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 Якоби}

Коммутатор 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.

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 Пачинотти}

Вращающий 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:

«Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить проводнику гальванического тока каким‑либо иным способом то движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникнет ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте».

2.10.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Как уже отмечалось, гальванические батареи существенно тормозили практическое применение электродвигателей. Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какой‑либо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускоряется требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применений электричества, то последние стимулировали, ускоряли работы по созданию более совершенной конструкции генератора.

В развитии электрического генератора постоянного тока можно выделить четыре этапа [1.6; 2.15; 2.16].

Первый этап (1831–1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы получили в то время название магнитоэлектрических машин. Открытие в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе – диске Фарадея. Один из первых шагов в истории генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразгаданной. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг, осталось неизвестным. Дадим слово М. Фарадею: «Вчера, по возвращении в город, – писал ученый в редакцию известного лондонского научного журнала 27 июля 1832 г., – я нашел закрытое письмо, оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Но ввиду того, что он описывает опыт, при котором впервые удалось получить химическое разложение магнитоэлектрическим током, я посылаю Вам это письмо для опубликования…»

Письмо было подписано двумя латинскими буквами P.M. Так и вошел в историю техники «генератор P.M.». Эта машина представляла собой синхронный многополюсный генератор, т.е. была генератором переменного тока. Письмо P.M. привлекло к проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публикацию и сам P.M.; в марте 1833 г. он обратился в редакцию журнала с благодарностью М. Фарадею за публикацию письма и описанием усовершенствований в машине. Главное из них – добавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь сердечников электромагнитов. И снова та же подпись P.M.

На рис. 2.18 представлен усовершенствованный вариант генератора.

Однако переменный ток в то время не мог еще найти себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно‑полюсной машине (в отличие от униполярной машины М. Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе французских изобретателей братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера. A.M. Ампер отмечал пластинчатый барабанный коммутатор в машине Пиксии с прижимающимися к амальгамированным поверхностям пластин подпружиненными медными или бронзовыми пластинами – щетками. Позднее он стал основой коммутирующих устройств для всех последующих конструкций генераторов постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э.Х. Ленц, и именно на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип обратимости.

^{Рис. 2.18. Генератор P.M.}

^{1 – деревянный диск, укрепленный на оси 2, приводимый в движение рукояткой 3; 4 – подвижные постоянные магниты; 5 – железные сердечники катушек 7; б – стальное кольцо с добавочными обмотками, замыкающее магнитную цепь сердечников; 8 – подставка}

Недостатком машин P.M. и братьев Пиксии явилось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки. При этом проще было выполнить и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Первым генератором, как уже отмечалось, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор Б.С. Якоби. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б.С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей» (рис. 2.19). При вращении катушек 3 зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них наводилась ЭДС; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в виде двух полуцилиндров, представляющее собой простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов.

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генераторов привело к увеличению количества постоянных магнитов. Этот путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигателей тенденцию: для увеличения мощности соединять несколько элементарных машин в одну. Наибольшее распространение в лабораторной практике 40–50‑х годов XIX в. получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Э. Штерера (1813–1890 гг.) с тремя вращающимися постоянными магнитами (1843 г.). Этот генератор использовался учеными (в том числе Э.Х. Ленцем и Б.С. Якоби) для исследования процессов в магнитоэлектрических машинах.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. Еще в 1849 г. профессор физики Брюссельской военной школы Нолле принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках, избрав уже проторенный путь комбинирования в одном агрегате большого числа машин. Работы Нолле были продолжены другими учеными, и к 1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для производства таких генераторов в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс» (отсюда произошло и название новой машины). Первая такая машина была установлена на маяке близ г. Гавра.

^{Рис. 2.19. Магнитоэлектрический генератор Якоби}

В генераторе «Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами магнитов на валу устанавливались диски с большим числом катушек‑якорей (рис. 2.20). В изображенной на рис. 2.20 машине было 40 магнитов и 64 стержня (явнополюсных якоря). Различные варианты машины «Альянс» имели разное количество рядов магнитов (три, пять, семь). На валу генератора укреплен коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который был связан с валом машины.

^{Рис. 2.20. Общий вид генератора «Альянс»}

^{1 – ряды неподвижных магнитов; 2 – несущие диски с катушками‑якорями; 3, 4 – коллектор; 5 –7 – устройство для смещения роликовых токоприемников 8, 9 – центробежный регулятор}

В течение 1857–1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Для привода одной такой машины требовался паровой двигатель мощностью 6–10 л.с. Масса шестидисковой машины «Альянс» доходила до 4 т. Есть сведения, что машина «Альянс» получила одобрение М. Фарадея.

Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку. При работе они быстро нагревались вследствие плохого отвода теплоты, что приводило к разрушению изоляции. Масса и габариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их небольшую мощность, были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

^{Рис. 2.21. Генератор Уайльда}

Второй этап в развитии электрического генератора постоянного тока условно можно обозначить промежутком времени между 1851 и 1867 гг. Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, т.е. с возбуждением электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это способствовало значительному улучшению работы генераторов и уменьшению их относительной массы.

Впервые обоснованное указание на целесообразность замены постоянных магнитов электромагнитами дали в начале 50‑х годов XIX в. немецкий ученый Вильгельм Зинстеден (1803–1891 гг.) и датский изобретатель Серено Хиорт (1801–1870 гг.), но их идеи и конструкции были настолько необычны и неожиданны, что вначале не привлекли к себе должного внимания.

В качестве характерного примера генератора с электромагнитами, обмотки которых питались токами от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863 г.). Этот генератор (рис. 2.21) имел П‑образный электромагнит 7, для питания которого был приспособлен отдельный возбудитель – небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Г. Уайльд использовал предложенный в 1856 г. крупным немецким электротехником и предпринимателем Вернером Сименсом (1816–1892 гг.) якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый двухТ‑образный якорь), который является разновидностью явно‑полюсного якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Машина с двухТ‑образным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со стержневым, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался и тем самым ограничивал мощность установки.

Машина Г. Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением.

Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока условно можно считать 1867 г., когда почти одновременно в разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мы пишем «условно» потому, что одну какую‑то дату назвать невозможно; вокруг этого важнейшего в истории электрических машин изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенство претендовали очень известные ученые и изобретатели. Дело обстояло так.

В январе 1867 г. В. Сименс представил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие слова: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного магнита, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении вращения».

В. Сименс назвал принцип самовозбуждения динамоэлектрическим, а самовозбуждающийся генератор стал с тех пор называться динамомашиной. Впрочем, динамомашиной постепенно стали называть любой машинный генератор постоянного тока. Почти одновременно с В. Сименсом с идеей самовозбуждения выступили и даже получили патенты английские изобретатели Чарльз Уитстон, а также братья Кромвель и Семьюэль Варлей. Но еще задолго до В. Сименса в 1856 г. венгерский физик, профессор Будапештского университета Аньош Йедлик (1800–1895. гг.) [2.17] пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присоединить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тем А. Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необходимости в установке постоянных магнитов, а вполне достаточно остаточного магнетизма. Так А. Йедлик совершенно сознательно сформулировал не только принцип самоусиления магнитного поля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он уже построил самовозбуждающийся генератор.

Работы А. Йедлика были, по‑видимому, несколько преждевременными, и, кроме того, он не располагал необходимыми средствами для промышленного изготовления машин в больших масштабах. Иное положение было у В. Сименса: являясь главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего мирового электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу для производства динамомашин.

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так, двухТ‑образный якорь В. Сименса не только ограничивал мощность машин из‑за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на коллекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следовательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отношении двухТ‑образный якорь ничем не отличался от стрежневого, поскольку и тот и другой были только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока. Этот недостаток позднее сумел устранить Фридрих Гефнер‑Альтенек.

Событием, революционизировавшим развитие электрической машины и положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и барабанными якорями и развитыми магнитными системами составила основное содержание четвертого этапа в развитии электрических генераторов.

З.Т. Грамм, занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из самых известных французских специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он получил патент, в котором содержалось описание самовозбуждающегося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник наматывалась замкнутая сама на себя обмотка (позднее такую обмотку стали называть граммовской). От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам. Общий вид одной из конструкций генератора Грамма изображен на рис. 2.22, а.

На станине 1 укреплены электромагниты 2 с полюсными наконечниками 3, между которыми вращается якорь 4; в специальных держателях укреплены щетки, соприкасающиеся с почти современного типа коллектором 5. Якорь приводится во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря.

^{Рис. 2.22. Самовозбуждающийся генератор Грамма для питания осветительных установок}

На рис. 2.22, б показана принципиальная схема генератора, а на рис. 2.22, в – конструкция кольцевого якоря. З.Т. Грамм указывал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может быть изготовлен из пучка стальных проволок 7, как показано на рисунке; здесь же 2 – катушки обмотки, 3 – коллекторные пластины.

Позднее З.Т. Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70‑х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, а машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70‑х годов обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились.

Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые последовали в 70–80‑х годах XIX в.

В 80‑х годах XIX в. продолжались исследования процессов в электрических машинах и совершенствование их конструкций. В 1880 г. американский изобретатель Хайрем Максим (1840–1916 гг.) вновь (после А. Пачинотти) предложил зубчатый якорь, а также внутренние каналы для вентиляции. Знаменитый американский электротехник Томас Альва Эдисон (1847–1931 гг.) в 1880 г. получил патент на шихтованный якорь, в котором пластины изолировались листами тонкой бумаги, позднее она была заменена лаком.

С 1885 г. стали применяться шаблонная и компенсационная обмотки, устанавливаться дополнительные полюса.

Огромное значение в совершенствовании проектирования электрических машин сыграли работы Александра Григорьевича Столетова (1839–1896 гг.) по исследованию магнитных свойств «мягкого железа», доказавшего связь магнитной восприимчивости железа с напряженностью магнитного поля.

В 1880 г. немецким физиком Эмилем Варбургом (1846–1931 гг.) было открыто явление гистерезиса и начались исследования магнитных потерь в стали. Английский ученый Джеймс Э. Юинг (1855–1935 гг.) пришел к выводу о «гистерезисном цикле» и предложил прибор для вычерчивания кривых намагничивания. Выдающийся американский электротехник Чарльз Протеус Штейнмец (1865–1923 гг.) предложил эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис. В 1885 г. английский электротехник Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. Таким образом, к концу 80‑х годов электрическая машина постоянного тока приобрела современные конструктивные черты.