Развитие машин постоянного тока

Развитие двигателей постоянного тока

Рисунок 1. Колесо Барлоу: 1 – деревянная подставка; 2, 3 – желобки, наполненные ртутью; 4, 5 – зажимы для подключения гальванической батареи; 6, 7 – медные зубчатые колеса; 8 – ось

Начальный период развития электродвигателя (1821 – 1834 г.г.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 году Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея является наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.

Возможность превращения электрической энергии в механическую показывалось и во многих других экспериментах. Так в 1824 году Питером Барлоу было описано устройство, известное под названием "колеса Барлоу" и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя.

Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси и соприкасающихся с ванночками наполненными ртутью, которые находились между полюсами постоянных магнитов (рисунок 1; видео 1). При пропускании тока через колеса они начинали быстро вращаться.

Видео 1. Колесо Барлоу

Характерным для 1-го этапа развития электродвигателя примером, отражающим иное конструктивное направление, может служить прибор американского физика Джозефа Генри (рисунок 2; видео 2), описанный им в 1831 году.

Рисунок 2. Двигатель Генри:
1, 2 – постоянные магниты; 3, 4 – электромагнит; 5, 6 – гальванические элементы; 7 – 10 – чашечки со ртутью; 11 – 14 – проводники

Под полюсами горизонтально расположенного электромагнита, способного совершать качательное движение, устанавливались постоянные магниты. Изменение полярности электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока в обмотке, соединявшейся посредством проводников с гальваническими элементами (к электродам элементов припаяны чашечки со ртутью). Электродвигатель Генри известен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных полюсов для получения непрерывного движения ( в данном случае качательного). Мощность таких двигателей была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 году, имел мощность 0,044 Вт и не мог использоваться на практике.

Видео 2. Двигатель Генри. История электромагнитных реле

Второй этап развития электродвигателей (1834 – 1890 г.г.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Наиболее характерные и существенно важные работы по конструкции электродвигателей такого рода принадлежит русскому академику немецкого происхождения Борису Семеновичу Якоби. В 1834 году Якоби построил и описал электродвигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами (рисунки 3, 4, 5, 6, 7, 8; видео 3). Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (4 электромагнита) располагались на неподвижной раме, а другая аналогичная – на вращающемся диске. В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности электромагнитов использовался простейший коммутатор. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и тоже направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала, следовательно, изменялась их полярность, и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

Рисунки 3, 4, 5. Копия первого электродвигателя Якоби находящаяся в Московском политехническом музее

Рисунок 6. Коллектор электродвигателя Якоби

Рисунок 7. Щеточный аппарат электродвигателя Якоби

Рисунок 8. Гальваническая батарея питания электродвигателя Якоби

Видео 3. Электромагнитный двигатель Якоби

В 1837 году американский техник Томас Дэвенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря (рисунок 9). В этом двигателе взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных частей, электродвигатель Дэвенпорта был более компактным.

Рассматриваемые электродвигатели действовали по прицепу взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов. Вращающий момент на валу был непостоянным, и, в связи с попеременным притяжением и отталкиванием стержневых якорей, действие таких электродвигателей в системе электропривода представлялось малоперспективным.

В 40-х – 60-х годах 19 века некоторые из двигателей действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Таким являлся, например, двигатель Бурбуза (рисунок 10), который напоминал кинематические схемы паровых машин, в которых вращательное движение вала создавалось посредством преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня. Или двигатель Фромана (видео 4), работавший на принципе притяжения железных пластин электромагнитами, направление тока в обмотках которых изменялось коммутатором.

Рисунок 10. Двигатель Бурбуза

Видео 4. Двигатель Фромана

Третий этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций электродвигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении был сделан в 1860 году студентом, а в последствии профессором Пизанского университета Антонио Пачинотти.

Электродвигатель Пачинотти (рисунок 11, видео 5) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь укреплялся на вертикальном валу и имел зубцы, что уменьшало магнитное сопротивление и облегчало крепление обмотки. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсными наконечниками, включалась последовательно с обмоткой якоря, т. е., согласно современной терминологии, машина имела последовательное возбуждение. Вращающий момент в электродвигателе Пачинотти был практически постоянным, а его габариты были невелики по сравнению с размерами других двигателей равной мощности. Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что им был сделан важный шаг на пути создания современных машин постоянного тока: явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным. К этому следует добавить еще удобную схему возбуждения и, по существу, современного типа коллектор. Любопытно также отметить, что Пачинотти указал на возможность обращения своего двигателя в генератор. Однако, не зная о возможности применения принципа самовозбуждения, он рекомендовал при использовании машины в качестве генератора заменить электромагниты постоянными магнитами.

Видео 5. Динамо Пачинотти

В 1863 году Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но, несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет Зенобом Теофилом Граммом в конструкции электромашинного генератора.

Развитие генераторов постоянного тока

В развитии электрического генератора постоянного тока можно выделить четыре этапа.

Первый этап (1831 – 1851 г.г.) характеризуется созданием электрических генераторов с самовозбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы получили название магнитоэлектрических машин. Первым генератором такого типа, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор Бориса Семеновича Якоби. Занимаясь усовершенствованием методом электрического взрывания мин, Якоби построил в 1842 году генератор, названный им магнитоэлектрической батареей (рисунок 12). При вращении катушек зубчатой передачей в поле постоянных магнитов в них наводилась электродвижущая сила (ЭДС); на валу имелось коммутирующее устройство в виде двух полуцилиндров, представляющее собой простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов.

Более мощным магнитоэлектрическим генератором был генератор организованной в Париже электропромышленной компании "Альянс" (отсюда произошло и название новой машины). В генераторе "Альянс" (рисунок 13) на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности вокруг вала. В промежутках между рядами магнитов устанавливались на валу кольца с большим числом катушек-якорей. На валу генератора укреплялся коллектор, а в качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который был связан с валом машины. В генераторе "Альянс" можно было варьировать соединение обмоток катушек, в результате чего изменялась ЭДС. Вследствие этого генератор мог давать либо большой ток низкого напряжения и служить, например, для целей гальванопластики, либо ток меньшей силы, но более высокого напряжения (40 – 250 В) для питания дуговых ламп. Генератор "Альянс" нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам, а именно: несовершенство материалов и технологии производства постоянных магнитов. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась, и его мощность снижалась. Кроме того, принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

Второй этап развития электрического генератора постоянного тока занял сравнительно небольшой отрезок времени (1851 – 1867 г.г.). Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, т. е. возбуждением электромагнитов от постороннего источника. В качестве примера может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863 г.). Этот генератор (рисунок 14) имел П-образный электромагнит, для питания которого был приспособлен возбудитель – небольшой магнитоэлектрический генератор. Машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением. Действительно, более естественным было питать обмотку возбуждения генератора не током от отдельного источника, а током самой электрической машины, соединив, например, последовательную обмотку возбуждения с обмоткой якоря.

После 1867 года с открытием принципа самовозбуждения в развитии электрических генераторов начался третий этап. Принцип самовозбуждения получил широкую известность только после 1887 года, когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением. Существенным недостатком таких генераторов являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Здесь использовался так называемый двух-Т-образный якорь, имевший форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Этот якорь, являющийся разновидностью явнополюсного якоря, не только ограничивал мощность машин, но и давал резко пульсирующий ток и в этом отношении ничем не отличался от стержневого.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми барабанными якорями знаменует начало четвертого этапа в развитии электрических генераторов. Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен бывшим столяром фирмы "Альянс" Зенобом Теофилом Граммом в 1870 году. Он использовался для питания осветительных установок и конструктивно представлял собой следующее (рисунок 15): на станине были укреплены электромагниты с полюсными наконечниками, между которыми вращался якорь; в специальных держателях были укреплены щетки, соприкасающиеся почти с современного типа коллектором. Якорь приводился во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуждения включалась последовательно с обмоткой якоря.

Рисунок 15. Схема соединений и внешний вид генератора Зеноба Теофила Грамма:
1 – чугунная станина; 2 – электромагниты; 3 – кольцевой якорь; 5 – коллекторные пластины

По сравнению с якорем Пачинотти, Грамм сделал шаг назад, изготовив свой якорь без зубцов, что, с одной стороны, усложнило крепление обмотки, а с другой увеличило потери в меди якоря. Но уже то, что Грамм снабдил кольцевым якорем машину с самовозбуждением, явилось громадным шагом вперед. Одним из важных преимуществ кольцевого якоря было то, что он позволял получать постоянный ток практически неизменный по величине.

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком коэффициенте полезного действия (КПД) и сравнительно малых габаритах и весе. Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что он быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин – генераторов и двигателей – объединились. Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в усовершенствованиях, которые и последовали в 70-х – 80-х годах 19 века. Однако из наиболее существенных улучшений, состоявшее в замене кольцевого якоря барабанным, было осуществлено в 1873 году немецким электротехником Фридрихом фон Хефнер-Альтенеком. Основным недостатком кольцевого якоря являлось плохое использование меди в его обмотке, так как части витков обмотки, находившихся на внутренней поверхности кольца, не использовались. В барабанном же якоре обе стороны каждой секции участвовали в создании ЭДС, а не работали только лобовые части обмотки. С 1878 года барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволяло более надежно крепить обмотки и уменьшить воздушный зазор в машине. Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 году известного американского изобретателя Томаса Алва Эдисона к мысли изготовлять якорь шихтованным, т. е. набранным из тонких стальных листов, оклеенных бумагой (впоследствии оклейка стальных листов бумагой заменена лакировкой этих листов). В том же 1880 году для улучшения условий охлаждения якоря американский изобретатель Хайрем Стивенс Максим предложил разделять шихтованный якорь на пакеты; это давало возможность образовывать в теле якоря каналы для прохождения воздуха. Важным усовершенствованием машины постоянного тока явилось введение в 1884 году компенсационной обмотки, а в 1885 году – дополнительных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать реакцию якоря и улучшить коммутацию.

Так в течение 70-х – 80-х годов машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины и были направлены на улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, на повышение качества щеток и прочего.