Электрические двигатели
Важнейшими научными предпосылками возникновения электромеханики послужили достижения в области электродинамики и открытие электромагнитной индукции. Важную роль при разработке первых конструкций электрических машин и электромагнитных устройств сыграл и опыт конструирования машин и механизмов доэлектрического периода.
В связи с тем что принцип обратимости электрической машины был открыт только в 1830-х гг., а его широкое использование началось лишь с 1870-х гг., представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания электродвигателя и генератора в период до 1870 г. А поскольку единственным надежным и изученным источником электроэнергии до середины XIX в. был только гальванический элемент, то, естественно, первыми стали развиваться электрические машины постоянного тока.
В развитии электродвигателя постоянного тока можно отметить 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 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) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую и начинается с описанных выше опытов М. Фарадея (см. рис. 2.17).
На возможность превращения электрической энергии в механическую указывали и многие другие эксперименты. В этот период было создано несколько физических моделей электродвигателей: английскими учеными Петером Барлоу (1824), Уильямом Риччи (1833) и Джозефом Генри (1831). Прибор Дж. 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). Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой (0,044 Вт), и, конечно, они не могли использоваться на практике.
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) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Вращающий момент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.
Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию такого рода электродвигателей принадлежат Борису Семеновичу Якоби (1801-1874) [9, 15, 16].
В 1834 г. Б. С. Якоби (рис. 2.24) послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное описание электродвигателя Б. С. Якоби было опубликовано в 1835 г.
Представляют интерес некоторые высказывания Б. С. 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 Рис. 2.24. Б. С. Якоби 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 Б. С. 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 порочной, но техническую революцию совершили машины вращательного движения.
Внешний вид первого двигателя Б. С. Якоби показан на рис. 2.25. 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 (рис. 2.26), который представлял собой оригинальную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех металлических колец 1-4, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись изолирующими вкладками; каждое кольцо было смещено на 45° по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг 5, представлявший собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью 6, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая цепь. От колец к электромагнитам вращающегося диска подходили проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы I были соединены последовательно, и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска II 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 они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рис. 2.26 стрелками указаны направления токов для данного положения вала. Мощность двигателя составляла примерно 15 Вт.
Б. С. Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и проявить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы в 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 или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями». Эти слова он написал в записке министру просвещения и президенту Российской академии наук, прося у него материальной помощи для экспериментов. Широкой поддержки у министра Б. С. Якоби не нашел, тем не менее четыре года спустя, в 1838 г., по р. Неве курсировал бот, вмещавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвигателями Б. С. 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 Б. С. 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 электромагнитами. К 1838 г. Б. С. Якоби создал двигатель нового типа (второго типа), но в создании этой конструкции он уже был не первым.
В 1837 г. американский техник Томас Девенпорт (1802-1851) также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами [5, 17].
Сравнивая конструкции электродвигателей Б. С. Якоби и Т. Девенпорта, можно отметить, что принцип их действия одинаков (у двигателя Т. Девенпорта появились неподвижные постоянные магниты вместо электромагнитов двигателя Б. С. Якоби), но двигатель Т. Девенпорта был более ком- пакт-ным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной плоскости. Это обстоятельство не могло не привлечь внимания Б. С. Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно небольшом увеличении его габаритов.
В 1837 г. в распоряжение Б. С. Якоби был предоставлен бот, рассчитанный на 10 гребцов. На нем предполагалось установить электродвигатель и произвести затем соответствующие испытания и технико-экономические подсчеты. В процессе совершенствования двигателя Б. С. 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 Б. С. Якоби конструкции 1838 г. представлял собой комбинацию 40 небольших электродвигателей (рис. 2.27), объединенных по 20 штук на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине. Для питания током обмоток электромагнитов на боте были установлены гальванические элементы. Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами. Вращение от вертикальных валов с помощью конических шестерен передавалось на горизонтальный вал, на котором укреплялись гребные колеса, расположенные по обоим бортам бота.
Испытания показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании их током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой: 1 л. с. в двигателе Б. С. 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 Б. С. Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование привели Якоби к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от стоимости электроэнергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи.
Однако Б. С. Якоби не смог обнаружить принципиального недостатка двигателей со стержневыми электромагнитами: в этих двигателях происходит постоянное включение и выключение катушек, и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поля в машине непрерывно требуется электрическая энергия, которая при отключении катушек преобразуется в теплоту. 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, и в 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 электродвигатели, построенные в 40-60-х гг. XIX в., были основаны на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получившееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами.
Новый 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) (рис. 2.28).
Электродвигатель А. Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращавшегося в магнитном поле электромагнитов (рис. 2.29). Якорь, имевший 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 полюсными наконечниками, включалась последовательно с обмоткой якоря, т. е. согласно современной терминологии машина имела последовательное воз-буждение.
Вращающий момент в электродвигателе А. Пачинотти был практически постоянным. Габариты двигателя были невелики по сравнению с размерами других электродвигателей равной мощности. Основное значение работы А. Пачинотти состоит в том, что им был сделан следующий важный шаг на пути создания современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения и коллектор, по существу, современного типа.
Важно отметить, что А. Пачинотти указывал, что его машина может быть превращена в генератор, если заменить электромагниты, возбуждающие поле, на постоянные магниты.
Из приведенных рассуждений следует, что А. Пачинотти отчетливо понимал физические процессы в электродвигателе и пришел к мысли об обратимости электрической машины, еще не зная принципа самовозбуждения, поэтому и считал нужным при превращении двигателя в генератор заменить электромагниты постоянными магнитами.
В 1863 г. А. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточного внимания и 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. Идею кольцевого якоря возродил примерно через 10 лет французский конструктор Зеноб Теофил Грамм (1826-1901) в конструкции электро- машинного генератора. В 1873 г. немецкий изобретатель Фридрих Хёфнер- Альтенек (1845-1904) изобрел барабанный якорь, применяющийся в электрических машинах до настоящего времени.
Особо следует остановиться на открытии принципа обратимости электрических машин. Сама логика исследований Б. С. Якоби, относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть его в начале 30-х гг. XIX в. к этому открытию. И еще вероятно, не зная о работах своего выдающегося современника и будущего друга академика Э. Х. Ленца, в мемуарах 1835 г. Б. С. Якоби писал: «Будучи приведенной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока, машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из перемещающихся магнитов, способных производить магнитоэлектрический ток в направлении, противоположном гальваническому току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины - принципа обратимости - бесспорно принадлежит Э. Х. Ленцу. 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. Х. 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 проводнику гальванического тока каким-либо иным способом то движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникнет ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте».
