Краткая история развития электрических машин

Чтобы глубоко разобраться в закономерностях развития любой отрасли знания, необходимо знать ее историю. История развития электрических машин весьма поучительна и заслуживает внимания.

Электрические и магнитные явления были известны еще в XVIII в. и значительно раньше. Первой работой по электричеству был трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», который написал английский ученый У. Гильберт в 1600 г. Он назвал электрическими тела, способные электризоваться, и ввел термин «электричество».

О. Гергасе в 1650 г. описал первую электрическую машину трения, которая состояла из сделанного из серы шара. При вращении его натирали ладонями рук.

В конце XVIII в. изобретена емкостная электрическая машина, ротор которой был выполнен в виде диска диаметром 2 м. Эта машина создавала искры длиной около 2 м.

Атмосферным электричеством, молниеотводами много занимались М. В. Ломоносов, Г. В. Рихмаи, Б. Франклин. В 1783 г. Ш. Кулон сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. В это время в России А. Т. Болотовым, И. П. Кулибиным и другими учеными были изобретены переносные емкостные электрические машины, которые использовались для лечения и проведения психологических опытов.

 

шие. 1.2. Двигатель Фарадея

Принято считать, что история электрических машин начинается с создания М. Фарадеем в 1821 г. электрического двигателя, который представлял собой постоянный магнит 1, вокруг которого вращался проводник с током 2 (рис. 1.2). Скользящий контакт обеспечивался ртутью, налитой в чашу 3, и верхней опорой 4. В двигателе при постоянном токе в проводнике и постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом, осуществлялось преобразование электрической энергии в механическую.

Открытие Фарадея не было случайным, оно подготовлено работами многих физиков. В 1799 г. итальянский ученый А. Вольта создал электрохимический генератор — вольтов столб, который состоял из цинковых и медных дисков, разделенных прокладками, смоченными кислотой.

В 1820 году Г. Эрстед опубликовал работу, в которой описывалось отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока, а Ф. Араго предложил соленоид.

Рис. 1.3. Колесо Барлоу

В 1823 г. П. Барлоу предложил двигатель (рис. 1.3), который состоял из колеса 1 и постоянного магнита 2. Как и в двигателе Фарадея, скользящий контакт создавался с помощью ртути, налитой в банку 3, и провода, подсоединенного к валу. Питание двигателя осуществлялось от батареи химических элементов.

Это явление получило объяснение только после открытия закона электромагнитной индукции.

Фарадей в 1831 г., проведя тысячи опытов, показал возможность «превращения магнетизма в электричество», открыв закон электромагнитной индукции. В первой группе опытов Фарадей наблюдал появление индуктированного тока во вторичной катушке w 2 при коммутации первичной катушки w или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей. При этом в некоторых опытах для усиления явления он использовал стальные сердечники. Следует отметить, что эта установка имела все признаки трансформатора.

Во второй группе опытов индуктированный ток возникал при относительных перемещениях магнита и катушки или при замыкании и размыкании магнитной цепи. Фарадей показал, что на основании этих наблюдений можно построить электромеханический генератор, который состоял бы из магнита и полюсных наконечников, между которыми вращался медный диск (рис. 1.4, б). Если наложить одну щетку на периферию диска, а другую — на ось и в цепь щеток включить гальванометр, то последний при вращении диска фиксирует электрический ток.

Рис. 1.4. Установки, на которых М. Фарадей изучал явления электромагнитной индукции

Исключительно плодотворной и важной частью работ Фарадея явилось представление об электромагнитном поле, которое он первоначально представлял как «электротоническое состояние материи».

Ученый впервые вводит понятие о магнитных силовых линиях. Он приписывал магнитным, а затем и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял эти линии свойством тяжения, т.е. формировал представление о некоторой материальной среде, в которой происходят электромагнитные явления и через которую передаются те или иные действия.

В 1832 г. Э. Ленц сформулировал закон о направлении индуктированного тока, а также принцип обратимости электрических машин. В 1838 г. он экспериментально показал возможность работы машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах.

Па первом этапе развития электромеханики на конструкцию электрических машин значительное влияние оказывали успехи в создании паровых машин, в которых возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение вала. В 1831 г. американский физик Д. Генри предложил двигатель возвратно-поступательного движения, в котором подвижный электромагнит 1 поочередно притягивался к постоянным магнитам 2 и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов 3 (рис. 1.5). Двигатель Генри совершал 75 качаний/мин и имел мощность 0,04 Вт. Совершались и другие попытки создать электродвигатели возвратно-поступательного движения, но будущее было за электрическими машинами вращательного движения.

Рис. 1.6. Двигатель Якоби

Рис. 1.5. Двигатель возвратно-поступательного движения

Генри

В 1834 г. петербургский академик Б. С. Якоби построил и описал электродвигатель, который работал за счет притяжения и отталкивания электромагнитов. Этот двигатель имел две группы электромагнитов: одну — вращающуюся 1, а другую — неподвижную 2 (рис. 1.6). Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор 3, который состоял из колец, имеющих изолирующие вставки. В четырехполюсной машине было четыре медных и четыре изолирующих вставки. По кольцам скользил контакт, и при вращении осуществлялось изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов. Напряжение подводилось к контактам 4 от гальванических элементов.

В 1838 г. Б. С. Якоби объединил 40 электродвигателей, работавших на два вала. Вместе с гальванической батареей, состоящей из 320 элементов, этот двигатель был установлен на боте, который с 12 пассажирами плавал по Неве несколько часов при сильном ветре против течения.

Это было первое практическое применение электрических машин. Хотя электродвижение судов стало применяться только через 100 лет, а двигатели на этом принципе не получили развития, работы ученого имели огромное значение для развития электромеханики. Применение двигателя Якоби показало, что гальванические источники электрической энергии не могут обеспечить длительную работу мощных электродвигателей. Необходимо было создавать иные источники электрической энергии. Ими стали электрические машины, работающие в генераторном режиме.

Рис. 1.7. Генератор братьев Пикси

Еще в 1832 г. братья Пикси на основе работ Фарадея сконструировали генератор с вращающимися постоянными магнитами 1. В неподвижных катушках 2 при вращении постоянных магнитов наводился переменный ток (рис. 1.7). Это один из первых генераторов переменного тока. Но переменный ток в то время не находил еще применения, и для выпрямления применялись механические коммутаторы.

Стремление повысить мощность электрических машин приводило к увеличению числа постоянных магнитов. Первые электрические машины были тяжелыми и громоздкими. В 1840— 1860-х гг. французская фирма «Альянс» выпускала машины постоянного тока с расположенными в ряд 40—50 постоянными магнитами и соединенными последовательно или параллельно несколькими десятками катушек, расположенных на якоре. Такие машины мощностью 6—10 л. с. весили около 4 т. Большую часть массы машины составляли постоянные магниты.

Машины с самовозбуждением, в которых обмотка возбуждения подключалась к якорю, появились после 1867 г., когда В. Сименс применил принцип самовозбуждения для генератора последовательного возбуждения.

В 1870 г. немецкий ученый 3. Грамм получил патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем

(рис. 1.8). На кольцевом якоре 1, намотанном из стальной проволоки, располагалась кольцевая замкнутая обмотка 2. Отпайки от обмотки выведены на коллекторные пластины 3, по которым скользят щетки 4. На станине имеются электромагниты 5 с полюсными наконечниками 6.

Рис. 1.8. Электрическая машина с кольцевой обмоткой Пачинотти — Грамма

Обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой.

За 10 лет до Грамма якорь с кольцевой обмоткой запатентовал итальянец А. Пачинотти, но не сумел его применить. Кольцевой якорь принято называть якорем Пачинотти — Грамма, а распределенную обмотку называют граммовской обмоткой.

Изобретение кольцевой обмотки имело решающее значение для развития электрических машин. Если двигатель Фарадея по существу был униполярной машиной, которые в настоящее время находят ограниченное применение, а в двигателе Якоби обмотка якоря состояла из катушек и была разомкнутой, то замкнутая обмотка является основой почти всех современных машин. В разомкнутых обмотках происходят отключение и включение катушек, при этом почти вся энергия, запасенная в магнитном поле, преобразуется в тепло. В граммовской непрерывной обмотке при коммутации, когда секции обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, магнитное поле практически остается неизменным.

В 1873 г. Ф. Гефнер-Альтенек и В. Сименс создали машину с барабанным якорем, которая имела все основные элементы современной машины постоянного тока (рис. 1.9). В якоре Сименса обе стороны витка обмотки располагались на внешней части сердечника, что обеспечивало лучшее использование меди и технологичность изготовления машины.

В 1880 году для улучшения охлаждения X. Максим придумал разделять якорь на пакеты. В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а в 1885 г. — дополнительные полюсы, которые улучшали коммутацию машины постоянного тока.

Рис. 1.9. Электрическая машина с барабанным якорем

До конца 1870-х гг. электрическая энергия использовалась для освещения, и переменный ток долго не находил применения. Большое влияние на развитие однофазных сетей переменного тока оказали работы русского изобретателя П. Н. Яблочкова, который создал свечу для освещения улиц и помещений (1878 г.), индукторный генератор (1877 г.) и однофазный трансформатор с разомкнутым сердечником (1876 г). Коэффициент трансформации в трансформаторе II. Н. Яблочкова был равен единице. В 1882 г. Л. Голяр и Э. Гиббс предложили однофазный трансформатор с коэффициентом трансформации, не равным единице, и выдвижной сердечник,

Рис. 1.10. Трансформатор Блати, Дэри и Циперновского

с помощью которого плавно регулировалось напряжение. Братья Гопкинсоны в Англии в 1884 г. создали однофазный трансформатор с замкнутым сердечником и чередующимися обмотками высшего и низшего напряжений. В 1885 г. венгерские электротехники О. Блати, М. Дэри и К. Циперновский изобрели кольцевой, броневой и стержневой трансформаторы, имеющие высокие технико-экономические показатели. Они и ввели термин «трансформатор».

Электроэнергетика в 1870—1880-х гг. делала первые впечатляющие шаги. В 1879 г. В. Сименс на Берлинской выставке показал первую электрическую железную дорогу. В 1882 г. М. Депре передал на расстояние 57 км 2 кВт напряжением 1500—2000 В постоянного тока.

Системы однофазного переменного тока хотя и позволяли передавать энергию на большие расстояния, не решали проблемы применения переменного тока в промышленности. Однофазные двигатели переменного тока не имели пускового момента, имели низкие энергетические показатели и не годились для применения в электроприводах.

В конце 1880-х гг. Г. Феррарис и Н. Тесла создали двухфазный двигатель переменного тока, вращающееся магнитное поле в котором создавалось катушками, сдвинутыми в пространстве на 90°, и токами, сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 90°.

В 1889 г. выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменных токов и в том же году построил первый трехфазный асинхронный двигатель и трансформатор. В качестве источника трехфазного тока он использовал машину постоянного тока, сделав три отпайки от обмотки под углом 120° и выведя их на три кольца. Весной 1889 г. был построен первый асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 180 Вт. Затем начали изготовляться более мощные двигатели с короткозамкнутой и фазной обмотками на роторе (рис. 1.12).

 

Трехфазный трансформатор был построен сначала с радиальным расположением обмоток, а в 1891 г. Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Такая конструкция трансформатора применяется и в настоящее время.

Уже в 1891 г. на Международной электротехнической выставке была осуществлена передача трехфазпым переменным током 230 кВ А при напряжении 15 кВ на расстоя

Рис. 1.12. Общий вид двигателя Доливо-Добровольского

ние 170 км. Максимальный КПД передачи был 75,2%. Трехфазная система переменного тока с начата 1890-х гг. прочно вошла в энергетику.

В 1899 г. паровая турбина была впервые соединена с турбогенератором мощностью 1 МВт. Началось внедрение электричества во все отрасли промышленности. Стали строиться мощные электрические станции, крупные синхронные и асинхронные машины и трансформаторы. Впоследствии отдельные станции объединились в энергосистемы, мощности которых достигли сотен миллионов киловатт. В XX в. наряду с другими отраслями промышленности бурно развивалась электротехническая промышленность.

Мощности машин возросли в 100 и 1000 раз, расход материалов на единицу мощности был уменьшен в 10—100 раз. Для различных областей техники были созданы уникальные электрические машины не только как силовые преобразователи, но и как индикаторные устройства для точнейших навигационных и других систем автоматики.

В середине XX в. произошло слияние электрических машин с машинами-орудиями и управляющими элементами, магнитными усилителями и полупроводниковыми преобразователями. Развивалось специальное машиностроение. Появились элекгромашинные усилители, различные исполнительные двигатели, шаговые двигатели, импульсные генераторы, МГД-генераторы и многие другие уникальные электрические машины. Однако создатели их, как правило, делая исторический обзор, указывали на аналоги (хотя и не очень схожие), созданные изобретателями в XIX в.

Начав свою историю с машин, в которых электромеханическое преобразование энергии осуществлялось в электрическом поле, в XIX—XX вв. электромеханика достигла поразительных успехов благодаря индуктивным электрическим машинам, в которых преобразование энергии осуществляется магнитным полем.

Параллельно с созданием электрических машин развивалась теория электромеханического преобразования энергии.

В послевоенные годы достижения земной электромеханики были перенесены в космос и появилось новое направление в развитии электромеханики — космическая электромеханика, достижениями которой обусловлены успехи в развитии космонавтики.