2.10. ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
2.10.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
Важнейшими научными предпосылками электромеханики послужили достижения в области электродинамики и открытие электромагнитной индукции. Свою положительную роль при разработке первых конструкций электрических машин и электромагнитных устройств сыграл и опыт конструирования машин и механизмов доэлектрического периода [1.6; 2.13].
В связи с тем что принцип обратимости электрической машины был открыт только в 30-х годах, а его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов XIX в., представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания электродвигателя и генератора в период до 1870 г. А поскольку единственным надежным и изученным источником электроэнергии до середины XIX в. был только гальванический элемент, то, естественно, первыми стали развиваться электрические машины постоянного тока.
В развитии электродвигателя постоянного тока можно отметить три основных этапа, впрочем достаточно условных, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много лет. Вместе с тем более поздние и более прогрессивные конструкции в зачаточной форме нередко можно найти в первоначальном периоде развития электродвигателя. Для характеристики каждого этапа совершенствования электродвигателя в дальнейшем изложении рассматриваются только наиболее типичные конструкции.
Начальный период развития электродвигателя (1821–1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую и начинается с описанного выше опыта М. Фарадея (см. рис. 2.11).
Возможность превращения электрической энергии в механическую показывалась и во многих других экспериментах. В этот период было создано несколько физических моделей электродвигателей (английскими учеными Петером Барлоу (1824 г.), Уильямом Риччи (1833 г.) и Джозефом Генри (1831 г.)). Прибор Дж. Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае — качательного). Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой (0,044 Вт), и, конечно, они не могли использоваться на практике.
Как на первом этапе, так и позднее было предложено много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря.
Второй этап раннего развития электрических двигателей (1834–1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Вращающий момент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.
Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат Борису Семеновичу Якоби (1801–1874 гг.) [2.14].
В 1834 г. Б.С. Якоби послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное описание электродвигателя Б.С. Якоби было опубликовано в 1835 г.
Представляют интерес некоторые высказывания Б.С. Якоби, в которых он определяет свой подход к изобретению электродвигателя: «В мае 1834 г. я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение … но я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом. Мне казалось, что такой прибор будет не больше чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов … Все эти соображения … заставили меня окончательно отказаться от попытки построить аппарат, получающий возвратно-поступательное движение …»
Сомнения Б.С. Якоби легко объяснимы: привычный паровой двигатель давал возвратно-поступательное движение, и, конечно, хотелось построить новый, электрический двигатель, дающий такое же «нормальное» движение. Современные работы в области линейных электродвигателей свидетельствуют о том, что сама идея поступательного движения в электрических машинах не является порочной, но техническую революцию совершили машины вращательного движения.
Внешний вид первого двигателя Б.С. Якоби показан на рис. 2.14. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов, один из которых располагался на подвижной раме, другой — на неподвижной.
В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор.
Рис. 2.14. Внешний вид двигателя ЯкобиКоммутатор представлял собой оригинальную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех металлических колец 7–4, установленных на валу и изолированных от него (рис. 2.15); каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись изолирующими вкладками; каждое кольцо было смещено на 45° по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг 5, представляющий собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью 6, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска подходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и то же 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, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рис. 2.15 стрелками указаны направления токов для данного положения вала. Мощность двигателя составляла примерно 15 Вт.
Рис. 2.15. Коммутатор (а) и схема коммутации (б) электродвигателя Якоби I — обмотка неподвижной рамы; II — обмотка подвижной рамы Б.С. Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и проявить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы в скромных масштабах свое желание «посвятить все свое время и всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для того, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для того, чтобы мое новое отечество, с которым я уже связан многими узами, не лишилось возможности сказать, что Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями». Эти слова он написал в записке министру просвещения и президенту Академии наук, прося у него материальной помощи для экспериментов. Широкой поддержки у министра Б.С. Якоби не нашел, но тем не менее четыре года спустя, в 1838 г., по р. Неве курсировал бот, вмещавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвигателями Б.С. Якоби.
Это был уже совсем другой двигатель, и конструкция его точно отражала типичные пути изобретательской мысли: поскольку не был еще создан принципиально новый экономичный и малогабаритный электрический двигатель, то Б.С. Якоби пошел по пути объединения многих машин с электромагнитами, имеющими сосредоточенные катушечные обмотки, в один агрегат. Сначала это был так называемый сдвоенный двигатель первого типа. Он имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а между ними вращающийся диск с 12 электромагнитами. К 1838 г. Б.С. Якоби создал двигатель нового типа (второго типа), но в создании этой своей конструкции он уже был не первым.
В 1837 г. американский техник Томас Девенпорт (1802–1851 гг.) также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами [1.6; 2.15].
Сравнивая конструкции электродвигателей Б.С. Якоби и Т. Девенпорта, можно отметить, что принцип их действия одинаков (у Т. Девенпорта появились неподвижные постоянные магниты вместо электромагнитов Б.С. Якоби), но двигатель Т. Девенпорта был более компактным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной плоскости. Это обстоятельство не могло не привлечь внимания Б.С. Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно небольшом увеличении его габаритов.
