100 знаменитых изобретений - Владислав Пристинский

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, где взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Электродвигатель Девенпорта имел четыре горизонтальных крестообразно расположенных электромагнита, укрепленных на деревянном диске, жестко связанном с вертикальным валом. Эти электромагниты были расположены внутри двух постоянных магнитов в форме полуокружностей, опирающихся на деревянное кольцо; магниты соприкасались одноименными полюсами и создавали кольцо с двумя полюсами. На особой подставке были расположены медные пластины, разделенные посередине изоляцией. К ним подводился ток от источника питания. Концы последовательной обмотки каждой пары электромагнитов имели пружинящие контакты. Взаимодействие электромагнитов и постоянных магнитов приводило электродвигатель в работу, причем полярность электромагнитов изменялась при помощи коммутатора.

Двигатель Девенпорта был более компактным, чем двигатель Якоби, благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных магнитов.

Якоби пытался приспособить свой двигатель для электропривода судна. Однако опыты показали, что использование на судне в качестве источников тока гальванических батарей является неэкономичным. После того как были разработаны более совершенные генераторы тока, применение электродвигателя на автономных транспортных установках, в частности на судах, стало возможным только при наличии первичного теплового двигателя, приводящего в движение генератор.

В 50-х и 60-х годах XIX в. электродвигатель находил применение в некоторых отраслях производства, например в типографиях. В то время большинство производственных операций в них велось либо ручным способом, либо на машинах с ручным приводом. Для крупной печатной машины, обычной для того времени, проще было использовать электродвигатель. В этих случаях практики применялся электродвигатель французского электротехника П. Г. Фромана.

Его действие основывалось на притяжении к неподвижным электромагнитам пластин из мягкой стали, расположенных на двух деревянных колесах, которые укреплялись на вращающейся оси. Посредством зубчатого коммутатора электрический ток подводился поочередно к двум противоположно размещенным электромагнитам, притягивавшим пару соответствующим образом расположенных пластин. В результате такого притяжения, происходящего всегда в одном и том же направлении и притом только тогда, когда стальные пластины находятся близко от сердечника соответствующего электромагнита, вал машины приводился во вращение.

Некоторые из электродвигателей, построенных в 40–60-х годах XIX в., действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами.

Все рассмотренные выше электродвигатели действовали на принципе взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов. Им были свойственны существенные недостатки. Наиболее серьезными из них являлись большие габариты машины при сравнительно малой мощности, большое магнитное рассеяние и низкий КПД. 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.

Наряду с электродвигателями постоянного тока в середине XIX в. стали разрабатываться двигатели, работающие от переменного тока.

Известно, что электрическая машина обладает свойством обратимости. С этой точки зрения, принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Еще в 1841 г. Чарльз Уитстон построил синхронный электродвигатель. Если обмотки электромагнитов питать переменным током, то обращенные друг к другу их концы одновременно через каждые полпериода изменяют свою полярность. Следовательно, полюсы постоянных магнитов, взаимодействуя с полюсами электромагнитов, будут вращаться синхронно со скоростью изменения полярности электромагнитов.

Аналогичным образом можно было построить синхронный двигатель, заменив постоянные магниты электромагнитами, обмотки которых питались бы постоянным током.

Очевидным недостатком всех однофазных синхронных двигателей являлся затрудненный пуск, особенно под нагрузкой. Двигатель будет хорошо работать, если разогнать его до некоторой скорости, более или менее близкой к синхронной, после чего он самостоятельно втянется в синхронизм. Понятно, что такие электродвигатели, нуждающиеся в дополнительных разгонных двигателях, не могли иметь сколько-нибудь широкого практического применения. В современных синхронных многофазных двигателях для пуска в ход на роторе обычно устраивается дополнительная короткозамкнутая обмотка и двигатель пускается как асинхронный, а затем втягивается в синхронизм. Асинхронный пуск однофазных синхронных двигателей невозможен, так как магнитное поле в них не вращается, как в многофазных машинах, а пульсирует.

Имелась возможность применять в сетях однофазного тока коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При питании этих двигателей переменным током направление основного магнитного потока изменяется одновременно с изменением направления тока в якоре, следовательно, вращающий момент имеет постоянное направление. Впервые предложили применять коллекторные однофазные двигатели в 1885 г. М. Дери и О. Блати. Однако широкого распространения эти двигатели тоже не нашли, главным образом, по двум причинам: чрезмерный нагрев сердечников электромагнитов вихревыми токами и тяжелые условия коммутации тока, вызывавшие сильное искрение на коллекторе. Несколько улучшило дело применение дополнительных полюсов, однако они оказались неэффективными в пусковых условиях. Поэтому коллекторный однофазный двигатель получил весьма ограниченное применение, в настоящее же время он используется, главным образом, на электрифицированных железных дорогах однофазного тока.

Вначале XIX в. французский физик Араго открыл явление, названное им «магнетизмом вращения». В опыте Араго в том случае, когда вращение медного диска происходило при вращении находящегося вблизи него постоянного магнита, был заложен принцип асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако здесь вращающееся поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

Долгое время явление, открытое Араго, не находило себе практического применения. Только в 1879 г. была сделана попытка усовершенствовать опыт Араго для получения вращения магнитного поля с помощью неподвижного устройства. В том же году англичанин У. Бейли сконструировал прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось с помощью импульсов постоянного тока, посылаемых в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через каждые восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвешен медный диск. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы получить равномерное вращение магнитного поля. Прибор Бейли, не получив никакого применения, остался физической игрушкой. Тем не менее, это было некоторое связующее звено между опытом Араго и более поздними исследованиями.

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Г. Феррарис и югославский ученый и изобретатель, работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла.

Феррарис и Тесла доказали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать двумя переменными синусоидальными токами, отличающимися друг от друга только по фазе, и если этот фазный сдвиг составляет ровно 90°, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей этих катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь по абсолютной величине. Так было установлено, что с помощью двух или более переменных токов можно получить непрерывно вращающееся магнитное поле. Минимально необходимое для этого число токов равно двум. Поэтому вполне естественно, что исследование многофазных систем началось с двухфазной системы.