Возникновение и начальный период развития электрических машин

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

Для удобства обозрения периода начального развития электрических машин, совпадающего по времени с периодом победы и укрепления капитализма, целесообразно использовать схематическую диаграмму, 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. X. 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 изысканий явился 1871 труд Фарадея, результат которого диктовал им принципиальное решение задачи — движение проводника в магнитном поле.

Схема развития ранних электрических двигателей и генераторов постоянного тока

В опытах Фарадея магнитное поле создавалось применением естественных магнитов, что определило качественное содержание первого этапа развития электромагнитных генераторов, охватывающего период с 1831 по 1851 г. 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.

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 качестве одного из примеров раннего генератора первого этапа 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.

Магнитоэлектрический генератор из лаборатории Э. X. Ленца

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 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.

Общий вид генератора «Альянс»: 1 — один из 24 подковообразных магнитов, 2— одна из 36 вращающихся катушек.

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.

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.

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.

Генератор Уайльда: 1 — постоянные магниты; 2 — электромагниты.

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 Уитстон 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.

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, состоящего из пучка проволоки. 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.

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

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

Электрические двигатели также имели свои характерные для них качественно отличные этапы развития.

Двигатель Риччи: 1, 2 — катушки; 3 — ртутный токоподводящий коммутатор.

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, 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.

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.

Для второго этапа показательны работы Б. С. Якоби, сконструировавшего в 1834 г. первый образец своего электрического двигателя. 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.

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

Электродвигатель Пачинотти

Второй период завершился созданием двигателя итальянским профессором Пачинотти, 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 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.

П.С.Кудрявцев. История физики