1.3. Основные этапы развития электромеханики

Началом истории электрических двигателей можно считать 1821 г., когда Фарадей смог продемонстрировать непрерывное движение проводника с током в магнитоэлектрическом устройстве. Вслед за этим были созданы различные модели электродвигателей Барлоу (1824 г.), Сальваторе дель Негро (1830 г.), Уильямом Риччи (1833 г.) и других ученых. Например, Сальваторе дель Негро в 1830 г. использовал электромагнит для привода возвратно-поступательного движения [7].

Первый в мире электродвигатель постоянного тока с непрерывным вращательным движением был построен Борисом Семеновичем Якоби (1801–1874 гг.). В 1834 г. Б.С. Якоби был одним из выдающихся физиков, гениальным электротехником и изобретателем, который настойчиво стремился найти пути для практического применения электрической энергии.

Член-корреспондент (1838 г.), академик Петербургской Академии наук (избран в 1847 г.), создатель первого в мире электродвигателя постоянного тока, изобретатель гальванопластики, конструктор телеграфных аппаратов, автор трудов по военной электротехнике, электрическим измерениям и метрологии Мориц Герман Якоби родился в 1801 г. в Германии (г. Потсдам). Высшее образование получил сначала в Берлинском, а затем в Гейдельбергском университетах, где в 1829 г. получил диплом архитектора. В 1833 г. Якоби был приглашён в Дерпский (теперь Тартусский) университет для преподавания архитектуры, однако он продолжал заниматься опытами по электричеству и усовершенствовал гальванический элемент [8].

В 1834 г. увлекся электротехникой и собрал первый в мире электродвигатель вращательного движения мощностью 15 Вт. В апреле 1834 г. Якоби демонстрирует модель «магнитного аппарата» – так он вначале назвал свой электродвигатель. Описание первого вращающегося электродвигателя было приведено им в работе «О применении электромагнетизма для приведения в движение машин». Сообщая в ноябре 1834 г. Парижской Академии наук о своих работах с электродвигателями, Б.С. Якоби заявляет, что в своем двигателе он осуществляет применение новой силы в механике [9].

Весь путь технической эволюции электродвигателя можно разделить на следующие этапы [10].

Первый этап (с 1821 по 1834 гг.) характеризуется построением физических моделей, доказывающих принципиальную возможность преобразования электрической энергии в механическую [9]. Этот этап является временем накопления необходимых знаний для создания электродвигателя.

В 1824 г. французский физик Доминик Франсуа Араго (1786–1853 гг.) обнаружил принципиальное явление, названное им «Магнетизм вращения». Сущность опыта, названного «явление Араго», заключалось в следующем: он закреплял на вертикальной оси медный диск и начинал вращать над этим диском полюса постоянного магнита; диск приходил во вращение в том же направлении, что и магнит. Современников Араго приводило в изумление то обстоятельство, что в состоянии покоя никаких взаимодействий между постоянным магнитом и размещенным вблизи медным диском не наблюдалось. Потребовался гений М. Фарадея, который в 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции, чтобы разъяснить этот загадочный факт.

Второй этап (с 1834 по 1867 гг.) занимает промежуток времени от открытия принципа обратимости электромагнитных явлений Эмилем  Ленцем до появления электромеханического генератора с самовозбуждением. В этот период во всех опробываемых моделях электрического двигателя питание осуществлялось от гальванических батарей, что сдерживало интенсивное развитие конструирования двигателей. При необходимости значительного расходования электроэнергии гальваническая батарея получалась очень громоздкой и дорогой, так как запас её энергии был весьма ограничен. В 1867 г. Эрнст Вернер Сименс (1816–1892 гг.) разработал электромагнитный генератор с самовозбуждением, что позволило перейти к новому этапу развития электромеханики и электропривода.

Третий этап (с 1867 по 1887 гг.) характеризовался объединением направлений развития электрических двигателей и генераторов, технической реализацией принципа обратимости электрической машины. Это позволило перейти на питание электрического двигателя от более дешевого источника электроэнергии – электромашинного генератора.

Четвертый этап начался с 1887 г., когда итальянский физик Галилео Феррарис (1847–1897 гг.) и югославский электротехник Никола Тесла (1856–1943 гг.) независимо друг от друга открыли эффект вращающегося магнитного поля. Именно исследованиями Г. Феррариса и Н. Тесла была подготовлена база для качественного прорыва в области многофазных электрических машин.

Никола Тесла, один из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, получил только в области многофазных систем электродвигателей 41 патент [10]. Идея бесколлекторного индукционного двигателя появилась у него ещё в 1842 г. В своих многочисленных патентах Н. Тесла описал многие варианты двухфазных четырёхпроводных и трехфазных шестипроводных систем электрических машин [6].

В 1887–1888 гг. происходила борьба идей и поисков электротехнических форм наилучшей системы электроснабжения.

Талантливый русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862–1919 гг.) разработал систему трехфазного переменного тока и тем самым открыл широкий путь промышленному использованию переменного тока [12]. Изобретение М.О. Доливо-Добровольским в 1889 г. трехфазного асинхронного двигателя с распределенной обмоткой и «беличьей клеткой» мощностью около 100 Вт, а затем в 1890 г. двигателя мощностью 3,7 кВт, с фазным ротором и пусковым реостатом, заложили основу для создания электроприводов переменного тока.

Поражает конструктивная законченность асинхронных электродвигателей М.О. Доливо-Добровольского. Стержни «беличьей клетки» ротора он предлагает делать не изолированными, а по торцам соединять их короткозамыкающимися кольцами, сердечник ротора – массивным и шихтованным, для статора он впервые ввел полузакрытые пазы [13]. Конструктивные решения и форма созданных О.М. Доливо-Добровольским асинхронных двигателей были настолько совершенны, что не претерпели принципиальных изменений за годы своего существования.

Своей плодотворной научной и инженерной деятельностью М.О. Доливо-Добровольский внес значительный вклад в создание и развитие трехфазных асинхронных электродвигателей и системы распределения электроэнергии высоким напряжением трёхфазного тока.