Электрические машины во всех своих основных разновидностях были изобретены, изучены и усовершенствованы в период истории электротехники, простиравшийся от 30-х годов до конца прошлого века. После изобретения принципа самовозбуждения, кольцевого, а затем барабанного якоря и асинхронного двигателя в двух его основных модификациях (с короткозамкнутым и с фазным ротором) классические конструктивные схемы были завершены. Дальнейшие изобретения в области электрических машин касались отдельных узлов, элементов конструкций, схем обмоток, специальных машин, но не затрагивали основ конструкций и принципов действия.
В 50-е годы текущего столетия наметились две, казалось бы не связанные одна с другой, проблемы: резкое увеличение скорости рельсового транспорта, когда прочность и сцепление колеса с рельсом становятся недостаточными, и перекачивание жидкого металла - теплоносителя ядерных реакторов.
Первая проблема была вызвана выходом на гражданские линии реактивной авиации: оказалось, что пассажир в воздухе проводит порой меньшее время, чем в пути между центром города и аэропортом. Кроме того, в густонаселенных странах становится затруднительным отчуждать значительные площади земли под расширение старых и строительство новых аэродромов. На ряде международных и национальных конференций по высокоскоростному наземному транспорту (ВСНТ) было показано, что при скоростях движения около 500 км/ч на расстояния до 1000 км ВСНТ (в том числе и транспорт в виде контейнеров, движущихся в трубах) становится более целесообразным, чем авиационный. Так возникла проблема линейных двигателей ВСНТ.
Второй путь развития был связан с началом строительства ядерных реакторов для подводных лодок и для атомных электростанций, когда понадобилось устанавливать жидкометаллические насосы, не нарушая герметически замкнутой системы трубопроводов. Так возникла проблема магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом. При разработке математических моделей таких машин жидкометаллическое рабочее тело заменяли в первом приближении твердым изотропным проводящим металлом, в результате чего в виде своеобразного побочного продукта стала развиваться теория индукционных линейных двигателей.
Маркс замечательно сформулировал мысль о том, что "...человечество ставит себе всегда только такие задачи, которые оно может разрешить, так как при ближайшем рассмотрении всегда оказывается, что сама задача возникает тогда, когда материальные условия ее решения уже имеются налицо, или, по крайней мере, находятся в процессе становления". Ко времени возникновения указанных выше проблем развитие науки и техники подготовило линейный двигатель.
Появление электродвигателей возвратно-поступательного движения восходит к самим истокам истории электрических машин. Как это ни кажется парадоксальным, но революционные по своей сущности технические идеи об использовании электрической энергии были отягчены консервативным грузом достигнутых ранее результатов. Так, А. Ампер требовал, чтобы электрические генераторы давали обязательно такой же ток, как гальванические батареи, и первые генераторы были машинами постоянного тока. Конструкторская мысль первых создателей электродвигателей не могла выйти за рамки кинематических схем "настоящей", т. е. паровой машины. Поэтому среди самых ранних конструкций электродвигателей мы находим машины возвратно-поступательного движения, даже по внешним признакам (цилиндр, поршень, кривошипно-шатунный механизм) похожие на паровую машину. В качестве примеров можно указать двигатели Пэджа, (рис. 1) и Бурбуза (рис. 2).
Рис. 1. Двигатель Пэджа
Рис. 2. Двигатель Бурбуза
Однако уже к концу 40-х годов XIX в. безраздельное господство в электрических машинах получило вращательное движение, как более универсальное, хотя апологеты прямолинейных движений всегда выдвигали аргумент: природа ведь не изобрела колеса!
В 1882 г. французский академик М. Депре, об опытах которого по передаче электроэнергии на большие расстояния восторженно отозвался Энгельс, описал конструкцию электрического молота. Цилиндрический линейный двигатель состоял из 80 катушек, собранных в виде секционированного соленоида (рис. 3). От каждой пары катушек выполнялся отвод к коллекторной пластине. При выбранном взаимном положении щеток на коллекторе запитывалось одновременно 15 секций. Внутри соленоида мог перемещаться цилиндрический стальной стержень-боек массой 23 кг, который при вращении щеток на коллекторе, производившемся от руки, совершал поступательное движение. Это уже настоящий цилиндрический (трубчатый) линейный двигатель, только перемещение магнитного поля осуществлялось не автоматически, как позднее в трехфазных системах, а в результате коммутации постоянного тока.
Рис. 3. Электромолот Депре
Устройства, аналогичные соленоидному приводу Депре, предлагались в конце прошлого столетия неоднократно. В 1895 - 1897 гг. были запатентованы несколько схем проброски челнока в текстильных машинах. История линейных электродвигателей, предназначенных для текстильного производства, имеет отдельную ветвь и обстоятельно изложена в книге Соколова М.М. и Сорокина Л.К. "Электропривод с линейными асинхронными двигателями", 1974г.
Идея электромолотов соленоидного типа тоже получила свое развитие, и работы в этой области с успехом ведутся в настоящее время.
Сведения о том, кто впервые "развернул в плоскость" статор асинхронного двигателя, противоречивы и туманны. Встречающиеся в литературе указания на патент мэра г. Питтсбурга от 1890 г. вызывают сомнение: дело в том, что явление вращающегося магнитного поля стало известно из публикаций Феррариса и Тесла в 1888 г., а сведения об асинхронном двигателе М. О. Доливо-Добровольского были опубликованы только в 1891 г. До 1891 г. еще нечего было "развертывать".
Действительно заслуживающее внимания предложение по плоским линейным двигателям появилось в 1902 г., когда Л. Зеден получил французский патент № 321691, в котором был описан двусторонний ЛАД с вторичным элементом в виде проводящей шины (рис. 4). Здесь же были указаны две рассматриваемые до настоящего времени главные тяговые схемы с применением линейных двигателей:
1) короткий индуктор размещен на локомотиве, а вторичная шипа уложена в полотно пути;
2) индукторы входят в структуру пути, а вторичная шина закреплена на локомотиве.
Рис. 4. Тяговый ЛАД (по патенту А. Зедена)
А. Зеден остановился перед непреодолимыми в то время трудностями экономического порядка: изучение и практическая реализация идеи требовали больших капитальных вложений. События последних трех десятилетий подтвердили сложность и огромную стоимость решения проблемы ВСНТ. Тем не менее начало было положено.
В 1920 г. в "Работах научно-технических учреждений Республики за 1919 г." (издание научно-технического отдела ВСНХ), в статье "Магнитофугальное бюро" были сообщены сведения о "магнитофугальных" ударных машинах инженера Я. С. Япольского. Затем он выступил с докладом на эту же тему на VIII Всероссийском электротехническом съезде, получил совместно с М. П. Костенко зарубежные патенты, а в 1924 и 1925 гг. опубликовал теоретические статьи. Тогда же "магнитофугальными" машинами занимался инженер С. А. Пресс.
В 1922 г. американский инженер П. Тромбетта описал конструкцию своего электрического кузнечного молота, построенного на основе ЛАД и включавшегося в трехфазную сеть промышленной частоты.
Я. С. Япольский и П. Тромбетта обратили внимание на техническую трудность, возникшую при создании электродвигателей возвратно-поступательного движения и заключавшуюся в необходимости в течение всего времени работы машины реверсировать ее движение. Работа двигателя состоит из чередующихся пусков и остановок, т. е. представляет собой периодическое повторение переходных процессов. Для поддержания наиболее благоприятного режима (постоянство скольжения) в работах Япольского использовался коллекторный генератор системы Костенко - Япольского, позволявший в широких пределах регулировать частоту.
Я. С. Япольский и П. Тромбетта сумели заметить также отрицательные последствия размыкания магнитной цепи, самым очевидным из которых было нарушение симметрии токов фаз. Существо краевых эффектов тогда понять еще не удалось. Я. С. Япольский в своей теоретической работе сделал допущение о "бесконечно длинной" машине, а П. Тромбетта, имея в виду чисто практические цели, не без юмора заметил, что одним из решений этой проблемы являлась возможность совсем ее не решать. Далее увидим, что в определенных случаях действительно можно пренебречь продольными краевыми эффектами.
Пессимистически отнесся к "развернутым" двигателям Ч. П. Штейнметц. В статье П. Тромбетты указывается, что Ч. П. Штейнметц считал последствия краевых эффектов крайне серьезным затруднением на пути применения линейных двигателей для железнодорожного транспорта.
В 1936 - 1937 гг. во Всесоюзном электротехническом институте по инициативе А. Г. Иосифьяна инж. Б. Д. Садовским была проведена серия исследований ЛАД. Здесь был выполнен молот для забивки деревянных свай с двусторонним ЛАД. В статье "Асинхронный двигатель как машина поступательного движения", 1940г., Б. Д. Садовский дал обстоятельное описание установки. Для увеличения магнитной проводимости вторичная часть была выполнена в виде медной решетки с железными вставками (аналог беличьей клетки). Средняя скорость движения вторичного элемента 3 - 5 м/с, энергия удара 140 кг×м., частота - 100 ударов в минуту, КПД – 30 - 35%. Электромолот питался от коллекторного генератора Шербиуса, который в свою очередь, имел возбудитель и пост управления. КПД всей установки составлял 12 - 16%. Заключение Б. Д. Садовского было отрицательным: система регулирования частоты и напряжения оказалась громоздкой, что естественно для вращающихся преобразователей, а КПД, с его точки зрения, - весьма низким. Однако главный итог состоял в том, что установка оказалась работоспособной и при определенных условиях такая система может быть выгоднее распространенной в настоящее время пневматической системы. Кроме того, Б. Д. Садовский прояснил вопрос о продольном краевом эффекте, обнаружив неравномерность распределения амплитуды магнитной индукции в зазоре ЛАД при равномерно распределенной обмотке и симметричной системе токов. Кривые на рис. 5, вошедшие впоследствии во многие работы по теории ЛАД, были впервые получены Б. Д. Садовским.
Рис. 5. Кривые распределения магнитной индукции в зазоре ЛАД для различных моментов времени при числе полюсов 2p=4 (по данным Б. Д. Садовского)
В 1937 - 1938 гг. на Харьковском электромеханическом заводе инж. Г. И. Штурманом были построены несколько опытных образцов цилиндрических или трубчатых ЛАД, т. е. таких двигателей, магнитное поле в которых движется внутри трубчатого индуктора вдоль его оси. Двигатели показали хорошую работоспособность и дали материал для новых практических и теоретических исследований. К этому же времени А. И. Москвитин в качестве одного из вариантов цилиндрического вторичного элемента трубчатых двигателей предложил применять стальной шток, на который "надеты и запрессованы вперемежку медные и стальные кольца".
В 1930 г. ленинградский инж. (впоследствии профессор) П. А. Фридкин изобрел так называемый дугостаторный привод. П. А. Фридкин был первым, кто убедительно показал, что эффективность нового вида привода следует определять не по КПД отдельно взятого двигателя, а с учетом комплекса "двигатель— передаточный механизм". Его работы в 30-е годы вызывали много дискуссий, но автор упорно работал, совершенствовал свою систему привода, изучал особенности двигателя с разомкнутым магнитопроводом и добивался внедрения их в промышленности.
За рубежом самой интересной установкой после работ П. Тромбетты была поразившая воображение современников так называемая "электропульта" фирмы Westinghouse. Эта установка 1946 г. была предназначена для разгона взлетающих самолетов; тележки, на которых закреплялись самолеты, приводились в движение линейными двигателями. Были сооружены два экспериментальных участка в 1 и в 1,5 км длиной. Индуктор закреплялся на тележке, а вторичный элемент представлял собой систему в виде развернутой и уложенной в путь беличьей клетки. Двигатель мощностью 10 000 л. с. (7350 кВт) развивал скорость до 360 км/час. Самолет, закрепленный с помощью стропа на тележке, разгонялся за 4,2 с до скорости 187 км/час. От дальнейших исследований фирма отказалась; из-за слишком высоких капиталовложений.
В конце 40-х годов начинает проявляться интерес к электромагнитным жидкометаллическим насосам. Первые коммерческие насосы для перекачивания расплавленного алюминия были изготовлены около 1947 г. фирмой Ajax Engineering Co. В дальнейшем центр развития теории и практики магнитогидродинамических машин переместился в СССР, где основополагающие работы были выполнены советскими учеными Л. А. Верте, А. И. Вольдеком, И. М. Кирко, Я. Я. Лиелпетером, Н. М. Охременко, М. Г. Резиным, X. А. Тийсмусом, X. X. Янесом и др.
Основоположником теории электродвигателя с разомкнутым магнитопроводом можно считать советского ученого профессора Г. И. Штурмана. В 1946 г. он опубликовал работу, получившую постепенно всеобщее признание у нас и за рубежом. Г. И. Штурман дал физическое толкование пульсациям амплитуды магнитной индукции в зазоре "пустого" индуктора, установил, что кроме бегущего поля постоянной амплитуды имеются две пульсирующие составляющие, одна из которых изменяется вдоль индуктора по закону гиперболического косинуса (и по своему воздействию более значительна), другая - по закону гиперболического синуса. Модель Г. И. Штурмана (рис. 6), разработанная для оценки явления магнитного шунтирования, т. е. учета магнитных потоков, замыкающихся между торцами магнитопровода, содержала гипотетические участки неопределенной длины Y. Предполагалось, что длина этих участков такова, что магнитный поток в зазоре между ними в точности равен шунтирующим потокам оригинала; естественно, что в модели уже никаких потоков между торцами, спинками, боковыми поверхностями нет.
Рис. 6. Модель Г. И. Штурмана
В следующей статье, написанной совместно с проф. Р. А. Ароновым, Г. И. Штурман рассмотрел нагрузочный режим индукционной машины с разомкнутым магнитопроводом. Задача решается путем суперпозиции первичного и вторичного полей (стальной вторичный элемент, как и индуктор, имеет μ=∞), причем первичное поле получено из рассмотрения "пустого" индуктора. Авторам статьи удалось путем анализа полученных выражений и расчетных примеров выяснить пульсирующий характер дополнительных, обусловленных размыканием магнитной цепи усилий, оценить потери во вторичном элементе и заметить, что скорости идеального холостого хода не совпадают со скоростями движения бегущих волн МДС и индукций. Было также отмечено, что "последствия краевого эффекта вообще в значительно большей мере проявляются в зоне рабочих режимов, связанных с малыми скольжениями". Природа отклонения от синхронной скорости, размеры шунтирующих участков и ряд других вопросов остались невыясненными.
В 1947 г. увлекся идеей "электропульты" и позднее начал работать в области линейных двигателей английский профессор Е. Лейтвейт. Вначале Лейтвейт недооценивал трудностей теории линейных двигателей. В 70-х годах на Лондонской международной конференции по линейным двигателям он признался, что если бы в 1953 г. он познакомился с двумя работами Штурмана и Аронова, то отказался бы от своего исследования. Но в 50-х и 60-х годах Лейтвейт развил настолько активную деятельность и опубликовал такое множество работ, что привлек внимание широкой электротехнической общественности мира к новой проблеме. На Западе Лейтвейта считают "отцом" линейных двигателей. Главным образом под влиянием его работ и начался в конце 50-х - начале 60-х годов изобретательский бум и быстрое нарастание числа научных статей в области линейных двигателей.
В 60-е годы в Институте физики Академии наук Латвийской ССР Т. К. Калнинем была предложена конструкция ЛАД с поперечным магнитным потоком.
Источник: О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов "Линейные асинхронные двигатели", Москва, Энергоатомиздат, 1991, 256 с.