История развития электродвигателей

1. Предыстория и первые попытки создания электродвигателя

Машины, в которых преобразование энергии происходит в результате явления электромагнитной индукции, называются электрическими. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин. Удивительно, но первый электродвигатель появился раньше двигателя внутреннего сгорания. Как это было…
Большими недостатками прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и «дробления» полученной от нее энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Процесс вытеснения пара электричеством совершался параллельно с прогрессом методов генерирования и передачи электроэнергии на расстояние, с успехами в создании электродвигателей и в разработке рациональных систем электропривода.
Электрический привод обладал высоким КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно-поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.
Начальный период развития электрического двигателя постоянного тока берет свое начало от опыта английского физика - Майкла Фарадея, открывшего явления взаимного вращения магнитов и электрических токов электродвигателя (1821-1834 гг.). Этот этап тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую (рис. 1).



Рисунок 1 - Магнитоэлектрический генератор Фарадея («диск Фарадея»)

Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадейв 1821 г. установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или вызывать вращение магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.

Явление, составляющее основу современной электроэнергетики, было открыто английским ученым лишь через десять лет. Оно было названо электромагнитнойиндукцией. Отметим, что используя это открытие, братья Пикси в 1832 году создали конструкцию первого электрического генератора с вращающимися постоянными магнитами и с коммутатором для выпрямления тока.
Спустя 3 года русский физик ЭмилийЛенц, обобщив проделанные Фарадеем опыты, сформулировал новый фундаментальный закон, дававший возможность безошибочно определить направление индуцированного тока. Так называемый принцип обратимости был доказан Ленцем не только теоретически, но и экспериментально: катушка, при ее вращении между полюсами магнита, генерировала электрический ток, обратная реакция заключалась в том, что катушка начинала вращаться, если в нее посылали ток (рис. 2).



Рисунок 2-КатушкаЛенца

Исследование английского физика и опыты русского академика сыграли решающую роль в истории электродвигателя и развитии всего электромашиностроения в целом. Разработки теоретических предпосылок моментально дали толчок для создания первых электродвигателей и генераторов электрического тока.

Так, английский физик и математик Питер Барлоув книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя. Барлоу наглядно продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую.
Колесо Барлоу (рис. 3) представляло собой два горизонтально расположенных П-образных постоянных магнита, под которыми на одной оси размещены два медных зубчатых колеса. Когда через колеса проходил ток, они начинали вращаться в одном направлении. При этом ученый заметил, что смена полярности контактов и полюсов магнитов изменяла и направлении вращения колес. По сути, Барлоу изобрел первый униполярный электродвигатель.



Рисунок 3 - Колесо Барлоу

Колесо Барлоу не имело практического значения и остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором. Но его опыт дал пищу для размышления другим изобретателям, и уже в 1931 году была представлена еще одна модель электродвигателя. На этот раз американский физик Джозеф Генри сделал попытку использовать для получения качательного движения отталкивание одноименных и притяжения разноименных магнитных полюсов. И хотя это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных демонстраций, и сам изобретатель не придавал ему серьезного значения, в историческом аспекте электродвигатель 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). Изменение полярности электромагнита за счет перемены направления протекающего по его обмотке тока приводило электромагнит в равномерное качательное движение. В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 вт (по современным подсчетам).

Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. В течение некоторого времени различные ученые пытались продолжить развивать тему двигателей качательного типа, но постепенно научное сообщество пришло к выводу, что более прогрессивным является схема двигателя с вращением якоря и качательные двигатели были окончательно забыты.
Таким образом, открытие законов электродинамики Ампером и законов электромагнитной индукции Фарадеем не только опровергли представления об отсутствии связи между механическими и электрическими явлениями природы, но и создали теоретические предпосылки возможностей получения механической работы за счет электрической энергии (электродвигатель).
Далее электрический двигатель выходит за стены научных лабораторий. Этот этап характеризуется практическим направлением конструкторов-изобретателей.
Следует отметить, что первыми электродвигателями были двигатели постоянного тока, так как первыми были изобретены источники постоянного тока - гальванические элементы и батареи. Первый генератор для получения постоянного тока в 1832 году изготовил Ампер вместе с Пикси. Особенная конструкция двигателя являлась необходимым условием для переменного тока, однако изобретатели и конструкторы не смогли найти её сразу.

2. Создание электродвигателя с возможностью практического применения

электрический индукция машина электромагнитный
Начало данного этапа развития электрических двигателей (1834-1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явно полюсного якоря. Вращающий момент на валу таких двигателей обычно был резко пульсирующим. Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат русскому физику и академику Б.С. Якоби, который в 1934 году разработал один из самых совершенных и первых электродвигателей, которые работали от батареи постоянного тока, в котором был реализован принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. Изучая конструкции электродвигателей своих предшественников, в которых было осуществлено возвратно-поступательное или качательное движение якоря, Якоби отозвался об одном из них, что «такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов», и что «его нельзя будет применять в большом масштабе с какой-нибудь экономической выгодой» - поэтому он направил свое внимание на построение более мощного электродвигателя с вращательным движением якоря.
Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора. Двигатель оснащен был двумя группами электромагнитов П-образной формы, одна из них располагалась на стационарной раме. Наконечники полюсов устроены были асимметрично, то есть, удлинены в одну сторону. Вал у двигателя состоял из двух параллельных дисков из латуни, которые соединялись четырьмя электромагнитами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Во время вращения вала против полюсов неподвижных электромагнитов проходили электромагниты подвижные. Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80-120 об/мин. В то время двигатель Якоби являлся важнейшим техническим достижением (рис. 4).



Рисунок 4 - Общий вид электродвигателя Якоби

В ноябре 1834 он представил Парижской академии наук сообщение об этом устройстве. Сообщение было прочитано на заседании Парижской академии в декабре 1834 г. и немедленно после этого опубликовано. Таким образом, известие об изобретении Б.С. Якоби очень скоро распространилось по всем странам. Однако, первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы.

Этот этап истории появления электродвигателей связан с еще одним известным ученым того времени - Т. Девенпортом, в 1837 году разработавшему собственную, альтернативную конструкцию двигателя. Его работа основывалась на непосредственном вращении якоря, в котором происходило взаимодействие подвижных электромагнитов с неподвижными постоянными магнитами. Двигатель Девенпорта имел четыре магнита, расположенных крестообразно и укрепленных на диске из дерева, который был связан с вертикальным шестом. Четыре магнита располагались в кольце из двух постоянных магнитов, выполненных в форме полуокружностей - таким образом кольцо имело два полюса: N и S.
Отдельно от конструкции с магнитами, на подставке, располагались медные пластины, разделенные посередине изоляцией. Обмотка электромагнитов была соединена последовательно, а ее концы имели пружинящие контакты. Электродвигатель приводился в движение за счет взаимодействия постоянных магнитов и электромагнитов, причем электромагниты изменяли свою полярность в соответствующие моменты, под воздействием энергии с коммутатора. В этой конструкции были некоторые прогрессивные идеи, на которые по-видимому, обратили внимание конструкторы электродвигателей, в том числе и Б.С. Якоби.
В 1838 г. он установил усовершенствованный электродвигатель (0,5 кВт) на гребной бот, который был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, скорость которого достигала 4,5 км/ч., т.е. получил первое практическое применение. Сенсационная новость о первом практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.
Испытания электродвигателей Якоби, установленного на боте обнаружили, что при питании электродвигателей током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой; вследствие этого была признана крайняя неэкономичность электродвигателей - на данном этапе развития электротехники. Необходимо отметить и то, что основным недостатком гальванических батарей является их малая энергоёмкость (т.е. малая мощность на единицу веса), вынуждавшая использовать очень большое число батарей, что для многих транспортных установок является неприемлемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов.
Таким образом, испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:
применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.
Впрочем, понятно что все эти опыты имели чисто демонстрационный характер, и до тех пор пока не был изобретен и внедрен в производство совершенный электрический генератор, электродвигатели не могли найти широкого применения, так как питать их от батареи было слишком дорого и невыгодно.
Из электрических двигателей (рис. 5), получивших практическое применение следует отметить двигатель французского инженера Фромана, применившего его в типографии. В то время большинство производственных операций в типографиях велось либо ручным способом, либо на машинах с ручным приводом. Появление крупных печатных машин потребовало привода от двигателя. Для одной крупной печатной машины, обычной для типографии того времени, работавшей к тому же периодически, а не в течение целого рабочего дня, проще было использовать электродвигатель. Электромагниты этого двигателя расположены по окружности (шесть пар, на рисунке верхние две пары сняты для того, чтобы лучше показать якорь двигателя с железными пластинами, притягиваемыми и отталкиваемыми электромагнитами).



Рисунок 5 - Общий вид электродвигателя Фромана

Все рассмотренные выше электродвигатели действовали на принципе взаимных притяжений и отталкиваний магнитов или электромагнитов. Они были снабжены якорями простейшей формы в виде стержня с обмоткой; такие стержневые якори являются явно полюсными. Этим электродвигателям были свойственны существенные недостатки. Наиболее серьезными из них являлись большие габариты машины при сравнительно малой мощности, большое магнитное рассеяние и низкий к. п. д. 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.

-е годы XIX в. принято считать третьим этапом в истории развития электродвигателей. Этот период характеризовался разработкой двигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и вращающим моментом с высокой постоянностью.
Одними из «пионеров» этого направления был профессор физики Болонского и Пизанского университетов Антонио Пачинотти. Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявнополюсным. В 1863 г. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя (рис. 6), но на эту публикацию не было обращено достаточно внимания, и изобретение было на время забыто. Но несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, оно не получило распространения, так как по-прежнему не было еще экономичного генератора электрической энергии.



Рисунок 6 - Модель электродвигателя Пачинотти

Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лёт. З.Т. Граммом, который построил машину с кольцевым. Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время.

Итак, данный этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии - электромагнитного генератора постоянного тока.
В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.
В 1888 году изобретатель из Югославии Тесла и итальянский физик Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. Их изобретение вызвало огромный интерес во всём мире, и было ознаменовано началом новой эпохи. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Уже в июне 1888 года фирма «Вестингауз Электрик Компании» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем году. Они были гораздо лучше и надежнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Все это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так и в рабочем режиме.
Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским.
Первым важным новшеством, которое внес Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. Так, Феррарис, о котором упоминалось выше, создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом. Очень большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну). С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь плохой проводник для магнитного потока статора и, КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало его магнитное сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.
Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора - неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства - выступающие полюса катушек на статоре создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы.
Первая задача была несложной - достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно - для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента - он требовал для своего питания шести проводов вместо четырех. Таким образом, система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как-нибудь по другому?
Доливо-Добровольский проводил бессонные ночи над схемами многофазных цепей, набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено. Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора так, как это показано на рисунке, и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, но при вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того, чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов. Иначе говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на 120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалась присуще еще одно чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов - в любой произвольно взятый момент времени сумма токов, текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени равна нулю. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!
Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции.
В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор. Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ, было огромным.
Для многих стало очевидно, что долгий тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы - обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру.