История развития электромеханических преобразователей

ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет

Кафедра Электроснабжения промышленных предприятий

РЕФЕРАТ

на тему: «История развития электромеханических преобразователей».

Выполнил:  магистрант 1 курса группа МЭЛЭН-11.

                                                        Баксаисов Е.И.

Проверил: Угаров Г.Г.

Саратов 2010 г.

План.

ВВЕДЕНИЕ

1.       ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.                                                          

2.       ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.

2.1   ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

2.2   ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3. РАЗВИТИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

4. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

С древнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые помогали бы выкорчёвывать, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова мелющие зерно и т.п.

В странах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-м тыс. до н.э. использовались животные и рабы. Затем на смену живым двигателям пришло водяное колесо – два диска на одном валу, между которыми помещались дощечки – лопасти. Поток воды в реке давил на лопасти, поворачивал колесо, а через вал колеса движение передавалось жерновам. В 3-м тысячелетии до н.э. использовались паруса для движения лодок, но только в 7 в н.э. персы изобрели ветряную мельницу с крыльями.[1]

В конце 7 – начале 8 веков в Италии, Франции, Англии, России, Испании и других государствах делались неоднократные попытки создать двигатель, не зависящий от движущейся воды и ветра. Идея использования пара  для создания двигателя возникла благодаря размышлениям и опытам древних мыслителей. Герон из Александрии ещё в 70-е гг. н.э. изобрел простейшую паровую турбину – Эолипил Герона. Сила пара, вырывающегося из шарообразного сосуда, в котором кипела вода, через Г-образные трубки, вращала этот сосуд.

В середине 8 века человечество вплотную подошло к одному из важнейших моментов истории технического творчества – использование водяного пара для приведения в действие различных механизмов.

В истории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей: итальянцев – Леонардо да Винчи, Порта; французов – де Ко, Папена; англичанин – Т. Сэвери, Т. Ньюкомена; русских – И.И. Ползунова, отца и сына Черепановых и многих других.

Водяные колеса и паровые совершенствовались, все больше внедрялись в промышленность, но они имели довольно низкий коэффициент полезного действия и сравнительно небольшую мощность. Требовалось создание новых машин с большим числом оборотов, с большой мощностью и большим КПД. Такими машинами стали различные модификации водяных, паровых, а позднее и газовых турбин («турбо» - волчок). [1]

Однако, паровые машины и турбины требовали устройства, в котором была бы топка, котёл, охлаждающий агрегат. Они выполняли своё назначение, однако были громоздкими и неудобными в эксплуатации. [1]

Уже в конце 17 века появилась идея создания двигателя внутреннего сгорания – ДВС, в котором не нужен котел и топка, так как газообразное рабочее тело получает энергию от сжигание топлива внутри рабочего цилиндра. В двигателях внутреннего сгорания главная часть – цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскалённый сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра – отсюда и название ДВС – двигатель внутреннего сгорания.

После того как были изобретены различного рода двигатели – ветровые, водяные, паровые, турбореактивные внутреннего сгорания – встал вопрос о передаче энергии на расстояние. Для передачи энергии на большие расстояния и распределение её между потребителями – самой удобной является именно электрическая энергия.

Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, бытовых удобств явилось изобретение и применение электрических двигателей. Электрические двигатели удобнее и надежнее других двигателей – паровых, ветряных, водяных. Они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют регулировать скорость и т.п. К тому же передача энергии при помощи электрической энергии возможна на значительные расстояния при минимальных потерях, что способствовало решению проблемы концентрированного производства, передачи и использования электричества. Однако, электрический двигатель это лишь один из видов преобразователей энергии, который относится к большому классу преобразователей – к электромеханическим преобразователям.

Электромеханический преобразователь, устройство для преобразования механических перемещений (колебаний) в изменение электрического тока или напряжения (электрический сигнал) и наоборот. [2] Рассмотрим более подробно процесс развития электромеханических преобразователей.

1. ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

Китайцами был создан первый компас; индийцы пользовались магнитом для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых. В IV в. н. э. китайские морские суда пользовались компасом при плавании в Индию и в Африку. Через арабов компас попал в Европу. Самое ранее упоминание о применении в Европе магнитной стрелки относится к 1181 г. С XIII в. европейские мореплаватели начинают более широко пользоваться компасом.

Еще в древности делались отдельные попытки объяснить магнитные явления, однако первые опытные исследования магнитных явлений относятся лишь к XIII в. Отдельные ученые — англичанин Р. Бэкон, француз П. Перегрин, итальянец делла Порта установили ряд свойств магнита: существование магнитных полюсов и их взаимодействие; распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево и др.); невозможность получения магнита с одним полюсом. П. Перегрин и делла Порта описали способы изготовления магнитных стрелок; Перегрин (около 1270 г.) впервые снабдил компас градуированной шкалой. Однако попытки этих ученых объяснить причину наблюдаемых явлений не имели успеха вследствие ограниченности научных знаний. В течение многих веков магнитные явления объясняли действием особой магнитной жидкости. И лишь в 20-х годах XIX в. Ампер впервые указал на электрическую природу магнетизма. [3]

Первое научное сочинение о магнитах было написано английским врачом Вильямом Гильбертом (1554 — 1603), одним из основоположников экспериментального метода в естествознании, автором сочинения «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», вышедшего в 1600 г., в котором он описал свои многочисленные экспериментальные исследования. Гильберт считал причиной действия на .магнитную стрелку магнетизм Земли, так как по его мнению Земля есть большой магнит.

Дальнейшее изучение электрических явлений привело к созданию первых электростатических машин. Прототип электростатической машины был впервые построен в 1650 г. немецким физиком Отто Герике. Установка Герике представляла собой шар из серы «величиной с детскую голову», насаженный на ось и приводимый во вращение. Натирание шара производилось ладонями рук, Герике удалось заметить слабое свечение наэлектризо-ваного шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить явление электрического отталкивания. [3]

Опыты Герике с серным шаром нашли свое дальнейшее продолжение и развитие. В 1709 г. англичанин Хауксби построил электростатическую машину, заменив серный шар стеклянным, так как стекло электризовалось более интенсивно. Хауксби наблюдал искры, сопровождавшиеся характерным треском. В 1744 г. было предложено применять для натирания шара кожаные подушечки, прижимаемые пружинами к стеклу. В этом же году был изобретен кондуктор для собирания электрических зарядов. Несколько позднее в электростатических машинах трения стеклянный шар был заменен цилиндром для увеличения натираемой поверхности. В 1761 г. Леонард Эйлер описал электростатическую машину с подушками и изолированным стержнем, на котором собирались заряды. Стержень соединялся с электризуемым цилиндром посредством пучка проводящих нитей. В 1755 г. была построена первая электростатическая машина со стеклянным диском; последний был более надежным, чем   шар   или цилиндр, и прост в изготовлении. Кроме того, для съема заряда вместо проводящих нитей были применены специальные гребенки, а поверхность подушечек стали покрывать амальгамой, что значительно усиливало электризацию. Самая большая дисковая электростатическая машина была построена в Англии в XIX в.: диаметр ее двух дисков достигал 2,27 м, и вращение их производилось паровой машиной.

Таким образом, первая электростатическая .машина была построена в 1650 г. К концу XVIII в., претерпев многочисленные изменения, электростатическая машина приняла вид, сохранившийся в общих чертах до настоящего времени. В течение XVII—середины XVIII вв. был открыт ряд новых научных фактов в области явлений статического электричества, важнейшими из которых являются: обнаружение двух родов электричества и установление-законов их взаимодействия, разделение тел на проводники и непроводники. Изобретение лейденской банки в 1745 г. позволило наблюдать более сильные действия электричества и способствовало расширению представлений о сущности этого явлении. Научные открытия второй (половины XVIII в. получили дальнейшее развитие в XIX в. и явились базой для расширения практических применений электричества, начавшихся уже в первой четверти этого столетия.[3]

2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Основы электромеханики были заложены крупнейшими открытиями первой трети XIX в. Основными научными предпосылками электромеханики явились создание основ электродинамики и открытие явления электромагнитной индукции. Накопившийся после промышленного переворота практический опыт конструирования машин и механизмов, паровых двигателей и т. п. стал основой конструктивных решений и в области электрических машин, электромагнитных аппаратов и приборов.

Создатели первых электромагнитных устройств, при помощи которых демонстрировалось непрерывное превращение электрической энергии в механическую или обратно, еще не ставили перед собой серьезных энергетических задач. Во время первых работ в области электромеханики не было еще острой потребности в построении новых мощных источников электрической или механической энергии. Паровой двигатель прочно удерживал за собой решающие позиции, и сфера применения его непрерывно расширялась. [3]

В середине прошлого века положение начало меняться. В связи с успехами электрического освещения и других энергетических применений электричества (гальванопластика, электротермия, электрическая тяга) потребность в мощных источниках электрического тока сильно возросла. Позже, в конце XIX в., развитие централизованного производства электроэнергии и необходимость по этой причине освоить передачу энергии на большие расстояния выдвинули вопросы построения мощных и экономичных электрических генераторов и электрических двигателей как задачу громадного хозяйственного значения.

В процессе решения этих крупных задач электрическая машина прошла длинный и сложный путь развития от физических игрушек до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины, как указывалось выше, был открыт в 30-х годах, а использован в широких масштабах, начиная с 70-х годов прошлого века. В связи с этим представляется вполне правомерным рассмотреть отдельно развитие генератора и электродвигателя в период до 1867 г.

2.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В первой половине XIX в. паровой двигатель, как уже отмечалось, занимал преобладающее положение среди двигателей, применявшихся бурно развивавшейся капиталистической машинной индустрией. Будучи безусловно прогрессивным фактором в технике конца XVIII и начала XIX в., он обладал тем не менее рядом существенных недостатков, которые выступали все более и более отчетливо по мере развития капиталистической промышленности. К концу XIX в. паровой двигатель уже не мог оставаться единственным источником механической энергии в цехах промышленных предприятий. Необходимость перейти к более гибкой и экономичной системе промышленного привода настоятельно требовала отказа от трансмиссий, т. е. перехода по возможности к одиночному приводу. Но для такой системы привода в большинстве случаев нужен был экономичный двигатель небольшой мощности. Кроме требований, предъявлявшихся системой распределения энергии между исполнительными механизмами, двигатель промышленного предприятия должен был удовлетворять также многим другим условиям, -например таким, как возможность автоматизации, небольшие габариты и вес (что дает возможность легко конструктивно сочленять двигатель и исполни­тельный механизм), безопасность в пожарном отношении, минимальные расходы по надзору, гигиеничность эксплуатации и пр. Всем этим требованиям наилучшим образом удовлетворял электрический двигатель. Так, в последней трети XIX в. произошло разделение на первичные (тепловые, гидравлические) и вторичные (электрические) двигатели [3,см. гл. 14].