История развития электромеханических преобразователей

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в сентябре 1832 г. в генераторе братьев Пиксии. При вращении подковообразного постоянного магнита наводилась переменная э. д. с. в двух неподвижных катушках с железными сердечниками и замыкающей их железной пластиной. Магнит приводился во вращение посредством рукоятки и конической передачи; концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора. В некоторых генераторах в качестве устройства для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего по величине) применялось так называемое коромысло Ампера.

Существенным недостатком машин Р. М. и Пиксии являлось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Представлялось более целесообразным сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки: при этом постоянные магниты менее подвергались вибрации, а следовательно, ослаблялось их размагничивание. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно более удобными и именно в такой конструктивной форме они впервые вошли в практику. [3]

Одним из наиболее ранних генераторов этого типа была машина, построенная лондонским механиком Кларком (1835 г.). Машина состояла из постоянного подковообразного магнита, который составлялся из отдельных пластин. На валу укреплялась траверза с двумя катушками, имевшими стальные сердечники. Эти катушки при вращении вала перемещались по окружности около полюсов магнита. Для получения тока, неизменного по направлению, на валу генератора укреплялись две пластины (полуцилиндрьи), изолированные как от вала, так и между собой. К этим пластинам прижимались контактные пружины, с помощью которых ток отводился во внешнюю цепь (в машине было предусмотрено также контактное устройство для получения переменного тока). Коммутатор рассматриваемой машины, изменявший дважды за каждый оборот вала направление тока, представлял собой простейший двухпластинчатый коллектор.

Более совершенным с точки зрения увеличения потокосцепления, но в принципе мало отличавшийся от машины Кларка был магнитоэлектрический генератор Б.С Якоби. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей». Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Генератор Якоби имел два расположенных горизонтально постоянных подковообразных магнита, разноименные полюсы которых располагались один против другого. Между полюсами магнитов вращались на валу две катушки, снабженные стальными сердечниками, обмотки катушек соединялись последовательно. Вал, установленный в подшипниках, приводился во вращение от руки через зубчатую передачу. Наведенный в катушках переменный ток выпрямлялся с помощью двухпластинчатого коммутатора. В нерабочем состоянии катушки удерживались стопором.

Появление в течение ряда лет довольно большого числа магнитоэлектрических генераторов свидетельствует о насущной необходимости дать для практических целей генератор нового типа, который мог бы быть широко использован вместо дорогостоящих и весьма неудобных для эксплуатации гальванических батарей. [3]

Общим недостатком всех построенных магнитоэлектрических генераторов являлось то, что мощность их была весьма незначительной и не могла быть достаточной для развития практического использования электричества. Так, например, дуговые лампы с регуляторами, конструктивно разработанные в конце 40-х годов прошлого века, не могли получить практического распространения не столько из-за несовершенного их действия, сколько по причине трудности обеспечить их питание энергией. Можно отметить, что в осветительных устройствах 50-х годов (установка Аршро в С.-Петербурге, проф. А. С. Савельева в Казани, А. И. Шпаковского в Москве, проф. В. И. Лапшина в Харькове и др.) генерирующее устройство состояло из 600—1 ООО гальванических элементов. Дуговые лампы с регуляторами дали известный толчок построению более мощных магни­тоэлектрических генераторов; в этом же были заинтересованы и некоторые электрохимические производства. К построению крупных магнитоэлектрических генераторов с приводом якоря от парового двигателя подошли следующим образом. Развитие торгового флота в начале XIX в. после промышленного переворота и начало все расширявшегося применения парового двигателя на морских судах потребовало улучшения морской сигнализации. Необходимо было обеспечить более совершенными маяками побережья, а также наиболее важные с точки зрения безопасности навигации места на морских путях. Появление нового источника света, так называемого известкового или друммондова, создавало возможность увеличить дальность действия маяков; но для питания горелок друммондова света нужны были кислород и водород или их смесь (гремучий газ). Только при обеспечении горелок друммондова света кислородом и водородом можно было использовать все преимущества этого интенсивного источника света. Еще в 1849 г. профессор физики Брюссельской военной школы Нолле принялся за построение большой магнитоэлектрической машины, которая могла бы обеспечить в значительных масштабах электролиз воды для получения кислорода и водорода. Он исходил из конструкции обычных в то время магнитоэлектрических генераторов, но отказался от увеличения (размеров магнита или скорости вращения катушек, а пошел по проторенному пути комбинирования в один агрегат большего числа отдельных машин. Здесь еще раз нашла свое отражение отмеченная выше тенденция удовлетворять потребности практики путем увеличения числа уже известных устройств. Работа Нолле была продолжена после его смерти ван Мальдереном (Франция) и Хольмеом (Англия). К 1866 г. конструкция машины была разработана, а в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс» для производства таких машин по названию фирмы получила свое наименование и новая машина.

Устройство магнитоэлектрического генератора «Альянс» было таково: на чугунной станине неподвижно укреплено несколько рядов подковообразных постоянных магнитов, расположенных равномерно по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами магнитов на валу установлены несущие колеса с большим числом катушек-якорей. В машине число рядов постоянных магнитов было пять, число несущих колес четыре, а число катушек на каждом несущем колесе 16; таким образом, общее число магнитов 40, а общее число стержней (явнополюсных якорей) 64.

В генераторе «Альянс» можно было варьировать соединение обмоток катушек, в результате чего могла меняться э. д. с. в цепи. Вследствие этого генератор «Альянс» мог давать большой ток низкого напряжения и служить, например, для целей гальванопластики и электролиза, либо ток меньшей силы, но более высокого напряжения (от 40 до 250 в) для питания дуговых ламп.

Магнитоэлектрические генераторы «Альянс» были установлены при многих маяках с дуговыми лампами, например на мысе Эв и на мысе Грине (во Франции), в Саут-Фор-ленде и дрв Англии. (В течение 1857—1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Одна такая машина требовала для своего привода парового двигателя мощностью 6—10 л. с; вес одной шестидисковой машины «Альянс» доходил до 4 т, причем одни только магниты весили более 1 т.

Генератор «Альянс» завершил развитие генераторов на первом этапе и лучше, чем другие, меньшие по размерам, машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Под действием реакции якоря и вибраций постоянные магниты в такого рода машинах быстро размагничивались, в результате чего э. д. с. генератора уменьшалась и снижалась его мощность. Bo всех этих машинах применялись стержневые якори, имевшие многослойную обмотку; якори при работе быстро и сильно нагревались вследствие плохого отвода от них тепла, что приводило к быстрому разрушению изоляции. Вес и габариты магнитоэлектрических машин были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями являлось то, что они да­вали ток, неизменный по направлению, но резко пульсирующий по величине.

Увеличение мощности магнитоэлектрических машин могло быть лишь отчасти достигнуто путем увеличения размеров постоянных магнитов и соответствующим увеличением числа или размеров катушек; мощные магнитоэлектрические машины, как показывает пример генератора «Альянс», могли конструироваться лишь как сочетание в одном агрегате большого числа простых машин. Эти недостатки привели к тому, что в 50-х годах прошлого века был поставлен вопрос о замене постоянных магнитов, электромагнитами. [3]

Так начался второй этап развития электрического генератора (1851—1867 гг), занимавший сравнительно небольшой отрезок времени, характеризующийся   преобладанием конструкций генераторов с независимым возбуждением. Первое предложение применить вместо постоянных магнитов электромагниты, возбуждаемые током от магнитоэлектрической машины, было сделано Зинстеденом в 1851 г. в статье «Существенное усиление магнитоэлек­трического вращательного аппарата». Вначале это указание не получило своей практической реализации, и только через несколько лет после этого были построены первые машины с независимым возбуждением.

В качестве примера конструкции генератора с электромагнитами, обмотка которых питалась током от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863 г.). Этот генератор имел П-образный электромагнит, обмотка которого питалась током от отдельного возбудителя (небольшой магнитоэлектрический генератор).

Вместо обычно применявшегося ранее стержневого якоря Уайльд применил предложенный Вернером Сименсом в 1856 г. якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый двух-Т-образный якорь), который является разновидностью явнополюсного якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Машина, снабженная двух-Т-образным якорем, имела меньшее магнитное рассеяние, чем со стержневым якорем, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно грелся при работе и тем самым ограничивал мощность машины. Машина Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением. Действительно, не представило больших затруднений начать питать, обмотку возбуждения генератора Уайльда не током от отдельного источника, а током самой этой машины, соединив, например, последовательно обмотку возбуждения с обмоткой якоря.          

После 1867 г с открытием принципа самовозбуждения в развитии электрического генератора начался третий этап. Хотя принцип самовозбуждения получил широкую известноегь только после 1867 г., когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением, однако впервые этот принцип был сформулирован еще в начале 50-х годов. Датский изобретатель С. Хиорт, пытаясь применить электродвигатель на железнодорожном транспорте, занимался разработкой различных конструкций электрических машин. В 1852 г. Хиорт пришел к идее самовозбуждения, а в 1854 г. он взял английский патент на машину с самовозбуждением. В этом патенте Хиорт достаточно точно и ясно описывает принцип самовозбуждения, но, опасаясь, что остаточного магнетизма будет недостаточно для начального импульса, Хиорт наряду с электромагнитами применил и постоянные магниты. Следовательно, эта первая машина с применением самовозбуждения имела фактически комбинированное возбуждение и являлась как бы промежуточным типом между машинами магнитоэлектрическими и машинами с самовозбуждением. Следует отметить, что в других своих работах Хиорт указывает, что можно вполне обойтись без постоянных магнитов, обеспечивая начальный импульс остаточным магнетизмом сердечников электромагнитов.

Хиорт своими работами несколько опередил свое время, и, кроме того, он не располагал достаточными средствами для промышленного изготовления своих машин в больших масштабах. На идеи Хиорта и его машину не было обращено внимания, и они оставались неиспользованными на практике ряд лет. В 1866 г. английские инженеры Кромвель и Семьюэль Варли, а в начале 1867 г. Вернер Сименс и английский физик Чарльз Уитстон выступили с описанием принципа самовозбуждения, который фактически был уже предложен Хиортом ранее. [3]

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлось наличие в них неудачной конструкции якоря. Так, рассмотренный выше двух-Т-образный якорь не только ограничивал мощность машины из-за его быстрого нагрева, но и давал резко выраженный пульсирующий ток. В последнем отношении двух-Т-образный якорь ничем не отличался от еще менее удовлетворительного стержневого якоря, поскольку и тот и другой являются только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока.

Событием, революционизировавшим развитие электрической машины, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря. Первой машиной, в которой это было осуществлено, является генератор французского изобретателя (бельгийца по происхождению) Т. Грамма.

ИЗОБРЕТЕНИЕ  САМОВОЗБУЖДАЮЩЕГОСЯ  ГЕНЕРАТОРА С КОЛЬЦЕВЫМ ЯКОРЕМ

В 1870 г. Зеноб Теофил Грамм получил патент на генератор нового типа, в котором физический принцип самовозбуждения сочетался с весьма удачными конструктивными решениями (кольцевой якорь, коллектор). Как уже отмечалось, кольцевой якорь был изобретен Пачинотти в I860 г., но Грамм усовершенствовал этот якорь конструктивно, изготовляя тело якоря из пучка стальных проволок, благодаря чему заметно снижались потери на вихревые токи; кроме того, Грамм предусмотрел возможность построения многополюсных машин. Вместе с тем Грамм сделал шаг назад по сравнению с работами Пачинотти, изготовив свой якорь без зубцов, что вело, с одной стороны, к усложнению крепления обмотки, а с другой стороны, к увеличению магнитного рассеяния и магнитного сопротивления воздушного зазора в машине и некоторому увеличению потерь в меди якоря. Грамм применил кольцевой якорь сначала для магнитоэлектрических генераторов, а затем снабдил кольцевым якорем машину с самовозбуждением, что явилось громадным шагом вперед. [3]

В конструкции такого генератора был применен кольцевой якорь и практически современного типа коллектор. Одним из важнейших преимуществ кольцевого якоря являлось то, что он давал постоянный ток, практически неизменный по величине. Такой ток полностью отвечал тем требованиям, которые предъявлялись условиями возбуждения генератора. В противоположность этому в ранних конструкциях генераторов с самовозбуждением, в которых использовался, например, двух-Т-образный якорь, ток был резко пульсирующим и вызывал   большие  потери в полюсах машины от изменения намагничивания. С этой точки зрения мысль Грамма использовать постоянный ток, получаемый от машины с кольцевым якорем, для возбуждения той же машины была чрезвычайно плодотворной.