На примере электрической машины постоянного тока

ТС (машины, механизмы, приборы, инструменты и т.п.) «рождаются» несовершенными и слабыми. Постоянно воз­растающие потребности человеческого общества приводят к необходимости непрерывного совершенствования поя­вившихся ТС. Они в своем развитии проходят все стадии «жизни»: детство, юность, старость. Знание истории разви­тия ТС, эволюции их конструкции и уровня развития важ­ны для решения текущих задач совершенствования ТС [23, 64, 65, 66].

Важнейшими целями анализа конструктивной эволю­ции ТС являются:

- прогноз дальнейшего их развития;

- выявление удачных технических идей, которые могли бы быть использованы на данном этапе этого развития;

- выявление и формирование эвристических приемов и правил проводимого улучшения ТС на опыте решения технических задач в прошлом;

- выявление законов и закономерностей развития ТС, ко­торые могут быть использованы при поиске направле­ний её улучшения.

Ниже приведен краткий анализ конструктивной эволю­ции ТС на примере электрических машин (ЭМ) постоянного тока (ПТ), которые являются основой научно-технического прогресса XX века. При анализе попытаемся выявить или ориентировочно определить основные технические противо­речия, возникавшие при развитии ЭМ, и методы их устране­ния или разрешения.

ЭМ ПТ [30, 67-69]. Существует большое количество типов ЭМ (постоянного, переменного тока и т.п.), мы будем рассмат­ривать развитие коллекторных ЭМ ПТ. Остановимся только на индуктивных (емкостные не рассматриваем) ЭМ, действие которых основано на законе электромагнитной индукции.

1. Пионерское изобретение в 1821 г. М. Фарадеем было одновременно и научным открытием непрерывного преобра­зования электрической энергии в механическую (рис. 7.6).

ЭД представлял собой постоянный магнит 1, вокруг ко­торого вращался проводник с током 2 в опоре 4. Скользящий электрический контакт обеспечивался ртутью, налитой в чашу 3. Это был униполярный двигатель, имеющий одно­именно-полюсное исполнение, питаемый от гальванического элемента напряжением U. Открытию М. Фарадея предшест­вовало открытие Г. Эрстедом в 1820 г. явления отклонения магнитной стрелки под действием электрического тока (прил. 3, п. 103).

Рис. 7.6. Двигатель М. Фарадея

 

2. В 1824 году в книге английского ученого Петера Варлоу описана демонстрационная модель униполярной ЭМ (рис. 7.7), состоящая из вращающего колеса 1, по которому проходит ток, и постоянного магнита 2. Скользящий контакт создавался с помощью провода, подсоединенного к валу, и ртути, налитой в банку 3. Питание двигателя так же, как и в двигателе М. Фа­радея, осуществлялось от батареек химических элементов на­пряжением U. Этот двигатель предвосхитил конструкцию раз­виваемых в дальнейшем, униполярных электрических машин с вращающимся проводящим ток колесом.

3. В 1833 г. появилась первая демонстрационная модель двигателя в разноименно-полюсном исполнении, предло­женная английским ученым Уильямом Риччи. Магнитное поле в этом двигателе (рис. 7.8) создавалось постоянным под­ковообразным магнитом. Между полюсами на вертикальной оси размещался электромагнит, питаемый от источника пос­тоянного тока через коммутатор, изменяющий направление тока в обмотке. Взаимодействие магнитного поля постоян­ного магнита с электромагнитом при периодическом изме­нении тока в обмотке последнего приводило к созданию пос­тоянно-направленного вращающего момента.

Рис. 7.7. Колесо Барлоу

 

 

Рис. 7.8. Двигатель У. Риччи

 

4. В1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнит­ной индукции (приложение 3, п. 233), заключающееся в том, что всякое изменение магнитного поля вызывает появление электрического тока в короткозамкнутых проводниках, пронизываемых этим полем. Благодаря этому открытию, появилась возможность создания не только ЭД, но и ЭГ. Та­кой генератор был изобретен также М. Фарадеем в 1831 г. в униполярном исполнении - это диск Фарадея (рис. 7.9, из дневника Фарадея).

Между магнитами вращался медный диск. В цепи щеток, наложенных на ось и на периферию диска, появлялся при вращении диска электрический ток. Эта модель генератора также была демонстрационной, не нашедшей практического применения.

\ Рис. 7.9. Диск М. Фарадея

 

Начиная с 1831 г., после открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, ЭМ стала развиваться, как ЭД и параллельно как ЭГ. Отметим, что действие рассмотрен­ных нами моделей ЭМ основано на законе взаимодействия проводника с током с магнитным полем (прил. 3, п. 104). применение этого закона при создании ЭМ было перспектив­ным, но в то же время не получило своего логического разви­тия - увеличение силы при росте количества проводников на кольце. По-видимому, причина была в отсутствии мощного источника электрической энергии.

Поэтому появились ЭМ, действие которых было осно­вано на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами, возможно, как наиболее понятном и наглядном.

5. Стремясь увеличить мощность ЭД, в 1834 г. петербург­ский ученый Борис Семенович Якоби (1801-1874) создал ЭД (основанный на явлении притяжения и отталкивания меж­ду электромагнитами) с увеличенным числом П-образных магнитов (Б.С. Якоби применил изобретательский прием повышения эффективности за счет увеличения однотипных элементов в ТС). Четыре электромагнита 1 располагались на неподвижной раме, а четыре электромагнита 2 - на вращаю­щемся диске (рис. 7. 10).

Рис. 7.10. Двигатель Б.С. Якоби

 

Питание обмоток двигателя, соединенных последова­тельно производилось от гальванических батарей 3. Изме­нение направления тока в подвижных электромагнитах вы­полнялось при помощи коммутатора 4. Этот ЭД, впервые в мире нашедший практическое применение, развивал мощ­ность около 15 Вт. Дальнейшее увеличение мощности Яко­би попытался осуществить установкой увеличенного числа электромагнитов: 24 неподвижных П-образных магнита и 12 подвижных стержневых. Однако это не привело к сущес­твенному увеличению мощности.

6. Торцевое исполнение ЭД Якоби приводило к большим его габаритам, поэтому, когда Якоби было предложено уста­новить в качестве тягового электродвигатель (ТЭД) на бот, вмещающий 12 пассажиров и приводимый в движение 10 гребцами, он, для уменьшения габаритов и массы такого ТЭД, неподвижные и вращающиеся электромагниты в нем расположил в одной плоскости вращения (изобретательский прием — переход в другое измерение). Для повышения силы тяги бота Якоби пошел по пути объединения 40 ЭД на двух валах, по 20 ЭД на каждом. Гальваническая батарея состо­яла из 320 элементов. Отдельный ЭД (рис. 7.11) состоял из обмоток электромагнитов, соединенных последовательно с помощью клемм 1,2,3, четырех подвижных 4 и четырех не­подвижных 5 разнополярных электромагнитов. Изменение полярности подвижных электромагнитов производилось коммутатором 6. Напряжение к клеммам подводилось от гальванических элементов.

Рис. 7.11. Усовершенствованный двигатель Б.С. Якоби

 

Работы Якоби имели огромное значение. Это было первое практическое применение ЭД, да ещё и в качестве ТЭД. Об испытаниях на Неве «электрического» бота в 1839 г. одна из петербургских газет писала: «...катер с двенадцатью челове­ками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лоша­ди), ходил несколько часов нротиву течения, при сильном противном ветре... что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого при­менения теории к практике».

Якоби пошел по пути механического соединения элемен­тарных машин, что типично для середины XIX в. Он приме­нил упомянутый ранее изобретательский прием: объедине­ние однородных элементов для усиления эффекта. Работы Якоби ещё раз подтвердили недостаточную мощность пита­ющих ЭД гальванических элементов и поставили на повест­ку дня задачу создания более экономичного ЭГ.

7. В 1832 г. братья Пиксии на основе работ М. Фарадея разработали электромеханический генератор (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Генератор братьев Пиксии

 

Вращающийся постоянный магнит 1 наводил в непод­вижных катушках 2 переменный ток, который выпрямлял- с я через коммутатор 3. Желание повысить мощность гене­раторов привело к увеличению в конструкции генераторов числа постоянных магнитов. Наиболее широкое применение нашли генераторы постоянного тока французской фирмы «Альянс», выпускавшиеся серийно с 1856 г. Они имели 40- 50 постоянных магнитов, расположенных в ряд и соединен­ных последовательно и параллельно несколькими десятками катушек. Эти машины развивали мощность около 6-10 л.с. и весили 4 т. Всего в течение 1857-1865 годов было выпуще­но около 100 таких машин. Привод их осуществлялся паро­выми двигателями. Использовались они на морских маяках для питания дуговых ламп с регуляторами.

Эксплуатация генераторов «Альянс» наглядно показала присущие магнитоэлектрическим, то есть использующим постоянные магниты, машинам недостатки:

- быстрое размагничивание постоянных магнитов под действием реакции якоря и вибрации;

- быстрое разрушение изоляции многослойных обмоток из-за большого нагрева;

- большую массу и габариты при незначительной мощ­ности;

- сравнительно большую их стоимость;

- резкую пульсацию тока по величине.

Эти недостатки привели к переходу в дальнейшем от ис­пользования постоянных магнитов к электромагнитам при конструировании генераторов. Впервые такая замена была предложена в 1851 г. В.И. Зинстеденом.

В1854 г. датский изобретатель С. Хиорт взял английский патент на машину с самовозбуждением, причем опасаясь, что остаточный магнетизм не обеспечит требуемой величины магнитного потока, Хиорт применил кроме электромагнитов и постоянные магниты. В 1856 г. венгерский физик Анвош Йедлик показал, что для самовозбуждения достаточно оста­точного магнетизма. На идею самовозбуждения вначале не было обращено серьезного внимания, и лишь через 10 лет, в 1866 г., английские инженеры Кромвель и Семьюэл Варли, а в 1867 г. В. Сименс и английский физик Ч. Уитстон вновь вернулись к принципу самовозбуждения.

8. Кроме открытия принципа самовозбуждения, произош­ло ещё одно принципиальное для развития ЭМ событие - изобретение итальянским студентом, а затем профессором Пизанского университета Антонио Пачинотти (1841-1912) в 1860 г. ЭД с кольцевым якорем (рис. 7.13). Якорь 1, имевший форму стального кольца с зубцами 2 по внешнему периметру и латунными спицами 3 укреплялся на вертикальном валу. Зубцы значительно уменьшили магнитное сопротивление немагнитного зазора между якорем и наконечником элект­ромагнита 4. Между зубцами якоря по кольцу наматывалась тороидальная обмотка 5, соединяемая с коллектором 6. Под­вод тока к пластинам коллектора выполнялся при помощи роликов. Обмотка якоря и обмотка электромагнитов 7 вклю­чалась последовательно.

 

О

N

Рис. 7.13. Электродвигатель А. Пачинотти Достоинства ЭД А. Пачинотти:

- уменьшенные габариты по сравнению с предшествую­щими конструкциями;

- уменьшение числа витков обмотки возбуждения элек­тромагнитов.

Важнейший шаг, сделанный А. Пачинотти, - замена яв- нополюсного якоря на компактный по размещению обмотки неявнополюсный кольцевой якорь. Однако ЭД А. Пачинотти не получил широкого распространения и на некоторое время был забыт.

9. Революционным событием в истории развития ЭМ, по­ложившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря А. Пачинотти. Это сделал французский изобретатель Зеноб Теофил Грамм (1826-1901), сотрудник фирмы «Альянс». Первый патент им был получен в 1870 г. на самовозбуждающийся ЭГ (рис. 7.14). На его станине 1 (рис. 7.14 а) укреплены электромагниты 2 с полюсными на­конечниками 3. Якорь 4 с коллектором 5, приводившиеся во вращение через приводной шкив. На рис. 7.14, б дана схема соединения обмотки якоря с обмоткой возбуждения - стрел­ками указаны направления токов.

Сердечник якоря 1 - рис. 7.14, в - изготовлялся из пучка стальной проволоки для снижения потерь на вихревые токи. Секции обмотки 2 обматывались вокруг сердечника якоря и соединялись с коллектором 3.

10. К началу 70-х годов XIX века принцип обратимости ЭМ был уже известен. Согласно этому принципу любая ЭМ может работать как в режиме ЭГ, так и в режиме ЭД. ЭМ Па- чинотти-Грамма (рис. 7.14) применялась для обоих режимов работы. Благодаря своим улучшенным свойствам она полу­чила широкое распространение, вытеснив другие их типы. При дальнейшем возрастании мощности ЭД и соответственно увеличении числа витков и сечения провода обмоток такие положительные свойства кольцевого якоря, как его простота, компактность и отсутствие необходимости закрепления внут­ренних проводников V витка (рис. 7.15, а) вступают в проти­воречие с возрастающей трудностью размещения внутренних проводников 1' в ограниченном пространстве под внутренним диаметром стального кольца 2 и с повышенным нагревом этих проводов, в связи с уменьшенной поверхностью их по сравне­нию с проводниками 1 витка, расположенными на внешнем диаметре кольца. Появилась идея размещения внутренних проводников Г также на внешнем диаметре кольца, но при условии сохранения направления силы, действующей на пе­ренесенный проводник 1" в направлении силы, действующей на проводник Г (рис. 7.15, б).

Рис. 7.14. Электродвигатель Пачинотти-Грамма с кольцевой обмоткой

 

Для этого проводник 1" было предложено располагать под магнитным полюсом другой полярности - S, приблизи­тельно на полюсном делении т от проводника 1', а лобовые части 3 витка укладывались в два слоя (здесь использовался эвристический прием перехода в другое измерение).

Рис. 7.15. Кольцевой якорь: а) укладка обмотки на коль­цевом якоре; б) схема перехода от кольцевого якоря к ба­рабанному

Рис. 7.16. Электрическая машина постоянного тока с барабанным якорем

Якорь с такой укладкой изобрел немецкий изобретатель Фридрих Хефнер-Альтенек (1845-1904) в 1873 г. и назвал его барабанным. На рис. 7.16 показана ЭМ ПТ с барабанным якорем.

11. Увеличение числа проводников на наружном диаметре сердечника (кольца) барабанного якоря привело к увеличению магнитного сопротивления немагнитного зазора между сердеч­ником якоря и наконечником главного полюса (электромагни­та), что вызвало рост требуемого числа витков на главном по­люсе для проведения необходимого магнитного потока. Обострилось техническое противоречие, заключающее­ся в том, что для размещения нужного числа проводников зазор должен быть большим, но большой зазор приводит к росту магнитного сопротивления и числа витков главного полюса. Такие противоречивые требования были удовлетво­рены в 1878 г. возвратом к зубчатому строению теперь уже не кольцевого, как у Пачинотти, а барабанного якоря.

12. Выполнение зубчатого барабанного якоря с повы­шенными магнитными индукциями в зубцах привело к рос­ту потерь в стали зубцов от вихревых токов и гистерезиса. Обострилось техническое противоречие между требованием улучшения магнитной проводимости за счет применения стальных сердечников, а с другой стороны, появлением по­терь энергии в них (нежелательный эффект). Это противоре­чие было разрешено Томасом Альва Эдисоном (1842-1931), предложившим в 1880 г. сердечник якоря выполнять ших­тованным, то есть набранным из тонких стальных листов толщиной 0,2-0,8 мм, изолированных друг от друга бума­гой, препятствующей замыканию вихревых токов в стали.

13. В1880 г. американский изобретатель Хайрем Максим предложил внутренние каналы в сердечнике магнитопрово- да для вентиляции.

14. В 1882 г. для устранения перегиба барабанной об­мотки, возникающего при переходе от однослойной уклад­ки на сердечнике якоря к двухслойной в лобовой части 3 (рис. 7.15, б), Э. Венстон предложил выполнять и на сердеч­нике якоря укладку обмотки в два слоя.

15. Рост мощности ЭМ при одновременном уменьшении магнитного сопротивления немагнитного зазора привел к необходимости повышения точности ее изготовления для снижения токовой и магнитной асимметрии под разными полюсами. Но даже при повышении точности изготовления не удавалось избавиться от уравнительных токов, протека­ющих от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Уравнительные токи дополнительно нагру­жают обмотку и щетки, увеличивают вредное искрение под

щетками, дополнительно нагревают обмотку и приводят к снижению КПД ЭМ.

Для выравнивания потенциалов в ветвях обмотки якоря, лежащих под разными полюсами одной полярности, в 1883 г. Мордеем предложены уравнительные соединения, электри­чески соединяющие равнопотенциальные точки обмотки.

16. Выполнение сердечника якоря зубчатым усилило противоречивые требования к немагнитному зазору - меж­ду необходимостью увеличения его магнитного сопротивле­ния для магнитного потока якоря и одновременно уменьше­ния его магнитного сопротивления для потока возбуждения электромагнитов. Ослабление потока якоря необходимо для уменьшения искажения магнитного поля возбуждения в зазоре машины и соответственно уменьшения искажения распределения напряжения по диаметру коллектора, при­водящего зачастую к недопустимым значениям напряжения между пластинами коллектора (рис. 7.17, а) и перебросам электрической дуги по коллектору, вызывающим оплавле­ние его пластин, подгар токоснимающих щеток и другие ме­ханические повреждения.

а) б)

дения главных полюсов Фв и реакции якоря Фа и распреде­ление магнитной индукции В в зазоре при: а) отсутствии компенсационной обмотки; б) наличии компенсационной обмотки 269

 

 

 

На рис. 7.17, а показаны пути замыкания потока главных полюсов возбуждения Ф_в и потока якоря Ф_а. Даны направле­ния тока в обмотке возбуждения 1, охватывающей стальной сердечник 2, ив обмотке якоря 3, расположенной на сердечни­ке 4. Показано распределение магнитной индукции В в зазоре, создаваемое обмоткой возбуждения ОВ, обмоткой якоря ОЯ и суммарное распределение индукции от обеих обмоток ХО.

Как видим, из-за действия потока якоря распределение индукции в зазоре значительно искажено (распределение неравномерно), для устранения этого, по принципу - клин вышибается клином, т.е. способом компенсации - в 1884 г. Менгесом предложена компенсационная обмотка КО, уста­навливаемая в наконечнике полюса (см. 5 рис. 7.17, б) и поз­воляющая почти полностью устранить действие поля якоря на магнитный поток возбуждения, то есть устранить так на­зываемую реакцию якоря. Явление реакции якоря было от­крыто российским ученым Э.Х. Ленцем в 1847 г.

17. Повышение частоты вращения и тока якоря привело к росту реактивной ЭДС, возникающей в коммутирующих секциях, расположенных в зоне коммутации при переходе их из одной параллельной ветви в другую. Этот рост приво­дил к повышенному искрению под токоснимающими элек­трощетками и повреждению коллектора и щеток. То есть обострилось техническое противоречие: для повышения мощности машины необходимо повышать ток и частоту вра­щения его, что приводит к росту реактивной ЭДС и нежела­тельному искрению под щетками. Для уменьшения остроты этого противоречия в 1885 г. Метер предложил устанавли­вать по нейтрали меясду главными полюсами возбуждения добавочные полюса (электромагниты), создающие комму­тирующую ЭДС, равную и противоположно-направленную реактивной ЭДС, то есть вновь применен изобретательский прием: клин вышибается клином.

Изобретение Метера значительно снизило коммутацион­ную напряженность ЭМ. Таким образом к концу XIX в. ЭМ постоянного тока практически приобрела современный вид. На рис. 7.18. приведен современный коллекторный ТЭД электровоза. Из рассмотренного краткого анализа эволюции коллек­торной ЭМ ПТ вытекает, что ее развитие и совершенствование в значительной мере протекало на основе научных открытий в области электротехники, причем пионерское изобретение ЭМ М. Фарадеем одновременно явилось и открытием воз­можности преобразования электрической энергии в меха­ническую. Научное и изобретательское творчество в этом случае взаимно дополняли друг друга. Обострение тех или иных технических противоречий в процессе развития и со­вершенствования ЭМ служило стимулом для научных иссле­дований и поиска новых ТР.

Машины постоянного тока непрерывно совершенству­ются уже в течение более чем 100 лет. Конструкция машин достигла своего совершенства. Дальнейшее их развитие, в первую очередь возможно на базе применения новых более качественных материалов. В первую очередь, это относится к изоляционным, а затем также к магнитным и конструк­ционным материалам. Такое положение заставляет искать другие пути, позволяющие получить регулировочные свойс­тва, близкие к машинам постоянного тока, на других типах электрических машин, но с более простой конструкцией, на­пример на машинах асинхронных.

Асинхронные двигатели, с частотным регулированием питающего тока с помощью преобразователей, имеют близ­кие к машинам постоянного тока регулировочные свойства, но уступают им по стоимости.