Виникнення і початковий період розвитку електричних машин

Відкриття законів електродинаміки Ампером (1822 г.) і законів електромагнітної індукції Фарадеєм (1831 г.) не тільки спростували старі уявлення про відсутність зв'язку між механічними і електричними явищами природи, а й створили теоретичні передумови можливостей отримання як механічної роботи за рахунок електричної енергії (електродвигун ), так і отримання електричної енергії за рахунок механічної роботи (електрогенератор).

Для зручності огляду періоду початкового розвитку електричних машин, що збігається за часом з періодом перемоги і зміцнення капіталізму, доцільно використовувати схематичну діаграму, що охоплює період з 1831 р - року опублікування робіт Фарадея по електромагнітної індукції - до 1871 року - початку впровадження електричних машин Грамма.

На представленій діаграмі верхня гілка присвячена діяльності винахідників електричного двигуна, а нижня - діяльності винахідників електромеханічного генератора.

Кожна гілка має свої характерні, якісно відмінні періоди розвитку, зазначені на діаграмі, і своїх діячів. Дати характерних винаходів позначені на діаграмі. Крім того, на діаграмі є єднальна верхню і нижню гілку лінія, що відноситься до відкриття в 1838 р академіком Е. X. Ленцем оборотності генераторного і рухового режимів електричних машин.

Розглянемо кожну з гілок діаграми окремо. Винахідники електричного генератора стимулювалися в своїй роботі низьким ефектом і великими незручностями єдиних в той час генераторів електричного струму - хімічних генераторів: вольтова стовпа або гальванічних батарей.

Основою досліджень з'явився один тисячі вісімсот сімдесят один працю Фарадея, результат якого диктував їм принципове рішення задачі - рух провідника в магнітному полі.

Схема розвитку ранніх електричних двигунів і генераторів постійного струму

У дослідах Фарадея магнітне поле створювалося застосуванням природних магнітів, що визначило якісний зміст першого етапу розвитку електромагнітних генераторів, що охоплює період з 1831 по 1851 г. Цей етап характеризується насамперед застосуванням постійних магнітів для отримання магнітного поля.

При обертанні провідника у вигляді котушки з намотаною на неї ізольованим проводом цей провідник рухався то паралельно, то перпендикулярно до магнітних силових ліній, внаслідок чого генерується струм носив синусоїдальний характер, змінюючись і за величиною і за напрямком. Цей, як зараз його називають, однофазний змінний струм не знаходив собі застосування, і тому другий істотною характеристикою першого етапу розвитку генераторів з'явилися пристрої для випрямлення змінного струму - випрямляють комутатори.

Магнітоелектричний генератор Фарадея, відомий як «диск Фарадея», завершальний етап його досліджень з електромагнетизму: 1 - мідний диск ;, 2 - підковоподібний постійний магніт, 3 осьової струмознімач, 4 - периферійний струмознімач, 5 - проводи, 6 - гальванометр.

Як один із прикладів раннього генератора першого етапу зображений генератор з лабораторії Е. X. Ленца.

Близько полюсів постійного подковообразного магніту обертаються п'ять котушок, для прискорення обертання яких передбачена левередж від великої шестерні до малої. Котушки оберталися вручну. Обмотки кожної котушки з'єднувалися з пластинками барабанного комутатора, за яким ковзали контакти. Комутатор був влаштований так, щоб подавати в ланцюг струм постійного напрямку.

Магнітоелектричний генератор з лабораторії Е. X. Ленца

Потреба в більшому ефекті механічних генераторів струму привела до кінця першого етапу до своєрідної конструкції компанії «Альянс», розробленої Нолл (Бельгія), ван Мальдереном (Франція) і Холмсом (Англія). В цьому генераторі встановлено 24 постійних магніту по восьми радіусів по три в ряду. У полюсів цих магнітів проходили, обертаючись, 32 котушки з провідником. Струм, що генерується в котушках, надходив до 32 пластин колектора, з яких знімався за допомогою роликів.

Загальний вигляд генератора «Альянс»: 1 - один з 24 підковоподібних магнітів, 2 одна з 36 обертових котушок.

Подальший розвиток генераторів по лінії збільшення числа магнітів і котушок ставало скрутним, і генератор «Альянс» з'явився укладає машиною першого етапу. Генератори «Альянс» використовувалися для харчування струмом дугових ліхтарів маяків; в 1857-1865 рр. в експлуатації знаходилося близько 100 таких машин. Одна з них наводилася в рух паровою машиною потужністю близько 10 л. с.

Другий період розвитку генераторів, що тривав з 1851 по 1867 р характеризується відмовою від постійних магнітів і заміною їх електромагнітами, причому для харчування струмом електромагнітів використовувався окремий джерело струму у вигляді магнітоелектричної машини першого етапу або в вигляді гальванічної батареї. Прикладом такого генератора з незалежним збудженням електромагнітів може служити генератор англійця Уайльда.

Генератор складається з двох самостійних генераторів, розташованих один над іншим і відрізняються тим, що верхній невеликий генератор має постійні підковоподібні магніти 1, а нижній - електромагніти з обмоткою 2, що живиться струмом від верхнього генератора. Обидва приводяться в рух ременями від двигуна.

Генератор Уайльда: 1 - постійні магніти; 2 - електромагніти.

Машини з незалежним збудженням неминуче підготували початок третього етапу розвитку генераторів. Дійсно, при експлуатації таких машин легко було встановити, що машина не тільки генерує струм, будучи живиться струмом збудження від власної котушки, але внаслідок явища залишкового магнетизму дозволяє генерувати струм від стану спокою. Так виникли електромеханічні генератори струму з самозбудженням, що набули широкого поширення з 1867 р

Перший патент на машину з самозбудженням був отриманий данцем Хіортом ще в 1854 р, але побоюючись, що самозбудження буде недостатнім, Хіорт поставив в своєму генераторі і постійні магніти. Тому машина Хіорта, як перехідний тип, не притягнула до себе належної уваги.

Однак в 1866 р англійські інженери Кромвель і Самуель Варлі, а на початку 1867 року в один і той же день німець Вернер Сіменс і англієць Уитстон отримали патенти на генератори з незалежним збудженням.

Тепер питання полягало лише в вишукуванні найбільш доцільних конструктивних форм для того, щоб найкращим, найбільш ефективним способом використовувати на практиці принцип самозбудження.

Вирішальний крок у цьому питанні був зроблений французьким винахідником, бельгійцем за походженням, Грамом в 1870-1871 рр. Грам побудував генератор з самозбудженням, надавши якоря генератора форму кільця, що складається з пучка дроту. Обмотки електромагнітів харчувалися струмом якоря послідовно: зовнішня ланцюг-колектор якір - колектор - електромагніти - зовнішня ланцюг. Кільцевій якір абсолютно усував пульсації струму, значно збільшував к.к.д. і зменшував розміри і вага генератора на одиницю потужності, що розвивається.

Одна з конструкцій генератора Грамма з кільцевих якорем: 1 - обмотки електромагнітів; 2 - полюсні наконечники, охваги-вающие кільцевої якір 3; 4 - колектор; 5 - струмознімач.

У генераторі Грамма абсолютно чітко проявилася на практиці оборотність генераторного і рухового режимів, встановлена ​​ще Е. X. Ленцем (1838 р) Тому на діаграмі лінія двигуна і генератора зливаються в точці, що відповідає 1871 р

Електричні двигуни також мали свої характерні для них якісно відмінні етапи розвитку.

Двигун Річчі: 1, 2 - котушки; 3 - ртутний токоподводящий комутатор.

Електродвигун Б. С. Якобі

Перший етап розвитку електричного двигуна постійного струму (1831-1834) бере свій початок від досвіду Фарадея, який відкрив явища взаємного обертання магнітів і електричних струмів. Якщо через систему, що складається з чашки з ртуттю 1, провідника 8 - 7 - 9, другий чашки з ртуттю 2 з виходом провідника в точці 6, пропускати електричний струм від гальванічної батареї, то магніт 3 і провідник 9 отримають під дією струму обертальний рух.

Цей досвід почав перший етап, який характеризується конструюванням фізичних приладів, що показує процес перетворення електричної енергії в механічну роботу.

На другому етапі електричний двигун виходить за стіни наукової лабораторії. Цей етап характеризується практичним напрямком конструкторів-винахідників (1834-1860), які передбачають заміну парової машини - універсального двигуна XIX в. - Електричним двигуном.

Для другого етапу показові роботи Б. С. Якобі, сконструював в 1834 р перший зразок свого електричного двигуна. П-подібні електромагніти цього двигуна розташовувалися двома групами: одна група нерухомо закріплена, інша може обертатися. Електромагніти обох груп харчувалися струмом від гальванічної батареї таким чином, що полярність електромагнітів змінювалася, створюючи сили тяжіння або відштовхування, що приводили до обертання групи рухомих електромагнітів.

З електричних двигунів, які отримали практичне застосування в 50-х і 60-х роках XIX ст., Слід зазначити двигун французького інженера Фромана, що застосовувався для приводу друкарських машин. Електромагніти цього двигуна розташовані по колу (шість пар, на малюнку верхні дві пари зняті для того, щоб краще показати якір двигуна з залізними пластинами, притягує і відштовхує електромагнітами).

електродвигун Пачінотті

Другий період завершився створенням двигуна італійським професором Пачінотті, який за десять років до Грамма, в 1860 р, сконструював кільцевої якір. Якір обертався навколо вертикальної осі міжполюсними наконечниками двох електромагнітів. Якір і електромагніти харчувалися струмом послідовно, як в генераторі Грамма.

Різниця полягала лише в тому, що в машині Грамма кільцевої якір обертався в площині електромагнітів, а в машині Пачінотті - в площині, перпендикулярній до площини електромагнітів. Характерний той факт, що Пачінотті вказав, що його двигун може працювати в генераторному режимі, т. Е., Будучи наведеним в обертання, стане виробляти електричний струм.

Таким чином, на діаграмі лінія розвитку генераторів зійшлася з лінією розвитку двигунів на машині постійного струму з самозбудженням і кільцевим якорем, здатної працювати як двигун і як генератор струму.

П.С.Кудрявцев. Історія фізики