4.4. Развитие электрических машин постоянного тока

Первоначально развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов XIX в. Поэтому вполне правомерно рассматривать отдельно историю создания генератора и двигателя в период до 1870 г.

Основные этапы развития электродвигателя.

Поскольку все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.

В развитии электродвигателей постоянного тока можно отметить три основных этапа, достаточно условных, так как конструкции, характерные для одного этапа в отдельных случаях, появлялись много лет спустя, а с другой стороны, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зародышевой форме нередко можно найти на начальном периоде развития электродвигателей.

Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. Однако в основном преобладают конструкции с качательным движением подвижного элемента, названного якорем.

Второй этап (1834-1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Момент на валу таких двигателей был резко пульсирующим.

Наиболее важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат петербургскому академику Б.С. Якоби.

В 1834 г. Якоби построил и описал электрический двигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электрическими магнитами. Двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна (4 пары) располагалась на неподвижной раме, а другая, аналогичная, - на вращающемся диске. Источником служила батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электрических магнитов применялся специально разработанный коммутатор, который 8 раз за оборот изменял полярность тока в катушках подвижных электрических магнитов.

Стремление увеличить мощность привело Якоби к конструкции двигателя сдвоенного типа. Это, однако, не дало существенного увеличения мощности. Требовалось новое конструктивное решение, которое Якоби и нашел через несколько лет.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил двигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные I электромагниты с неподвижными магнитами [1].

Сравнивая двигатели Якоби и Девенпорта, следует отметить, что в принципе Девенпорт сделал шаг назад, заменив электромагниты постоянными магнитами, которые в то время имели большую массу и были подвержены размагничиванию. Однако в конструктивном отношении этот двигатель был более компактным благодаря расположению постоянных магнитов и электромагнитов в одной плоскости.

Испытания указанных двигателей показали возможность практического применения электрических двигателей, но в то же время обнаружили, что в случае питания их от гальванической батареи механическая энергия получается чрезвычайно дорогой. Проводимые опыты, а также теоретические исследования Якоби привели к очень важному для практики выводу : применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии.

Некоторые из двигателей, построенные в 40-60 гг. XIX в., действовали по принципу втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращательное с помощью шатунно-кривошипного механизма.

Рассматриваемые электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания электрических магнитов. Они снабжались якорями в виде стержня с обмоткой (явнополюсной). Этим электродвигателям были свойственны следующие недостатки : большие габариты при сравнительно малой мощности; большое рассеяние потока и малый КПД. Кроме того, вращающий момент на валу отличался непостоянством.

Третий этап (после 1860 г.) в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении сделал итальянский ученый А. Пачинотти.

Его электродвигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами, вращался на вертикальном валу. Концы обмотки якоря подводились к пластинам коллектора. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами.

Основные этапы развития электромагнитных генераторов.

Как видно из предыдущего, развитие двигателя опережало на начальных этапах развитие генератора. Отсутствие хорошего экономичного генератора электрического тока тормозило расширение области применения электричества.

Примерно до 1870 г. наиболее распространенными источниками тока были электрохимические, т.е. гальванические, элементы и аккумуляторы.

Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью. К их числу относится вольтов столб и его видоизменения. Но, вследствие поляризации, действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они были неудобны в эксплуатации.

После открытия в 1829 г. А.С. Беккерелем явления поляризации им же была создана более совершенная конструкция элемента с 2-мя жидкостями. По мере совершенствования они получили широкое распространение.

Другим направлением в области создания электрохимических источников тока было построение электрических аккумуляторов или "вторичных элементов" как они долгое время назывались.

Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была установлена еще в начале XIX в. Но только в 1854 г. немецкий врач В.И. Зинстеден открыл способ аккумулирования. В 1859 г. француз Г. Планте наблюдал (независимо от немецкого ученого) то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор [2].

Несмотря на то, что электрохимические источники получили до 70-х годов XIX в. значительное распространение, проблема экономичного источника электрической энергии была решена только после создания конструкции электромашинного генератора.

В развитии электрогенератора также можно наметить три основных этапа.

Первый этап (1831-1851 гг.) характеризуется созданием генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы в то время получили название магнитоэлектрических машин.

Открытие в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое воплощение в первом униполярном генераторе - диске Фарадея.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от диска Фарадея, где выпрямление не требуется) было применено в генераторе братьев Пикси (1832 г.). При вращении подковообразного магнита наводилась переменная ЭДС в двух неподвижных катушках со стальными сердечниками. Концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора.

Недостаток этой машины и ей подобных - приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать их неподвижными, а вращать более легкие катушки. При этом проще получалось и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Именно такая конструктивная форма впервые вошла в практику.

Первым генератором такого типа, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор Б.С. Якоби. Занимаясь методами электрического взрывания мин, Якоби в 1842 г. построил генератор. При вращении катушек с помощью зубчатой передачи (вручную) в поле постоянных магнитов в них наводилась переменная ЭДС. На валу имелось коммутирующее устройство в виде 2-х полуцилиндров - простейший двухпластинчатый коллектор. Генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии (для воспламенения минных зарядов).

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генераторов привело к увеличению числа постоянных магнитов. Это уже знакомый путь, аналогичный развитию двигателей.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие распространение на маяках.

Для производства таких генераторов в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс».

Генератор «Альянс» нагляднее, чем меньшие по размеру машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций постоянные магниты быстро размагничивались, вследствие чего уменьшались ЭДС и мощность. Во всех этих машинах применялись якоря с многослойной обмоткой. При работе, вследствие плохого отвода тепла, они быстро нагревались, что приводило к разрушению изоляции. Вес и габариты, несмотря на небольшую мощность, были весьма значительны, а поэтому крупные машины были сравнительно дорогие. Кроме того, они давали ток, резко пульсирующий по величине.

Исследования в области электромагнетизма показали, что при помощи электромагнита можно получить значительно большую величину индукции в магнитной цепи, нежели с помощью постоянных магнитов и, следовательно, увеличить ЭДС и мощность генераторов.

Так начался второй этап (1851-1867 гг.) развития электрических генераторов. Он характеризуется преобладанием генераторов с независимым возбуждением.

Характерным примером генератора с электромагнитами можно назвать генератор англичанина Г. Уайльда (1863 г.) . Он имел П-образный электромагнит. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Уайльд использовал предложенный в 1856 г. немецким электротехником и предпринимателем В. Сименсом якорь с сердечником двутаврового сечения, который являлся разновидностью явнополюсного якоря.

После открытия венгерским физиком А. Йедликом (1856 г.) принципа самовозбуждения в развитии электрогенератора начался третий этап после 1867 г.

Событием, революционизировавшим развитие электрических машин, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение самовозбуждения с кольцевым якорем.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевым и барабанным якорями и развитыми магнитными системами составила основное содержание третьего этапа.

Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен сотрудником «Альянса» 3. Граммом в 1870 г [1].

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии: его сравнение, например, с машиной «Альянс» показывает, что он имел вес на 1 кВт в 6 раз меньший, чем генератор с постоянными магнитами.

Благодаря своим преимуществам, генератор Грамма быстро вытеснил другие типы и получил широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости был уже известен и машина Грамма использовалась как в качестве генератора, так и двигателя. Таким образом, в 70-х годах обе линии развития электрических машин - генератора и двигателя - объединились.

Машина Грамма нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые последовали в 70 - 80-х гг. XIX в.

Одно из наиболее существенных улучшений, состоявшее в замене кольцевого якоря барабанным, было осуществлено в 1873 г. немецким электротехником Ф. Гефнер-Альтеником. Основной недостаток кольцевого якоря - плохое использование меди был устранен - теперь обе части витка участвовали в создании ЭДС.

В 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшило воздушный зазор.

Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 г. известного американского изобретателя Т.А. Эдисона к мысли изготовлять якорь шихтованным.

В том же 1880 г. американский изобретатель X. Максим для улучшения охлаждения якоря предложил разделять его на пакеты.

В 1891 г. Э. Арнольдом была опубликована первая работа, посвященная теории и конструированию обмоток электрических машин.

Так, в течение 70-80х годов машина постоянного тока приобретает все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов и были направлены на повышение качества.

В рассматриваемый период было положено начало исследованиям процессов в электрических машинах.

В 1840 г. Б.С. Якоби было описано явление противо - ЭДС.

В 1847 г. Э.Х. Ленц открыл явление, получившее название "реакция якоря", предложил сместить щетки с геометрической нейтрали на физическую.

Первый математический анализ процессов в машине с самовозбуждением был сделан в 60-х годах Д.К. Максвеллом.

Огромную роль в развитии электромашиностроения сыграли труды А.Г. Столетова по исследованию магнитных свойств "мягкого железа" (1871 г.)[1].

В 1880 г. после открытия немецким физиком Варбургом явления гистерезиса начались исследования потерь в стали при перемагничивании.

Большое значение имели работы английского электротехника Дж. Гопкинсона, сформулировавшего (в начале 80-х г.) закон магнитной цепи.