Розвиток двигунів постійного струму
початковий період розвитку електродвигуна (1821 - 1834 р.р.) тісно пов'язаний зі створенням фізичних приладів для демонстрації безперервного перетворення електричної енергії в механічну. У 1821 році Фарадей, досліджуючи взаємодія провідників з струмом і магнітом, показав що електричний струм викликає обертання провідника навколо магніту або магніту навколо провідника. Отже, досвід Фарадея є наочною ілюстрацією принципову можливість побудови електродвигуна.
Можливість перетворення електричної енергії в механічну показувалося і в багатьох інших експериментах. Так в 1824 році Пітером Барлоу було описано пристрій, відоме під назвою "колеса Барлоу" і є одним з історичних пам'яток передісторії розвитку електродвигуна.
Колесо Барлоу представляло собою два мідних зубчастих колеса, що сидять на одній осі і дотичних з ваннами наповненими ртуттю, які перебували між полюсами постійних магнітів (Рисунок 1; відео 1). При пропущенні струму через колеса вони починали швидко обертатися.
Відео 1. Колесо Барлоу
Характерним для 1-го етапу розвитку електродвигуна прикладом, що відображає інше конструктивний напрям, може служити прилад американського фізика Джозефа Генрі (рисунок 2; відео 2), описаний ним в 1831 році.
Малюнок 2. Двигун Генрі:
1, 2 - постійні магніти; 3, 4 - електромагніт ; 5, 6 - гальванічні елементи; 7 - 10 - чашечки зі ртуттю; 11 - 14 - провідники
Під полюсами горизонтально розташованого електромагніту, здатного здійснювати рух, що гойдає, встановлювалися постійні магніти. Зміна полярності електромагніту здійснювалося за рахунок зміни напрямку струму в обмотці, що з'єднувалася за допомогою провідників з гальванічним елементами (до електродів елементів припаяні чашечки зі ртуттю). Електродвигун Генрі відомий тим, що в цьому пристрої вперше зроблена спроба використовувати тяжіння різнойменних і відштовхування однойменних полюсів для отримання безперервного руху (у даному випадку качательного). Потужність таких двигунів була дуже невеликою: один з таких двигунів, побудований в 1831 році, мав потужність 0,044 Вт і не міг використовуватися на практиці.
Відео 2. Двигун Генрі. Історія електромагнітних реле
Другий етап розвитку електродвигунів (1834 - 1890 р.р.) характеризується переважанням конструкцій з обертовим рухом явнополюсного якоря. Найбільш характерні і суттєво важливі роботи по конструкції електродвигунів такого роду належить російському академіку німецького походження Борису Семеновичу Якобі . У 1834 році Якобі побудував і описав електродвигун, який діяв на принципі тяжіння і відштовхування між електромагнітами (малюнки 3, 4, 5, 6, 7, 8; відео 3). Цей двигун мав дві групи П-образних електромагнітів, з яких одна група (4 електромагніту) розташовувалися на нерухомій рамі, а інша аналогічна - на обертовому диску. Як джерело живлення електромагнітів застосовувалася батарея гальванічних елементів. Для зміни полярності електромагнітів використовувався найпростіший комутатор. Обмотки всіх електромагнітів нерухомою рами були з'єднані послідовно, і струм в них мав одне і теж напрямок. Обмотки електромагнітів обертового диска були також з'єднані послідовно, але напрямок струму в них за допомогою комутатора змінювалося 8 разів за один оборот валу, отже, змінювалася їх полярність, і вони по черзі притягувалися і відштовхувалися електромагнітами нерухомої рами.
Малюнки 3, 4, 5. Копія першого електродвигуна Якобі знаходиться в Московському політехнічному музеї
Малюнок 6. Колектор електродвигуна Якобі
Малюнок 7. Щітковий апарат електродвигуна Якобі
Малюнок 8. Електрична батарея живлення електродвигуна Якобі
Відео 3. Електромагнітний двигун Якобі
У 1837 році американський технік Томас Девенпорт також побудував електродвигун з безпосереднім обертанням якоря (малюнок 9). У цьому двигуні взаємодіяли рухливі електромагніти з нерухомими постійними магнітами. Завдяки розташуванню в одній площині рухомих і нерухомих частин, електродвигун Девенпорта був більш компактним.
Розглянуті електродвигуни діяли по причеп взаємного тяжіння і відштовхування магнітів або електромагнітів. Момент, що обертає на валу був непостійним, і, в зв'язку з поперемінним тяжінням і відвернути стрижневих якорів, дія таких електродвигунів в системі електроприводу уявлялося малоперспективним.
У 40-х - 60-х роках 19 століття деякі з двигунів діяли на принципі втягування сталевого сердечника в соленоїд . Виходить при цьому зворотно-поступальний рух перетворювалося за допомогою балансира або кривошипно-шатунного механізму в обертовий рух вала, забезпеченого для рівномірності ходу маховими колесами. Таким був, наприклад, двигун Бурбуза (рисунок 10), який нагадував кінематичні схеми парових машин, в яких обертальний рух вала створювалося за допомогою перетворення зворотно-поступального руху штока поршня. Або двигун Фромана (відео 4), який працював на принципі тяжіння залізних пластин електромагнітами, напрямок струму в обмотках яких змінювалося комутатором.
Малюнок 10. Двигун Бурбуза
Відео 4. Двигун Фромана
Третій етап у розвитку електродвигунів пов'язаний з розробкою конструкцій електродвигунів з кільцевих неявнополюсним якорем і практично постійним крутним моментом. Перший крок в цьому принципово новому напрямку був зроблений в 1860 році студентом, а згодом професором Пізанського університету Антоніо Пачінотті.
Електродвигун Пачінотті (рисунок 11, відео 5) складався з якоря кільцеподібної форми, що обертається в магнітному полі електромагнітів. Якір зміцнювався на вертикальному валу і мав зубці, що зменшувало магнітне опір і полегшувало кріплення обмотки. На кільці між зубцями якоря намотувалися котушки, кінці яких підбивалися до пластин колектора, розташованого на нижній частині вала. Підведення струму до пластин колектора здійснювався роликами. Обмотка електромагнітів, забезпечених полюсними наконечниками, включалася послідовно з обмоткою якоря, т. Е., Відповідно до сучасної термінології, машина мала послідовне збудження. Момент, що обертає в електродвигуні Пачінотті був практично постійним, а його габарити були невеликі в порівнянні з розмірами інших двигунів рівній потужності. Основне значення роботи Пачінотті полягає в тому, що їм було зроблено важливий крок на шляху створення сучасних машин постійного струму : Явнополюсний якір був замінений неявнополюсним. До цього слід додати ще зручну схему збудження і, по суті, сучасного типу колектор. Цікаво також відзначити, що Пачінотті вказав на можливість звернення свого двигуна в генератор. Однак, не знаючи про можливість застосування принципу самозбудження, він рекомендував при використанні машини в якості генератора замінити електромагніти постійними магнітами.
Відео 5. Динамо Пачінотті
У 1863 році Пачінотті опублікував відомості про конструкцію свого електродвигуна, але, незважаючи на великий інтерес з принципової точки зору, двигун не набув поширення, так як і раніше був відсутній економічний генератор електричної енергії. Ідея кільцевого якоря була відроджена приблизно через 10 років Зеноб Теофілом Грамом в конструкції електромашинного генератора.
Розвиток генераторів постійного струму
У розвитку електричного генератора постійного струму можна виділити чотири етапи.
Перший етап (1831 - 1851 р.р.) характеризується створенням електричних генераторів з самозбудженням від постійних магнітів. Такі генератори отримали назву магнітоелектричних машин. Першим генератором такого типу, який отримав практичне застосування, був магнітоелектричний генератор Бориса Семеновича Якобі. Займаючись удосконаленням методом електричного підривання хв, Якобі побудував в 1842 році генератор, названий їм магнітоелектричної батареєю (рисунок 12). При обертанні котушок зубчастої передачею в поле постійних магнітів в них наводилася електрорушійна сила (ЕРС); на валу було комутуючі пристрій у вигляді двох полуцилиндров, що представляє собою найпростіший двохпластинчаста колектор. Цей генератор був прийнятий на озброєння гальванічних команд російської армії, які використовували його для займання мінних запалів.
Більш потужним магнітоелектричним генератором був генератор організованою в Парижі електропромисловість компанії "Альянс" (звідси і походить назва нової машини). У генераторі "Альянс" (рисунок 13) на чавунній станині були укріплені в кілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані по колу навколо вала. У проміжках між рядами магнітів встановлювалися на валу кільця з великим числом котушок-якорів. На валу генератора зміцнювався колектор, а в якості колекторних щіток служили спеціальні ролики. У машині вперше було передбачено пристрій для зміщення роликів в залежності від навантаження. Переміщення роликів відбувалося під дією тяг, що йдуть від відцентрового регулятора, який був пов'язаний з валом машини. У генераторі "Альянс" можна було варіювати з'єднання обмоток котушок, в результаті чого змінювалася ЕРС. Внаслідок цього генератор міг давати або великий струм низької напруги і служити, наприклад, для цілей гальванопластики, або струм меншої сили, але більш високої напруги (40 - 250 В) для харчування дугових ламп. Генератор "Альянс" наочніше, ніж інші, менші за розмірами машини, показав недоліки, властиві взагалі магнітоелектричним машинам, а саме: недосконалість матеріалів і технології виробництва постійних магнітів. Під дією реакції якоря , В результаті природного старіння і можливих вібрацій магніти швидко розмагнічувати, в зв'язку з чим ЕРС генератора зменшувалася, і його потужність знижувалася. Крім того, принциповим недоліком машин з явнополюснимі якорями стало те, що вони давали різко пульсуючий струм.
Другий етап розвитку електричного генератора постійного струму зайняв порівняно невеликий відрізок часу (1851 - 1867 р.р.). Цей етап характеризується переважним конструюванням генераторів з незалежним збудженням, т. Е. Збудженням електромагнітів від стороннього джерела. Як приклад може бути вказаний генератор англійця Генрі Уайльда (1863 р). Цей генератор (рисунок 14) мав П-подібний електромагніт, для живлення якого був пристосований збудник - невеликий магнітоелектричний генератор. Машина Уайльда підготувала конструкторську думку до створення генераторів з самозбудженням. Дійсно, більш природним було живити обмотку збудження генератора НЕ струмом від окремого джерела, а струмом самої електричної машини, з'єднавши, наприклад, послідовну обмотку збудження з обмоткою якоря.
Після 1867 з відкриттям принципу самозбудження в розвитку електричних генераторів почався третій етап. Принцип самозбудження отримав широку популярність тільки після 1887 року, коли майже одночасно в різних країнах були побудовані генератори з самозбудженням. Істотним недоліком таких генераторів була вельми недосконала конструкція якоря . Тут використовувався так званий двох-Т-образний якір, який мав форму вала з поздовжніми виточками, в які вкладалася обмотка. Цей якір, який є різновидом явнополюсного якоря, не тільки обмежував потужність машин, а й давав різко пульсуючий струм і в цьому відношенні нічим не відрізнявся від стрижневого.
Розробка самозбуджується генераторів з кільцевими барабанними якорями знаменує початок четвертого етапу в розвитку електричних генераторів. Перший патент на самозбуджується генератор з кільцевих якорем був отриманий колишнім столяром фірми "Альянс" Зеноб Теофілом Грамом в 1870 році. Він використовувався для живлення освітлювальних установок і конструктивно являв собою наступне (рисунок 15): на станині були укріплені електромагніти з полюсними наконечниками, між якими обертався якір; в спеціальних власниках були укріплені щітки, дотичні майже з сучасного типу колектором. Якір приводився в обертання через приводний шків. Обмотка збудження включалася послідовно з обмоткою якоря.
Малюнок 15. Схема з'єднань і зовнішній вигляд генератора Зеноба Теофіла Грамма:
1 - чавунна станина; 2 - електромагніти; 3 - кільцевої якір; 5 - колекторні пластини
У порівнянні з якорем Пачінотті, Грам зробив крок назад, виготовивши свій якір без зубців, що, з одного боку, ускладнило кріплення обмотки, а з іншого збільшило втрати в міді якоря. Але вже те, що Г. забезпечив кільцевим якорем машину з самозбудженням, стало величезним кроком вперед. Одним з важливих переваг кільцевого якоря було те, що він дозволяв отримувати постійний струм практично незмінний по величині.
Генератор Грамма виявився досить економічним джерелом електричної енергії, що дозволяв отримувати значні потужності при високому коефіцієнті корисної дії (ККД) і порівняно малих габаритах і вазі. Очевидні переваги генератора Грамма сприяли тому, що він швидко витіснив інші типи і отримав дуже широке поширення. На початку 70-х років принцип оборотності електричних машин був уже добре відомий, і машина Грамма використовувалася як в режимі генератора , Так і в режимі двигуна . Таким чином, на початку 70-х років обидві лінії розвитку електричних машин - генераторів і двигунів - об'єдналися. Машина Грамма представляла собою машину постійного струму сучасного типу. Однак вона потребувала вдосконалення, які і пішли в 70-х - 80-х роках 19 століття. Однак з найбільш істотних поліпшень, що складалося в заміні кільцевого якоря барабанним, було здійснено в 1873 році німецьким іелектротехніком Фрідріхом фон Хефнер-Альтенек. Основним недоліком кільцевого якоря було погане використання міді в його обмотці, так як частини витків обмотки, які перебували на внутрішній поверхні кільця, не використовувалися. В барабанному ж якорі обидві сторони кожної секції брали участь у створенні ЕРС, а не працювали тільки лобові частини обмотки. З 1878 року барабанний якір стали робити зубчастим, що дозволяло більш надійно кріпити обмотки і зменшити повітряний зазор в машині. Боротьба за зниження втрат в тілі якоря привела в 1880 році відомого американського винахідника Томаса Алва Едісона до думки виготовляти якір шихтованим, т. Е. Набраними з тонких сталевих листів, обклеєних папером (згодом обклеювання сталевих листів папером замінена лакуванням цих листів). У тому ж 1880 для поліпшення умов охолодження якоря американський винахідник Хайрем Стівенс Максим запропонував розділяти шихтованний якір на пакети; це давало можливість утворювати в тілі якоря канали для проходження повітря. Важливим удосконаленням машини постійного струму стало запровадження в 1884 році компенсаційної обмотки, а в 1885 році - додаткових полюсів , За допомогою яких вдавалося компенсувати реакцію якоря і поліпшити комутацію .
Так протягом 70-х - 80-х років машина постійного струму придбала всі основні риси сучасної машини. Подальші удосконалення не зачіпали основних принципів і конструктивних вузлів машини і були спрямовані на поліпшення використання активних матеріалів та удосконалення ізоляції, на підвищення якості щіток та іншого.
