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.
В 1837 г. в распоряжение Б.С. Якоби был предоставлен бот, рассчитанный на 10 гребцов, на котором предполагалось установить электродвигатель и произвести затем соответствующие испытания и технико-экономические подсчеты. В процессе совершенствования двигателя Б.С. Якоби пошел по пути конструктивного объединения на общем вертикальном валу нескольких электродвигателей в один агрегат, расположив неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости. При этом увеличивались размеры электродвигателя в вертикальном направлении, что было вполне удобно для опытной судовой установки.
Двигатель Б.С. Якоби конструкции 1838 г. представлял собой комбинацию 40 небольших электродвигателей (рис. 2.16), объединенных по 20 шт. на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине.
Для питания током обмоток электромагнитов на боте были установлены гальванические элементы. Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами, аналогичными описанным выше. Вращение от вертикальных валов с помощью конических шестерен передавалось на горизонтальный, на котором укреплялись гребные колеса, расположенные по обоим бортам бота.
Рис. 2.16. Модель одного элемента электродвигателя Якоби второго типа 1, 2 — зажимы обмоток двух неподвижных электромагнитов; 3 — зажим коммутирующего устройства; 4 — вращающаяся часть двигателя Испытания показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании их током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой: 1 л.с. в двигателе Б.С. Якоби обходилась в 12 раз дороже, чем в случае паровой машины. Необходимо отметить, что для преодоления основного недостатка гальванических батарей — малой энергоемкости — требовалось использовать очень много элементов, а это требование для многих транспортных установок было неприемлемым. Так, например, на боте Б.С. Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование привели Б.С. Якоби к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от стоимости электроэнергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи.
Однако Б.С. Якоби не мог еще обнаружить принципиального недостатка двигателей со стержневыми элекромагнитами: в этих двигателях происходит постоянное включение и выключение катушек, и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поля в машине непрерывно требуется электрическая энергия, которая при отключении катушек преобразуется в теплоту. Поэтому по логике развития вскоре должны были появиться непрерывные обмотки, которые обеспечивают электромеханическое преобразование энергии в установившемся режиме без изменения энергии магнитного поля.
Рассмотренные электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов, вращающий момент на валу отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было пульсирующим. При столь резких и частых изменениях вращающего момента и при указанных выше низких технико-экономических показателях подобных электродвигателей их применение в системе электропривода представлялось малоперспективным.
Некоторые электродвигатели, построенные в 40–60-х годах XIX в., были основаны на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получившееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами.
Новый этап в развитии электродвигателей постоянного тока связан с разработкой конструкций, содержащих непрерывную обмотку на якоре. Конструктивно якорь выполнялся сначала в виде кольца или полого цилиндра с обмоткой кольцевого типа, когда провод при намотке пропускался через внутреннюю полость, затем стали выполнять цилиндрические сердечники с обмоткой барабанного типа, когда провод размещался только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного потока входили в сердечник якоря перпендикулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.
Первым конструкцию кольцевого якоря предложил в 1860 г. студент (впоследствии профессор) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1841–1912 гг.).
Электродвигатель А. Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов (рис. 2.17). Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное сопротивление и облегчало крепление обмотки) и латунными спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. 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.
Рис. 2.17. Электродвигатель ПачиноттиВращающий момент в электродвигателе А. Пачинотти был практически постоянным. Габариты двигателя были невелики по сравнению с размерами других электродвигателей равной мощности. Основное значение работы А. Пачинотти состоит в том, что им был сделан следующий важный шаг на пути создания современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения и коллектор, по существу, современного типа.
Важно отметить, что А. Пачинотти указывал, что его машина может быть превращена в генератор, если заменить электромагниты, возбуждающие поле на постоянные магниты.
Из приведенных рассуждений следует, что А. Пачинотти достаточно отчетливо понимал физические процессы в электродвигателе и пришел к мысли об обратимости электрической машины, не зная еще принципа самовозбуждения, поэтому и считал нужным при превращении двигателя в генератор заменить электромагниты постоянными магнитами.
В 1863 г. А. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточного внимания, и изобретение было на время забыто. Несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идею кольцевого якоря возродил примерно через 10 лет французский конструктор Зеноб Теофил Грамм (1826–1901 гг.) в конструкции электромашинного генератора. В 1873 г. немецкий изобретатель Фридрих Хефнер-Альтенек (1845–1904 гг.) изобрел барабанный якорь, применяющийся в электрических машинах до настоящего времени.
Особо следует остановиться на открытии принципа обратимости электрических машин. Сама логика исследований Б.С. Якоби, относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть его в начале 30-х годов XIX в. к этому открытию. И еще не зная, вероятно, о работах своего выдающегося современника и будущего друга академика Э.Х. Ленца, в мемуарах 1835 г. Б.С. Якоби писал: «Будучи приведенной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока, машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из перемещающихся магнитов, способных производить магнитоэлектрический ток в направлении, противоположном гальваническому току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины — принципа обратимости, бесспорно принадлежит Э.Х. Ленцу. В докладе Петербургской академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г. и опубликованном в известнейшем в то время журнале «Poggendorfes Annalen» в 1834 г., этот принцип представляется в виде следствия из сформулированного здесь же закона, обессмертившего имя великого физика, — закона Ленца. Более четко принцип обратимости был еще раз сформулирован Э.Х. Ленцем в статье «О некоторых опытах из области гальванизма», где было записано:
