История развития электромеханических преобразователей

Поскольку все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.

В развитии электродвигателя постоянного тока можно наметить три основных этапа, которые ниже будут последовательно рассмотрены. Следует заметить, что это разделение на этапы является условным, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись и на более поздних этапах; с другой стороны, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зародышевой форме нередко можно найти на более ранних ступенях развития электродвигателя. Следует далее иметь в виду, что для характеристики каждого этапа развития электродвигателя в дальнейшем изложении приводятся только наиболее типичные конструкции.

Начальный этап развития электродвигателя (1821—1834 гг.) характеризуется созданием физических приборов, демонстрирующих непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Первым таким прибором было описанное выше устройство Фарадея, в котором он впервые получил взаимное вращение магнитов и проводников с током.

Следующее после Фарадея описание различных приборов, в которых действие магнитов вызывает движение прозодника с током в магнитном поле, в частности непрерывное вращение колеса, дано в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г. Построенное им так называемое «колесо Барлоу» является одним из исторических памятников предистории развития электротехники. Колесо Барлоу по принципу действия представляет собой униполярную электрическую машину, работающую в двигательном режиме. Колесо Барлоу не имело практического значения и остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором. В свое время оно сыграло роль в том отношении, что способствовало развитию экспериментов в области построения электродвигателя, пригодного для практики. К решениям, отвечавшим требованиям практики, пришли не сразу, а осуществив построение ряда электродвигателей, практическая ценность которых была недостаточной. [3]

Характерным для первого этапа развития электродвигателя примером, отражающим иное направление в создании конструктивных форм, является прибор американского физика Джозефа Генри в 1831 г. опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой он описал построенный им электродвигатель. Это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных испытаний, и сам изобретатель не придавал серьезного значения своей конструкции. Значение электродвигателя Генри в историческом разрезе заключается в том, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения движения (в данном случае качательного) некоторого рабочего органа. Один из электродвигателей такого типа, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 Вт (по современным подсчетам).

Несмотря на то, что как на первом этапе, так и позднее предлагались многочисленные конструкции двигателей с качательным движением якоря, более прогрессивными всегда были попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря. Одной из таких попыток был электродвигатель, описанный в 1833 г. профессором Лондонского университета В. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, поставленным полюсами N и S вертикально вверх. Между этими полюсами на вертикальной оси помещался электромагнит, по обмотке которого пропускался ток. Направление тока изменялось коммутатором, вследствие чего полярность электромагнита периодически менялась. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению  электромагнита вокруг оси. Описанный электродвигатель вследствие своей незначительной мощности не мог иметь практического значения. [3]

Второй этап развития электрических двигателей (1834—1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением якоря и с резко пульсирующим вращающим моментом. Все двигатели этого периода действовали на принципе притяжения и отталкивания, производимого электромагнитами, либо на взаимодействии электромагнитов с постоянными магнитами или с стальными пластинами.

Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат академику Б. С. Якоби. Изучая конструкции электродвигателей своих предшественников, в которых было осуществлено возвратно-поступательное или качательное движение якоря, Якоби отозвался об одном из них, «что такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов, и что его нельзя будет применять в большом масштабе с какой-нибудь экономической выгодой». Поэтому Якоби направил свое внимание на построение более мощного электродвигателя с вращательным движением якоря.

В 1834 г. Якоби построил и описал электродвигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П-образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме, а другая аналогичная группа — на вращающемся диске (расположен слева). В качестве источника тока для питания электромагнитов была применена батарея гальванических элементов. Для попеременного изменения полярности подвижных электромагнитов, т. е. для того, чтобы машина могла работать, служил коммутатор.

Первый электродвигатель, построенный Якоби, мог поднимать груз весом 10—12 фунтов (т. е. примерно 4—5 кг) на высоту 1 фут (примерно 30 см) в секунду, что составляло мощность около 15 Вт.

Желание увеличить мощность электродвигателя привело Б. С. Якоби к созданию конструкции электродвигателя сдвоенного типа. Этот электродвигатель имел 24 неподвижных П-образных электромагнита и 12 подвижных стержневых электромагнитов, но действовал на том же принципе, что и первый его электродвигатель. Прогрессивным в этом варианте двигателя Якоби было то, что при подобной конструкции электродвигателя подшипники разгружались от аксиальных усилий, которые возникали в первом электродвигателе Якоби при совмещении осей подвижных и неподвижных электромагнитов. Изменение конструкции, однако, не дало значительного увеличения мощности и не привело к возможности применить электродвигатель на практике, к чему стремился Якоби, работая над электродвигателем. Нужно было искать новое конструктивное решение, которое через несколько лет и было найдено. [3]

Якоби построил первый такой электродвигатель в мае 1834 г., а в ноябре того же года он представил Парижской академии сообщение об этом устройстве. Сообщение было прочитано на заседании Парижской академии 1 декабря 1834 г. и немедленно после этого опубликовано. Таким образом, известие об изобретении Б. С. Якоби очень скоро распространилось по всем странам.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, действовавший на принципе взаимодействия подвижных электромагнитов с неподвижными постоянными магнитами. В этой конструкции были некоторые прогрессивные идеи, на которые обратили внимание конструкторы электродвигателей, в том числе и Б. С. Якоби.

В середине 1837 г. Якоби, состоявший тогда профессором Дерптского университета, представляет в Министерство народного просвещения записку о необходимости организации исследований электродвигателей его системы. В результате этого обращения была создана «Комиссия для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу профессора Якоби», в состав которой входил ряд представителей Морского ведомства (председателем Комиссии был адмирал Крузенштерн) и ученых (акад. Э. X. Ленц, член-корреспондент Академии наук П. Л. Шиллинг и др.). Комиссия получила для производства опытов бот, вмещавший 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов. На этом боте надлежало установить электродвигатель Якоби и произвести соответствующие испытания и технико-экономические подсчеты. Вначале Якоби, по-видимому, сделал попытку, установить на боте свой электродвигатель конструкции 1834 г., поместив горизонтальный вал по всей ширине судна от борта до борта и разместив соответствующее число неподвижных рам и вращающихся дисков с электромагнитами. На концах этого вала, выступавших за корпус судна, должны были находиться гребные колеса. Место, которое должен был занимать такой электродвигатель на судне, как показывают подсчеты, оказалось чрезвычайно большим. Поэтому Якоби отказался от применения для опытов этого своего электродвигателя и приступил к разработке двигателя новой конструкции, которая была осуществлена в 1838 г.

В новой конструкции Якоби пошел по пути механического объединения работы нескольких электродвигателей на общий вал. Здесь и нашло свое практическое применение предложение Девенпорта располагать неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости: объединение на общем вертикальном валу нескольких электродвигателей такой конструкции увеличивало размеры электродвигателя по вертикальному направлению, что было вполне удобно для опытной судовой установки.

Испытания электродвигателей Якоби, установленных на боте, показали возможность применения электродвигателей для целей практики, но в то же время обнаружили, что при питании электродвигателей током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой, вследствие чего следует признать крайнюю неэкономичность электродвигателей на данном этапе развития электротехники. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование электрической машины привели к очень важному для практики выводу: разрешение вопроса о более или менее широком применении электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, т. е. от создания генератора тока более экономичного, чем гальванические батареи.

Все рассмотренные выше электродвигатели действовали на простейшем принципе взаимных притяжений и отталкиваний магнитов или электромагнитов; эти электродвигатели имели якоря простейшей формы в виде стержня с обмоткой. Такие стержневые якоря можно рассматривать как явнополюсные. Этим электродвигателям были свойственны существенные недостатки. Наиболее серьезными из них являлись: большие габариты машины при сравнительно малой мощности, большое магнитное рассеяние и низкий к. п. д. Кроме того, вращающий момент на валу таких электродвигателей отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было в большей или меньшей степени толчкообразным. При столь резких и частых изменениях вращающего момента на валу двигателя применение последнего в системе электропривода представлялось малоперспективным. [3]

Третий этап в развитии электродвигателей характеризовался разработкой конструкций электродвигателей с кольцевым якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении был сделан молодым итальянским ученым, впоследствии профессором физики Болонского и Пизанского университетов, Антонио Пачинотти.

Электродвигатель Пачинотти (1860 г.) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращавшегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное рассеяние и облегчало размещение обмотки) и латунными спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольцо между зубцами якоря наматывались катушки 3, концы которых подводились к пластинам расположенного на нижней части вала коллектора. 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.

В электродвигателе Пачинотти получался практически постоянный по величине вращающий момент; габариты этого электродвигателя были невелики по сравнению с другими электродвигателями равной мощности. Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что был сделан дальнейший и притом весьма важный шаг на пути построения современной машины постоянного тока: кольцевой зубчатый якорь, удобная схема возбуждения и коллектор, по существу говоря, современного типа. Любопытно также отметить, что Пачинотти указал на возможность обращения своего двигателя в генератор. Однако, не зная о возможности самовозбуждения машины, Пачинотти рекомендовал для использования машины в качестве генератора заменить электромагниты постоянными магнитами.

В 1863 т. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено внимания, и изобретение было забыто. Несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, оно не получило распространения, так как основные потребности промышленности в механической энергии в 60-х годах прошлого века вполне еще удовлетворялись паровым двигателем, тем более, что, как уже отмечалось, в то время все еще не было экономичного генератора электрической энергии. Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет 3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.

2.2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Несмотря на то, что электрохимические источники получили до 70-х годов прошлого века значительное развитие и распространение, проблема экономичного источника электрической энергии могла быть решена только созданием совершенной конструкции электромашинного генератора. В развитии электрического генератора, так же как и в развитии электродвигателя, можно наметить три основных этапа, хотя это разделение является в достаточной степени условным. [3]

Первый этап (1831—1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов; такие генераторы получили в то время название магнитоэлектрических.

Открытие Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе — диске Фарадея. Одно из наиболее ранних и весьма интересное конструктивное решение генератора с возбуждением от постоянных магнитов было дано в середине 1832 г. анонимным изобретателем, скрывшим свое имя под латинскими буквами Р. М. Этот генератор состоял из деревянного диска, сквозь отверстия которого были пропущены полюсами вниз четыре подковообразных постоянных магнита диск укреплялся на вертикальном валике  и мог вместе с магнитами приводиться во вращательное движение с помощью рукоятки. На подставке были неподвижно установлены восемь катушек с железными сердечниками; обмотки этих катушек соединялись последовательно. При вращении магнитов в обмотке катушек наводилась переменная э. д. с. Никаких коммутирующих устройств в этой машине не было, следовательно, это устройство являлось первым однофазным синхронным многополюсным генератором. В первом варианте генератора Р. М. железные сердечники катушек не имели замыкающего магнитопровода. Второй вариант генератора Р. М., в который изобретатель внес существенное улучшение: он ввел добавочное стальное кольцо, замкнувшее магнитную цепь сердечников, и поместил на кольце в промежутке между катушками добавочные обмотки, соединенные последовательно с обмотками катушек.