Возникновение и начальный период развития электрических машин

Открытие законов электродинамики Ампером (1822 г.) и законов электромагнитной индукции Фарадеем (1831 г.) не только опровергло старые представления об отсутствии связи между механическими и электрическими явлениями природы, но и создало теоретические предпосылки возможностей получения как механической работы за счет электрической энергии (электродвигатель), так и получения электрической энергии за счет механической работы (электрогенератор).

Рис. 5-18. Схема развития ранних электрических двигателей и генераторов постоянного тока

Для удобства обозрения периода начального развития электрических машин, совпадающего по времени с периодом победы и укрепления капитализма, целесообразно использовать схематическую диаграмму (рис. 5-18), охватывающую период с 1831 г.- года опубликования работ Фарадея по электромагнитной индукции - до 1871 г.- начала внедрения электрических машин Грамма.

На представленной диаграмме верхняя ветвь посвящена деятельности изобретателей электрического двигателя, а нижняя - деятельности изобретателей электромеханического генератора. Каждая ветвь имеет свои характерные, качественно отличные периоды развития, указанные на диаграмме, и своих деятелей. Даты характерных изобретений помечены на диаграмме. Кроме того, на диаграмме имеется связующая верхнюю и нижнюю ветвь линия, относящаяся к открытию в 1838 г. академиком Э. Х.Ленцем обратимости генераторного и двигательного режимов электрических машин.

Рассмотрим каждую из ветвей диаграммы отдельно.

Изобретатели электрического генератора стимулировались в своей работе низким эффектом и большими неудобствами единственных в то время генераторов электрического тока - химических генераторов: вольтова столба или гальванических батарей. Основой их изысканий явился труд Фарадея, результат которого диктовал им принципиальное решение задачи - движение проводника в магнитном поле.

Рис. 5-19. Магнитоэлектрический генератор Фарадея, известный как 'диск Фарадея', завершающий этап его исследований по электромагнетизму: 1 - медный диск; 2 - подковообразный постоянный магнит; 3 - осевой токосниматель; 4 - периферийный токосниматель; 5 - провода; 6 - гальванометр

В опытах Фарадея магнитное поле создавалось применением естественных магнитов (рис. 5-19), что определило качественное содержание первого этапа развития электромагнитных генераторов, охватывающего период с 1831 по 1851 г. (рис. 5-18,нижняя ветвь). Этот этап характеризуется прежде всего применением постоянных магнитов для получения магнитного поля. При вращении проводника в виде катушки с намотанной на нее изолированной проволокой этот проводник двигался то параллельно, то перпендикулярно к магнитным силовым линиям, вследствие чего генерируемый ток носил синусоидальный характер, изменяясь и по величине и по направлению. Этот, как сейчас его называют, однофазный переменный ток не находил себе применения, и поэтому второй существенной характеристикой первого этапа развития генераторов явились устройства для выпрямления переменного тока - выпрямляющие коммутаторы.

Рис. 5-20. Магнитоэлектрический генератор из лаборатории Э. X. Ленца. (Государственный Политехнический музей. Москва.)

В качестве одного из примеров раннего генератора первого этапа на рисунке 5-20 изображен генератор из лаборатории Э. X. Ленца, Около полюсов постоянного подковообразного магнита вращаются пять катушек, для ускорения вращения которых предусмотрена зубчатая передача от большой шестерни к малой. Катушки вращались вручную. Обмотки каждой катушки соединялись с пластинками барабанного коммутатора, по которому скользили контакты. Коммутатор был устроен так, чтобы подавать в цепь ток постоянного направления.

Рис. 5-21. Общий вид генератора 'Альянс': 1 - один из 24 подковообразных магнитов; 2 - одна из 32 вращающихся катушек

Потребность в большем эффекте механических генераторов тока привела к концу первого этапа к своеобразной конструкции компании "Альянс", разработанной Нолле (Бельгия), ван Мальдереном (Франция) и Холмсом (Англия). В этом генераторе (рис. 5-21) установлено 24 постоянных магнита по восьми радиусам по три в ряду. У полюсов этих магнитов проходили, вращаясь, 32 катушки с проводником. Ток, генерируемый в катушках, поступал к 32 пластинам коллектора, с которых снимался посредством роликов.

Дальнейшее развитие генераторов по линии увеличения числа магнитов и катушек становилось затруднительным, и генератор "Альянс" явился заключающей машиной первого этапа. Генераторы "Альянс" использовались для питания током дуговых фонарей маяков; в 1857-1865 гг. в эксплуатации находилось около 100 таких машин. Одна из них приводилась в движение паровой машиной мощностью около 10 л. с.

Рис. 5-22. Генератор Уайльда: 1 - постоянные магниты; 2 - электромагниты

Второй период развития генераторов, длившийся с 1851 по 1867 г., характеризуется отказом от постоянных магнитов и заменой их электромагнитами, причем для питания током электромагнитов использовался отдельный источник тока в виде магнитоэлектрической машины первого этапа или в виде гальванической батареи. Примером такого генератора с независимым возбуждением электромагнитов может служить генератор англичанина Уайльда (рис. 5-22).

Генератор состоит из двух самостоятельных генераторов, расположенных один над другим и отличающихся тем, что верхний небольшой генератор имеет постоянные подковообразные магниты 1, а нижний - электромагниты с обмоткой 2, питаемой током от верхнего генератора. Оба приводятся в движение ремнями от двигателя.

Машины с независимым возбуждением неизбежно подготовили начало третьего этапа развития генераторов. Действительно, при эксплуатации таких машин легко было установить, что машина не только генерирует ток, будучи питаемой током возбуждения от собственной катушки, но вследствие явления остаточного магнетизма позволяет генерировать ток от состояния покоя. Так возникли электромеханические генераторы тока с самовозбуждением, получившие широкое распространение с 1867 г.

Первый патент на машину с самовозбуждением был получен датчанином Хиортом еще в 1854 г., но, опасаясь, что самовозбуждение будет недостаточным, Хиорт поставил в своем генераторе и постоянные магниты. Поэтому машина Хиорта как переходный тип не привлекла к себе должного внимания.

Однако в 1866 г. английские инженеры Кромвель и Самуэль Варли, а в начале 1867 г. в один и тот же день немец Вернер Сименс и англичанин Уистон получили патенты на генераторы с независимым возбуждением.

Теперь вопрос заключался только в изыскании наиболее целесообразных конструктивных форм для того, чтобы наилучшим, наиболее эффективным способом использовать на практике принцип самовозбуждения.

Рис. 5-23. Одна из конструкций генератора Грамма с кольцевым якорем: 1 - обмотки электромагнитов; 2 - полюсные наконечники, охватывающие кольцевой якорь 3; 4 - коллектор; 5 - токосниматель

Решающий шаг в этом вопросе был сделан французским изобретателем, бельгийцем по происхождению, Граммом в 1870-1871 гг. Грамм построил генератор с самовозбуждением, придав якорю генератора форму кольца (рис. 5-23), состоящего из пучка проволоки. На это кольцо наматывались катушки - секции, каждая из которых соединялась с пластинкой коллектора. Обмотки электромагнитов питались током якоря последовательно: внешняя цепь - коллектор - якорь - коллектор - электромагниты - внешняя цепь. Кольцевой якорь совершенно устранял пульсации тока, значительно увеличивал к.п.д. и уменьшал размеры и вес генератора на единицу развиваемой мощности.

В генераторе Грамма совершенно отчетливо проявилась на практике обратимость генераторного и двигательного режимов, установленная еще Э. X. Ленцем (1838 г.). Поэтому на диаграмме (рис. 5-18) линия двигателя и генератора сливаются в точке, соответствующей 1871 г.

Электрические двигатели также имели свои характерные для них качественно отличные этапы развития (рис. 5-18, верхняя ветвь).

Рис. 5-24. Схема установки Фарадея для демонстрации электромагнитного движения: 1, 2 - сосуды со ртутью; 3 - подвижный стержень; 4 - неподвижный стержень; 5 - подвод тока; 6 - отвод тока; 7 - проводник-подвеска; 8 - неподвижный проводник; 9 - подвижный проводник

Первый этап развития электрического двигателя постоянного тока (1831-1834) берет свое начало от опыта Фарадея, открывшего явления взаимного вращения магнитов и электрических токов. Если через систему (рис. 5-24), состоящую из чашки со ртутью 1, проводника 8-7-9, второй чашки со ртутью 2 с выходом проводника в точке 6, пропускать электрический ток от гальванической батареи, то магнит 3 и проводник 9 получат под действием тока вращательное движение.

Этот опыт начал первый этап, характеризующийся конструированием физических приборов, показывающий процесс преобразования электрической энергии в механическую работу.

Рис. 5-25. Двигатель Риччи: 1, 2 - катушки; 3 - ртутный токоподводящий коммутатор

Подобные приборы сооружали Барлоу, Генри, Риччи, прибор которого показан на рисунке 5-25. Между полюсами вертикально стоящего постоянного магнита могут вращаться две катушки 1 и 2. Если к ним подводить ток через коммутатор 5, изменяющий полярность электромагнита, на который намотаны катушки, то взаимодействие электромагнита с постоянными магнитами вызовет постоянное вращение электромагнита.

На втором этапе электрический двигатель выходит за стены научной лаборатории. Этот этап характеризуется практическим направлением конструкторов-изобретателей (1834-1860), предусматривающих замену паровой машины - универсального двигателя XIX в.- электрическим двигателем.

Рис. 5-26. Действующая модель электродвигателя Б. С. Якоби. (Государственный Политехнический музей. Москва.)

Для второго этапа показательны работы Б. С. Якоби, сконструировавшего в 1834 г. первый образец своего электрического двигателя (рис. 5-26). П-образные электромагниты этого двигателя располагались двумя группами: одна группа неподвижно закреплена, другая может вращаться. Электромагниты обеих групп питались током от гальванической батареи таким образом, что полярность электромагнитов изменялась, создавая силы притяжения или отталкивания, приводившие к вращению группы подвижных электромагнитов.

Рис. 5-27. Судовой электродвигатель Б. С. Якоби. Реконструкция С. А. Гусева

Во втором варианте своего двигателя (1838 г.) Якоби изменил положение магнитов (рис. 5-27) и разместил по 20 двигателей на двух вертикальных валах, получив суммарную мощность, достаточную для привода в движение лодки с 12 пассажирами на борту. Каждый из двух вертикальных валов, укрепленных в деревянной раме, имеет токоподводящие коммутаторы и по 20 рядов подвижных электромагнитов, расположенных подобно колесным спицам, вращающимся внутри 20 железных колец - неподвижных электромагнитов. Конические шестерни передают работу на горизонтальный гребной вал судна. Особая "Комиссия для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу профессора Якоби", в состав которой входили представители Морского ведомства и ученые (академик Э. X. Ленц, член-корреспондент Академии наук П. Л. Шиллинг и др.)" испытала "электрический бот" Якоби на р. Неве. Комиссия была удовлетворена работой двигателя и вывела совершенно справедливое мнение о том, что вопрос об использовании электрических двигателей может быть успешно разрешен только после решения задачи о генераторе дешевого электрического тока. Гальванические батареи, использованные на "электрическом боте", увеличивали стоимость движения, более чем в 10 раз превосходившую стоимость паровой тяги.

В 1837 г. американец Девенпорт построил двигатель, сходный с элементом второго двигателя Якоби, но с постоянными магнитами.

Рис. 5-28. Общий вид двигателя Фромана

Из электрических двигателей, получивших практическое применение в 50-х и 60-х годах XIX в., следует отметить двигатель французского инженера Фромана (рис. 5-28), применявшийся для привода типографских машин. Электромагниты этого двигателя расположены по окружности (шесть пар; на рис. 5-28 верхние две пары сняты для того, чтобы лучше показать якорь двигателя с железными пластинами, притягиваемыми и отталкиваемыми электромагнитами).

Рис. 5-29. Электродвигатель Пачинотти

Второй период завершился созданием двигателя итальянским профессором Пачинотти (рис. 5-29), который за десять лет до Грамма, в 1860 г., сконструировал кольцевой якорь. Якорь вращался вокруг вертикальной оси между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь и электромагниты питались током последовательно, как в генераторе Грамма. Разница состояла только в том, что в машине Грамма кольцевой якорь вращался в плоскости электромагнитов, а в машине Пачинотти - в плоскости, перпендикулярной к плоскости электромагнитов. Характерен тот факт, что Пачинотти указал, что его двигатель может работать в генераторном режиме, т. е., будучи приведенным во вращение, станет вырабатывать электрический ток.

Таким образом, на диаграмме (рис. 5-18) линия развития генераторов сошлась с линией развития двигателей на машине постоянного тока с самовозбуждением и кольцевым якорем, способной работать как двигатель и как генератор тока.