История электротехники

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.

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.