Реферат - История развития электромеханических преобразователей
Подождите немного. Документ загружается.
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.
1
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
2
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
3
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-
4
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
5
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].
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]
6
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
7
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
8
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.
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
9
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
10