симметрии магнитов были сдвинуты. В этом случае оказывались сдвинуты относительно друг друга фазы индуктированных ЭДС и лх суммирование приводило к более гладкой кривой общего тока.

Второй этап в развитии электрического генератора постоянного тока условно можно обозначить промежутком времени 1851—1867 гг. Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, то есть с возбуждением электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это способствовало значительному улучшению постоянства работы генераторов и уменьшению их относительной массы. Казалось бы, что после работ Фарадея (1831 г.) не составляло особой трудности пойти на эту замену, однако понадобилось два десятка лет, пока эта идея была реализована.

Первое четкое и обоснованное указание на целесообразность замены постоянных магнитов электромагнитами дал в 1851 г. немецкий врач Вильгельм Зинстеден, увлекшийся исследованиями в области электрических машин и внесший значительный вклад в теорию электромагнетизма и электрических машин.

Однако на его предложение некоторое время не обращали внимания. Следующим в начале 50-х годов прошлого века, независимо от Зинстедена, начал применять электромагниты для возбуждения поля датский изобретатель Серен Хиорт, но его идеи и конструкции были настолько необычны и неожиданны, что они тоже не привлекли к себе должного внимания и были надолго забыты. Мы еще вернемся к работам Хиорта.

В качестве характерного примера генератора с электромагнитами, обмотки которых питались токами от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Г. Уайльда (1863 г.). Этот генератор (Рис. 4.17) имел П-образный электромагнит 1, для питания которого был приспособлен отдельный возбудитель небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Уайльд использовал предложенный в 1856 г, немецким электротехником и предпринимателем В. Сименсом якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый *двух-Т-образный» якорь), который является разновидностью явнополюсиого якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Сердечник якоря показан на рис. 4.17 справа. Машина с двух-Т-образным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со Стержневым, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея Многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался и тем самым ограничивал мощность установки.

Машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением. Действительно, если попробовать питать обмотки возбуждения генератора Уайльда не от отдельного возбудителя, а током самой этой машины, соединив, например, последовательно обмотку возбуждения с обмоткой якоря? Но для того, чтобы сделать эту казалось бы простую попытку, нужно было знать, почувствовать, осмыслить сам принцип самовозбуждения. Как же машина может начать работать, когда нет потока возбуждения и, следовательно, нет индуктированного тока в цепи якоря.

Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока условно можно считать 1867 г., когда почти одновременное разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мы говорим «условно» потому, что одну какую-то дату назвать невозможно; вокруг этого важнейшего в истории электрических машин изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенство претендовали очень известные ученые и изобретатели. Дело обстояло так 17 января 1867 г. крупный немецкий ученый, изобретатель и промышленник доктор Вернер Сименс (1816—1892 гг.) представил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие слова: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного мамина, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении крашения».

В. Сименс назвал принцип самовозбуждения динамоэлектричсским, а самовозбуждающийся генератор стал с тех пор называться динамомашиной. Впрочем, динамомашинами постепенно стали называть любой машинный генератор постоянного тока. В. Сименс понимал значение своего открытия и ещё до доклада в Берлине написал брату Вильгельму в Лондон письмо, в котором изложил суть открытия и просил брата выступить от его имени в Лондонском Королевском обществе. Он просил поторопиться, так как «эта идея легко осуществима и может открыть новую эру в области электромагнетизма. Машина будет готова через несколько дней». Вильгельм Сименс выступил 14 февраля 1867 г. Но на том же заседании, часом или двумя позднее, выступил известный английский физик Чарльз Уитстон — автор многих работ и области электромагнетизма и теории электрических цепей. В докладе Уитстона содержалось описание принципа самовозбуждения и был дай анализ схем соединений самовозбуждающихся генераторов.

Вскоре обнаружилось, что ни Сименс, ни Уитстон не могут претендовать на первенство в открытии принципа самовозбуждения, так как 24 декабря 1866 г. в Англии запатентовали самовозбуждающиися генератор телеграфные инженеры Корнелий и Самюэль Варлей. Более тщательное историческое исследование показало, что 20 июля того же 1866 г., в редакцию журнала «Engineer» направил письмо Д. Мюррей, сообщивший, что, совершенствуя генератор Уайльда, он устранил возбудитель и получил самовозбуждение машины.

Но и это еще не все. Новые исторические поиски привели К имени судебного чиновника Сёрена Хиорта (1801 — 1870 гг.), который в порядке самообразования слушал лекции Эрстеда в Копенгагенском политехническом институте. Перейдя работать на железную дорогу, Хиорт попытался применить там электрические машины.

В мае 1852 г. в своем сообщении научному обществу в Копенгагене он описал принцип самовозбуждения и показал чертежи машины. Как бы не доверяя остаточному магнетизму, он сохранил в генераторе для создания первоначального импульса постоянный магнит. В 1854 и 1855 гг. Хиорт получил английские патенты на машины с самовозбуждением, причем в последнем патенте он совершенно четко указывает, что можно обойтись и без постоянного магнита.

В 1856 г. венгерский физик Аньош Йедлик независимо от Хиорта пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присоединить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тем Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необходимости в установке постоянных магнитов, а вполне достаточно остаточного магнетизма. Так Йедлик совершенно сознательно сформулировал не только принцип самоусиления магнитною поля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он построил самовозбуждающийся генератор.

Находятся и другие, претенденты на открытие принципа самовозбуждения. Например, в американском словаре научных биографий утверждается, что первым был ирландский физик и священник Николас Каллан, который сделал свое открытие еще в 1838 г.

Работы Хиорта и Йедлика были, по-видимому, несколько преждевременными, и, кроме того, изобретатели не располагали необходимыми средствами для промышленного изготовления машин в больших масштабах. На их идеи не было обращено достаточного внимания. Иное положение было у В. Сименса; являясь главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего мирового электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу для производства «динамомашин».

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так, двух-Т-образный якорь Сименса не только ограничивал мощность машин из-за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на коллекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следовательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отношении двух- Т-образный якорь ничем не отличался от стержневого, поскольку и тот и другой были только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока. Событием, революционизировавшим развитие электрической машины, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и барабанными якорями и развитыми магнитными системами состава основное содержание четвертого этапа в развитии электрических генераторов.

Бывший столяр фирмы «Альянс» Зеноб Т. Грамм (1826—1901), занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из самых известных французских специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он получил патент, а в 1871 г. представил доклад в Парижскую академию наук, в которых содержалось описание самовозбуждающегося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник наматывалась замкнутая сама на себя обмотка (позднее такую обмотку стали называть граммовской). От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам. Общий вид одной из конструкций генератора Грамма изображен на рис. 4.18 а. На станине 1 укреплены электро-магниты 2 с поясными наконечниками 3, между которыми вравращается якорь 4; it специальных держателях укреплены щетки, соприкасающиеся с почти современного типа коллектором 5. Якорь приводи гея новращение, через пртюдиоп шкин. Обмотка возбуждении включена последовательно с обмоткой якоря.

На рис. 4.18 б показана принципиальная схема генератора, .1 на рис. 4.18 < конструкции кольцевою якоря. Грамм указывал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может быть изготовлен из пучка стальных проволок /, как покапано на рисунке; здесь же 2 — катушки обмотки, 3 — коллекторные пластины.

А. Пачинотгп прочел и 187Гг. и парижском журнале сообщение о изобретении Грамма и направил и редакцию очень корректное письмо, в котором устанавливал сноп приоритет на кольцевой якорь. «Я не оспариваю заелп» г. Грамма, разработавшего принцип поперечного электромагнита и поместившего иокрг него больше двух индуктирующих полюсов, но и хотел бы, чтобы было окончательно установлено, что вращающийся электромагнит, с коммутатором, и возбуждаемый полюсами неподвижного электромагнита, был построен мною уже в I860 г. ... Моя машина хранится еще до сих пор в кабинете технологической физики в университете гор. Пизы».

Справедливости ради отметим, что якорь Пачнноттн был лучше граммовекого, так как он был зубчатым, следовательно, в машине Пачнноттн был меньше немагнитный зазор между якорем и полюсами.

Конфигурация магнитопронода была еще несовершенной, но улучшения этого рода могли последовать только в 80-х годах, после тот как были разработаны методы расчета магнитной цепи. Позднее Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждаюшихся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Генератор-Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволившим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс* показывает, что самовозбужлающийея генератор с кольцевым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чём генератор с постоянными магнитами. Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые и последовали в 70—80-х годах прошлого века.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые и последовали в 70—80-х годах прошлого века.

Поиск по сайту: