Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. 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. Электрический привод не имел этих изъянов: он 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.
Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство.
Один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П-образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме. Их полюсные наконечники были устроены асимметрично — удлинены в одну сторону. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У последних полярности шли попеременно: то положительная, то отрицательная. К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал двигателя был насажен коммутатор, который менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них изменялось восемь раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также менялась восемь раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.
Положим, что подвижные электромагниты занимают положение, в котором против каждого полюса неподвижных магнитов стоит одноименный полюс подвижного; при этом каждый неподвижный электромагнит будет отталкивать противоположный магнит барабана и притягивать близлежащий с противоположным полюсом. Если бы полюса неподвижных магнитов не были асимметричны, такое устройство не могло бы работать, так как действие различных магнитов уравновешивало бы друг друга. Но благодаря выступу полюсных наконечников неподвижных магнитов каждый из них притягивает ближайший по направлению вращения часовой стрелки слабее, чем другой, из-за этого первый приближается к нему, а последний удаляется. Через четверть оборота (в двигателе Якоби — через одну восьмую) один против другого будут находиться разноименные полюса, но в этот момент коммутатор меняет направление тока в подвижных магнитах, и один против другого будут опять одноименные полюса, как и в начале движения. Вследствие этого подвижные магниты опять получают толчок к тому же направлению, и так без конца, пока остается замкнутым ток.
Коммутатор представлял собой очень важную и глубоко продуманную часть двигателя. Он состоял из четырех металлических колец, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза, которые соответствовали 1/8 части окружности. Вырезы были заполнены изолирующими деревянными вкладышами; каждое кольцо было смещено на 45 градусов по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг, представлявший собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи (соединения с ртутью были наиболее распространенными в то время контактными устройствами).
Диски, насаженные на вал двигателя, вращались вместе с ним. По ободу диска скользили металлические рычаги, которые, попадая на непроводящую часть диска, прерывали электрическую цепь, а при соприкосновении с металлом — замыкали ее. Расположение дисков было такое, что в тот момент, когда встречались разноименные полюса, контактные рычажки переходили через грань дерево-металл и этим меняли направление в обмотке электромагнитов. Таким образом, при каждом повороте кольца четыре раза разрывалась электрическая цепь.
Как уже отмечалось, двигатель Якоби для своего времени был самым совершенным электротехническим устройством. В том же 1834 году подробное сообщение о принципах его работы было представлено Парижской академии наук. В 1838 году Якоби усовершенствовал свой электромотор и, установив его на гребном боте, с десятью спутниками совершил небольшое плавание по Неве со скоростью 4, 5 км/ч. Источником тока ему служила мощная батарея гальванических элементов. Понятно, впрочем, что все эти опыты имели чисто демонстрационный характер — 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. Кроме того, в силу разных причин, о которых мы будем говорить в следующих главах, двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в производстве электромоторы, работающие на переменном токе, к рассмотрению которых мы теперь переходим.
Сила и направление переменного тока, как мы помним, не являются постоянными. Сила его сначала возрастает от нуля до какой-то максимальной величины и вновь убывает до нуля, затем ток меняет свое направление, возрастает до какого-то отрицательного максимума и вновь убывает до нуля. (Время, за которое величина тока меняется от одного положительного максимума до другого, называют периодом колебания тока.) Этот процесс повторяется с большой частотой. (Например, в осветительной сети ток в 1 секунду течет пятьдесят раз в одну сторону и пятьдесят раз в противоположную.) Как такое поведение тока будет отражаться на работе электродвигателя? Прежде всего надо отметить, что направление вращения электродвигателя не зависит от направления тока, потому что при перемене тока изменится полярность не только в якоре, но одновременно в обмотках, отчего притяжение и отталкивание продолжают действовать в ту же сторону, что и раньше. Из этого как будто бы должно следовать, что для двигателя совершенно безразлично, каким током постоянным или переменным — он питается. Однако это не так. При частом перемагничивании электромагнитов (несколько десятков раз в секунду) в них возникают вихревые токи, которые замедляют вращение якоря и сильно разогревают его. Мощность электромотора резко снижается, и в конце концов он выходит из строя. Для переменного тока необходима особая конструкция двигателя. Изобретатели не сразу смогли найти ее. Прежде всего была разработана модель так называемого синхронного двигателя переменного тока. Один из первых таких двигателей построил в 1841 году Чарльз Уитстон.
Предположим, что неподвижная часть двигателя (статор) выполнена в виде восьмиполюсного венецеобразного электромагнита, расположенные попеременно полюса которого обозначаются по их полярности буквами N и S. Между ними вращается якорь (или ротор) в виде звездообразного колеса, восемь спиц которого представляют собой постоянные магниты. Их неизменные полюса обозначим буквами n и s. Положим, что через электромагнит пропускается переменный ток. Тогда концы сердечников электромагнита будут попеременно менять свою полярность. Представим себе, что в какой-то момент против каждого полюса электромагнита статора расположен одноименный полюс ротора. Толкнем колесо и сообщим ему такую скорость, при которой каждая спица n пройдет расстояние между двумя соседними сердечниками N и S в промежуток времени, равный тому, в течение которого эти сердечники сохраняют свою полярность неизменной, то есть в период времени, равный половине периода переменного тока, питающего электромагниты. При таких условиях во все время движения спицы от сердечника N до сердечника S все сердечники перемагнитятся, отчего при дальнейшем своем движении спица опять будет испытывать отталкивание со стороны сердечника, оставшегося позади, и притяжение со стороны сердечника, к которому она приближается.
Работавший по этому принципу синхронный двигатель состоял из кольцеобразного многополюсного магнита, полярность которого менялась под действием переменного тока, и из звездообразного постоянного электромагнита, который был насажен на вал и вращался описанным выше образом. Для возбуждения этого постоянного электромагнита требовался постоянный ток, который преобразовывался посредством коммутатора из рабочего переменного. У коммутатора было и другое назначение: он использовался для пуска двигателя, ведь для поддержания вращения ротора синхронного двигателя ему требовалось сообщить определенную начальную скорость. При включении через цепь сначала пускался постоянный ток, благодаря чему двигатель начинал работать как двигатель постоянного тока и приходил в движение. До тех пор, пока двигатель не набрал требуемой скорости, коммутатор переменял направление в движущихся электромагнитах. При достижении скорости, соответствовавшей синхронному ходу, у подвижного магнита полюса уже не менялись, и двигатель начинал работать как синхронный двигатель переменного тока.
Описанная система обладала большими недостатками, кроме того, что синхронный двигатель требовал для своего запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и другой изъян — при перегрузке синхронность его хода нарушалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливался. Поэтому синхронные двигатели не получили широкого распространения. Подлинная революция в электротехнике произошла только после изобретения асинхронного (или индукционного) двигателя.
Действие асинхронного двигателя будет понятно из следующей демонстрации, которую провел в 1824 году известный французский физик Арго.
Пусть подковообразный магнит NS приводится рукой в быстрое вращение вокруг вертикальной оси. Над полюсами установлена стеклянная пластина, поддерживающая острие, на которое насажен медный кружок. При вращении магнита индукционные токи, наводимые в кружке, и образованное ими магнитное поле будут взаимодействовать с нижним магнитом, и кружок начнет вращаться в ту же сторону, что и нижний магнит.
Именно это явление используется в асинхронном двигателе. Только вместо вращающегося постоянного магнита в нем применяются несколько неподвижных электромагнитов, которые включаются, выключаются и меняют свою полярность в определенной последовательности. Поясним сказанное следующим примером.
Предположим, что I, II, III и IV — это четыре полюса двух электромагнитов, между которыми помещена металлическая стрелка. Под действием магнитного поля она намагничивается и становится вдоль линий магнитного поля электромагнитов, выходящих, как известно, из их северного полюса и входящих в южный. Все четыре полюса расположены по окружности на одном расстоянии друг от друга. Сперва ток подводится к II и III. Стрелка остается неподвижной по средней оси магнитных силовых линий. Затем подводится ток ко второму электромагниту. При этом одноименные полюса будут находиться рядом. Теперь средняя направляющая силовых линий магнитов пройдет от середины расстояния между I и II к середине между III и IV, и стрелка повернется на 45 градусов. Отключим первый электромагнит и оставим активными только полюса II и IV. Силовые линии будут направлены от III к IV, вследствие чего стрелка повернется еще на 45 градусов. Снова включим первый электромагнит, но поменяем при этом движение тока, так что полярность первого магнита изменится — стрелка повернется еще на 45 градусов. После отключения второго электромагнита стрелка переместится еще на 45 градусов, то есть совершит полуоборот. Легко понять, как заставить ее совершить вторую половину круга.
Описанное нами устройство в основных чертах соответствует двигателю Бейли, изобретенному в 1879 году. Бейли устроил два электромагнита с четырьмя крестообразно расположенными полюсами, которые он мог намагничивать с помощью выключателя. Над полюсами он установил медный кружок, подвешенный на острие. Изменяя полярности магнита, включая и выключая их, он заставил кружок вращаться точно так же, как это происходило в опыте Арго. Идея подобного двигателя чрезвычайно интересна, так как в отличие от двигателей постоянного тока или синхронных электромоторов, здесь не надо подводить ток к ротору. Однако в той форме, в которой его создал Бейли, асинхронный двигатель еще не мог иметь применения: переключение электромагнитов в нем происходило под действием сложного коллектора, и, кроме того, он имел очень низкий КПД. Но до того чтобы этот тип электромотора получил право на жизнь, оставался только шаг, и он был сделан после появления техники многофазных токов. Собственно, многофазные токи и получили применение, прежде всего благодаря электродвигателям. Чтобы понять, что такое, к примеру, двухфазный ток, представим себе два независимых друг от друга проводника, в которых протекают два совершенно одинаковых переменных тока. Единственная разница между ними заключается в том, что они не одновременно достигают своих максимумов. Про такие токи говорят, что они сдвинуты друг относительно друга по фазе, а если эти токи подводятся к одному электроприбору, говорят, что тот питается двухфазным током. Соответственно, может быть трехфазный ток (если питание прибора происходит от трех одинаковых токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе), четырехфазный ток и т.д. Долгое время в технике использовался только обычный переменный ток (который по аналогии с многофазными токами стали называть однофазным). Но потом оказалось, что многофазные токи в некоторых случаях гораздо удобнее однофазного.
В 1888 г. итальянский физик Феррарис и югославский изобретатель Тесла (работавший в США) открыли явление вращающегося электромагнитного поля. Сущность его заключалась в следующем. Возьмем две катушки, состоящие из одинакового числа витков изолированного провода, и разместим их взаимно перпендикулярно так, чтобы одна катушка входила в другую. Теперь представим, что катушку 1 обтекает ток i1 а катушку 2 — ток i2, причем i1 опережает i2 по фазе на четверть периода. Это, как мы уже говорили, означает, что ток i1, достигает положительного максимума в тот момент, когда сила тока i2 равна нулю. Если мы мысленно разрежем катушки пополам горизонтальной плоскостью и будем смотреть на них сверху, то увидим сечения четырех сторон обеих катушек. Поместим между ними магнитную стрелку и будем наблюдать за ее движением. Катушки, через которые протекает переменный ток, как известно, являются электромагнитами. Их магнитное поле будет взаимодействовать со стрелкой, поворачивая ее. Рассмотрим теперь положение магнитной стрелки, ось которой совпадает с вертикальной осью катушек в различные моменты времени. В начальный момент времени (t=0) ток в первой катушке равен нулю, а во второй проходит через отрицательный максимум (направление тока будем обозначать так, как это делается в электротехнике — точкой и крестиком; крестик означает, что ток направляется от наблюдателя за плоскость чертежа, а точка — что ток направляется к наблюдателю). В момент t1 токи i1 и i2 равны друг другу, но один имеет положительное направление, а другой — отрицательное. В момент t2 величина тока i2, нисходит до нуля, а ток i1 достигает максимума. Стрелка при этом повернется еще на 1/8 оборота. Прослеживая подобным образом развитие процесса, мы заметим, что по окончании периода изменений одного из токов магнитная стрелка завершит полный оборот вокруг оси. Дальше процесс повторяется. Следовательно, при помощи двух катушек, питаемых двумя токами, сдвинутыми друг относительно друга по фазе на четверть периода, можно получить тот же эффект перемены магнитных полюсов, которого добился в своем двигателе Бейли, но здесь это получается намного проще, без всякого коммутатора и без использования скользящих контактов, поскольку перемагничиванием управляет сам ток. Описанный эффект получил в электротехнике название равномерно вращающегося магнитного поля. На его основе Тесла сконструировал первый в истории двухфазный асинхронный двигатель. Он вообще был первым, кто стал экспериментировать с многофазными токами и успешно разрешил проблему генерирования таких токов.
Поскольку получить двухфазный ток из однофазного было непросто, Тесла построил специальный генератор, который сразу давал два тока с разностью фаз в 90 градусов (то есть с отставанием на четверть периода). В этом генераторе между полюсами магнита вращались две взаимно перпендикулярные катушки. В то время, когда витки одной катушки находились под полюсами и индуцирующийся в них ток был максимальным, витки другой катушки находились между полюсами (на нейтральной линии) и электродвижущая сила в них была равна нулю. Следовательно, два тока, генерируемые в этих катушках, были тоже сдвинуты по фазе относительно друг друга на четверть периода. Аналогичным способом можно было получить трехфазный ток (используя три катушки под углом 60 градусов друг к другу), но Тесла считал наиболее экономичной двухфазную систему. В самом деле, многофазные системы тока требуют большого количества проводов. Если двигатель, работающий на обычном переменном (однофазном) токе, требует всего двух подводящих проводов, то работающий на двухфазном — уже четырех, на трехфазном — шести и т.д. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора. Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя (то есть не имеющих никакой связи с внешней электрической цепью) катушек.
Изобретение Теслы знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе живейший интерес во всем мире. Уже в июне 1888 году фирма «Вестингауз Электрик Компани» 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. Исключенный в 1881 году по политическим мотивам из Рижского политехнического института, Доливо-Добровольский уехал в Германию. Здесь он закончил Дармштадтское высшее техническое училище и с 1887 года начал работу в крупной германской электротехнической фирме АЭГ. 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. (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), а в просверленные по периферии последнего каналы стал закладывать медные стержни (что уменьшало электрическое 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 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. На листах бумаги он набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, совершенно неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено.
Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, то 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 оказалось 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.
Например, в момент времени t1 ток i2 проходит через положительный максимум, а значения токов i1 и i3, имеющих отрицательное значение, достигают половины максимума и сумма их равна току i2. Это означает, что в любой момент времени один из проводов системы передает в одном направлении такое же количество тока, какое два других вместе передают в противоположном направлении. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!
Чтобы пояснить этот чрезвычайно важный момент, обратимся к воображаемой схеме. Представим себе, что через круг, вращающийся вокруг своего центра, проходят три соединенных между собой проводника, в которых протекают три переменных тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. При своем вращении каждый проводник находится то на положительной, то на отрицательной части круга, причем при переходе из одной части в другую ток меняет свое направление. Эта система вполне обеспечивает нормальное протекание (циркуляцию) токов. В самом деле, в некоторый момент времени проводники I и II оказываются соединенными параллельно, а III отводит от них ток. Некоторое время спустя II переходит на ту же сторону, где находится III; теперь уже II и III работают параллельно, а I как общий отводящий ток провод. Далее III переходит на ту сторону, где еще находится I; теперь II отводит то количество, что III и I подводят вместе. Затем I переходит на ту сторону, где еще находится II, и т.д.
В приведенном примере ничего не говорилось об источниках тока. Как мы помним, этим источником является трехфазный генератор. Изобразим обмотки генератора в виде трех катушек. Для того чтобы протекание тока происходило описанным нами способом, эти катушки могут быть включены в цепь двояким образом. Мы можем, к примеру, разместить их на трех сторонах треугольника, допустим левого; таким образом, вместо трех его сторон мы получим три катушки I, II и III, в которых индуцируются токи со смещением фаз на 1/3 периода. Мы можем также переместить точки приложения электродвижущих сил и на концы параллельных проводников. Если мы поместим здесь наши катушки, то получим другое соединение. Треугольники, служащие теперь лишь проводящими соединениями для трех левых концов катушек, могут быть стянуты в одну точку. Эти соединения, из которых первое называется «треугольником», а второе — «звездой», широко применяются как в двигателях, так и в генераторах.
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 так, как это было описано выше.
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. С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
Пожалуйста оцените материал:
www.dmitrysmor.ru
Нам уже известны способы преобразования механической энергии в электрическую. Но и энергию электрического тока можно преобразовать в энергию движения. Динамомашину, вырабатывающую электрический ток, называют первичной машиной, или генератором, а устройство, принимающее электрический ток и преобразующее его в механическую энергию, называют вторичной электрической машиной, или электродвигателем. При этом преобразование электрической энергии в механическую, как и обратное, происходит не непосредственно, а за счет явления электромагнетизма.
Уже опыты М. Фарадея, проведенные им ещё в 1821 году, можно считать наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя. Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, он показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника с током.
В 1833 г. английский ученый У. Риччи создал прибор, в котором магнитное поле образовывалось постоянным неподвижным магнитом. Между его полюсами на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока периодически изменялось коммутатором. Вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности электродвигатель Риччи не мог получить практического применения.
Рис. 9.1. Автоматический прерыватель
Первые устройства для преобразования электрической энергии в механическую применялись главным образом для получения переменно-возвратного движения в так называемых электрических прерывателях. Основным элементом их является вибрирующий якорь, притягиваемый электромагнитом под действием электрического тока и возвращаемый назад за счет сжатия пружины при разрыве электрической цепи (рис. 9.1). Такие устройства получили достаточно широкое распространение в виде, например, электрических звонков. Но значительно более интересно было преобразовать электрическую энергию во вращательную. Наиболее просто этого можно достичь, прикрепив к вибрирующему якорю шатун, действующий на кривошип вала и производящий при помощи качаний вращательное движение. Примером такой простейшей конструкции может служить электродвигатель Грюэля (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Электрический двигатель Грюэля
Увеличивая количество электромагнитов, можно получить значительно более плавное вращательное движение. Две системы электромагнитов первым применил русский ученый Б.С. Якоби, создавший в мае 1834 г. электрический двигатель (рис. 9.3) с вращательным движением якоря, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. В качестве источника питания электромагнитов использовалась батарея гальванических элементов, а для изменения полярности подвижных электромагнитов – коммутатор.
В ноябре 1834 года Якоби представил Парижской академии наук сообщение об этом устройстве. Известие об изобретении Якоби очень быстро распространилось. Сам автор широко демонстрировал свой электродвигатель и подвергал его опробованию для приведения во вращение различных механизмов. Он исходил из законов и представлений Ампера и Фарадея, дополненных собственными исследованиями, проведенными совместно с академиком Э. Ленцем в конце 1830-х годов. В процессе совершенствования двигателя Якоби объединил несколько электродвигателей в один агрегат, расположив неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости, то есть пошел по пути механического соединения определенного числа элементарных машин. При этом увеличились размеры электродвигателя в вертикальном направлении, а это было удобно для создания опытной судовой установки. В 1838 году Якоби построил первый магнитоэлектрический двигатель, приводящий в движение на реке Неве против течения лодку с четырнадцатью человеками на борту.
Рис. 9.3. Электрический двигатель Якоби
Одна из петербургских газет 1839 года писала об испытаниях «электрического бота»: «… катер с двенадцатью человеками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лошади), ходил несколько часов противу течения, при сильном противном ветре… Что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого применения теории к практике». Испытания электродвигателя Якоби показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании их током от гальванических батарей (на боте Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов) механическая энергия получается очень дорогой. Произведенные опыты и теоретическое исследование привели Б.С. Якоби к очень важному выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, то есть от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи.
Все электрические двигатели постоянного тока, созданные позднее, были по существу лишь усовершенствованием электродвигателя Якоби.
В конце XIX – начале XX века изобретатели во многих странах пытались совершенствовать систему получения, передачи, превращения электричества в механическую работу и приспособить его для перемещения и поднятия грузов, освещения улиц и прочее. В Европе и Америке наибольшее распространение получили электродвигатели малой и средней мощности, используемые в основном для городского электротранспорта и легкой (например швейной и текстильной) промышленности.
Рис. 9.4. Отделение электродвигателей постоянного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге
Рис. 9.5. Электродвигатель постоянного тока производства «Немецких электрических заводов» в Ахене
Рис. 9.6. Мощный электродвигатель постоянного тока швейцарской фирмы «Эрликон»
На рис. 9.4 представлен общий вид цеха по производству электродвигателей постоянного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге. Такие электродвигатели в конце XIX века с развитием центральных электрических станций массово устанавливались на крупных заводах Европы и полностью вытеснили дорогой и ненадежный ременной или цепной привод. Лидером по производству электродвигателей постоянного тока в Германии были «Немецкие электрические заводы» в Ахене. Благодаря своей надежности и компактности эти электродвигатели получили большое распространение (рис. 9.5).
В сравнении с другими типами двигателей электродвигатель обладал столь важными преимуществами, что очень быстро стал устанавливаться везде, где только была возможна доставка электрического тока. Прежде всего он отличался легкостью установки, простотой ухода и относительной компактностью в сравнении с другими типами двигателей (например газомоторами) аналогичной мощности. Электродвигатели малой и средней мощности не требовали мощных фундаментов и могли устанавливаться прямо на полу или даже на стенных кронштейнах. Кроме того, при квалифицированном обслуживании эксплуатация их была практически безопасна.
В конце XIX века в Швейцарии серия электродвигателей средней и большой мощности производилась на фирме «Эрликон». При этом на электродвигателях мощностью до 100 л.с. применялся якорь Грамма, а на мощных – до 250 л.с. и более – многополюсный якорь (рис. 9.6). В Америке большое распространение получили электродвигатели небольшой мощности, например двигатели конструкции Франка Спрага (рис. 9.7).
Необходимо отметить, что в начале ХХ века история практического использования электрических двигателей не достигла еще и 15-летнего возраста, но темпы и массовость их применения были очень значительными. Этому способствовали интенсивное строительство центральных городских электрических станций и широко разветвленных распределительных электрических сетей, а также несомненные преимущества электродвигателей в сравнении с паровыми машинами и газомоторами равной мощности. Что касается ухода, то он ограничивался только смазкой подшипников и правильной установкой щеток. Кроме того, с развитием массового применения электрических двигателей центральные городские электрические станции, работавшие в основном в темное время суток для целей электрического освещения, получили возможность значительно более рационально использовать мощности своих генераторов, производя электрическую энергию в дневное время для питания многочисленных электродвигателей. Например, Берлинская центральная электростанция, первоначально созданная в 1884 г. для обеспечения электрического освещения, к концу 1892 г. снабжала электрической энергией 156 электродвигателей постоянного тока общей мощностью в 525 л.с. В следующем году станция снабжала электроэнергией уже 311 электродвигателей мощностью в 1070 л.с., а к 1898 г. общая мощность двигательной нагрузки составила уже 15400 л.с., или 11400 кВт, к которым нужно прибавить еще 2100 кВт двигательной нагрузки электрических железных дорог.
Рис. 9.7. Американский электродвигатель средней мощности конструкции Спрага
Рис. 9.8. Типографский печатный станок с электрическим приводом
Рис. 9.9. Электродвигатели в машинном зале завода
Рис. 9.10. Сушильная центрифуга с электрическим приводом
Рис. 9.11. Электрический центробежный насос с двигателем Кертинга
Рис. 9.12. Токарный станок с электроприводом
Приход ХХ века ознаменовался массовым использованием электропривода постоянного тока в различных отраслях промышленности. На рис. 9.8 показан типографский печатный станок с электрическим приводом, а на рис. 9.9 – общий вид машинного зала завода с установленными электрическими двигателями.
Одно из несомненных преимуществ использования электрических двигателей заключается в возможности повышения коэффициента полезного действия механизма при отказе от неэффективных и ненадежных ременных и цепных передач и переходе на прямой электрический привод.
Рис. 9.13. Электрический ворот
Рис. 9.14. Электрический лифт
Особенно значительным это преимущество становится при необходимости использования высокооборотного привода. На рис. 9.10 показана сушильная центрифуга с электрическим приводом производства «Немецких заводов» в Ахене, а на рис. 9.11 – электрический центробежный насос с двигателем Кертинга. Такая конструкция нашла широкое применение при разработке промышленных и пожарных помп, т.е. систем для перекачивания воды.
В промышленных и жилых зданиях широко использовались вентиляторы с электрическим приводом. Применение электроприводу нашлось и при производстве различных станков, машин и подъемных механизмов. На рис. 9.12 показан токарный станок с электроприводом, а на рис. 9.13 – электрический ворот, использовавшийся в различных подъемных приспособлениях, например в лифтах (рис. 9.14), или при устройстве транспортировочных механизмов (рис. 9.15). На рис. 9.16 показан общий вид портового крана грузоподъемностью 150 тонн с электроприводом.
Рис. 9.15. Загрузка корабля с помощью электрического транспортера
Рис. 9.16. Портовый кран грузоподъемностью 150 тонн с электроприводом
Из области домашнего применения можно отметить электроприводные швейную, сверлильную и даже зубоврачебную машины.
energetika.in.ua
В 1831 г. выдающийся английский учёный Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Проведённые им эксперименты показали, что для получения электричества не обязательно использовать гальванические элементы. Электрический ток можно создавать индукционным методом, перемещая проводник в магнитном поле. Сделав это открытие, Фарадей провёл множество опытов с большим магнитом Королевского научного общества Англии и в результате сконструировал первый электромашинный генератор тока, известный как «диск Фарадея».
После столь удачных экспериментов английского учёного за разработку пригодного для практики электрического двигателя принялись изобретатели других стран. И среди них российский физик и электротехник
Б. С. Якоби. В 1834 г. он построил электродвигатель, действие которого было основано на притяжении и отталкивании электромагнитов. Сходные по принципу действия двигатели сделали в разное время также Т. Девенпорт, П. Фроман и Ч. Пейдж. Все эти устройства имели большие размеры, малую мощность, значительное магнитное рассеяние и низкий коэффициент полезного действия. Для устранения столь серьёзных недостатков потребовалось больше 50 лет.
В 1885 г. итальянский физик Г. Феррарис и американский изобретатель сербского происхождения Н. Тесла независимо друг от друга открыли, что при подаче переменных токов на две (или более) катушки индуктивности можно получить вращающееся магнитное поле. В том случае, если на катушки подаётся два переменных тока, различающихся по фазе, систему называют двухфазной. Тесла и Феррарис разработали первые конструкции подобных двухфазных электродвигателей (один из них «диск Феррариса» стал основой электрического счётчика, установленного в каждой квартире).
Однако дальнейшее развитие техники связано с более совершенной электрической системой „ трёхфазным током. Одним из тех, кто внёс большой вклад в эту область электротехники, был русский инженер М. О. Доливо-Добровольский. Он первым предложил сделать ротор двигателя в виде так называемой беличьей клетки, что позволило уменьшить электрическое и магнитное сопротивление и значительно повысить эффективность работы. Конструкция этого ротора без принципиальных изменений сохранилась до настоящего времени.
В 1890 г. Доливо-Добровольский построил трёхфазный двигатель мощностью 3,7 кВт и трёхфазный трансформатор, необходимый для передачи электроэнергии на большие расстояния. Продемонстрировать их действие удалось в 1891 г. на Международной электротехнической выставке во Франкфурте.
Но топливный элемент вырабатывает постоянный ток, поэтому в бытовых приборах, транспорте и т. д. нужно применять электрические двигатели постоянного тока, принцип действия которых мы сейчас рассмотри.
future-vodorod.narod.ru
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 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 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.
С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
4. Использование электрических двигателей
Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического управления и регулирования, в быту. Они преобразуют механическую энергию в электрическую (генераторы) и, наоборот, электрическую энергию в механическую.
Любая электрическая машина может использоваться как генератор, так и двигатель. Это её свойство называется обратимостью. Она может быть также использована для преобразования одного рода тока в другой (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения) в энергию другого вида тока. Такие машины называются преобразователями.
Электрические машины в зависимости от рода тока электрической установки, в которой они должны работать, делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение получили асинхронные двигатели и синхронные двигатели и генераторы.
Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.
Электрические двигатели, используемые в промышленности, быту выпускают сериями, которые представляют собой ряд электрических машин возрастающей мощности, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих общему комплексу требований. Широко применяются серии специального назначения.
Современный электрический двигатель используется повсеместно в различных отраслях производства, строительстве, судостроении, автомобилестроении и много где ещё.
На сегодняшний день электрические двигатели нашли широкое применение и в автомобилестроении. Они могут применяться как в отдельности — на электромобилях, так и совместно с ДВС — различные гибридные автомобили. Наибольшую популярность получили трехфазные электродвигатели переменного тока. От обычных электрических машин, электродвигатели автомобилей отличаются компактностью и повышенной мощностью.
Электрические двигатели бывают постоянного и переменного тока. Наиболее распространены электрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству, неприхотливы в эксплуатации. Основной недостаток – практически не регулируемая частота вращения.
Двигатель постоянного тока - это машина для преобразования энергии постоянного тока в механическую энергию.
Основными плюсами данного типа электродвигателей является простота устройства и управления, линейность механической и регулировочной характеристики, небольшие габариты и вес вкупе с высоким КПД.
Этот вид двигателей широко используются в механизмах, требующих широкого и плавного регулирования скорости вращения. Их можно увидеть, например, в металлорежущих или прокатных станках. Они же приводят в движение электротранспорт, экскаваторы, подъемно-транспортные машины и самолеты.
Электродвигатели постоянного тока применяются в промышленных и бытовых электроустановках (электрифицированный инструмент, вентиляторы, холодильники, соковыжималки, мясорубки, пылесосы и др.). Они рассчитаны для работы как от сети постоянного тока (110 и 220 В), так и от сети переменного тока частотой 50 Гц (127 и 220 В). Эти двигатели имеют большой пусковой момент и сравнительно малые размеры.
Двигатели постоянного тока обратимы и могут выступать в роли как двигателей, так и генераторов.
Двигатель переменного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Во время его работы выделяется тепло.
Электрические двигатели переменного тока применяют для привода рабочих машин различного назначения (насосы, деревообрабатывающие станки, дробилки и т. д.), не требующих регулирования частоты вращения. Выпускаются на мощности от 0, 2 до 200 и более киловатт.
Электрический двигатель, в домашних условиях, применяется в большинстве устройств бытовой техники и электроники.
Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, а две трети ее преобразуется электрическими двигателями в механическую энергию. От правильного выбора и использования электрических машин во многом зависит технический уровень изделий многих отраслей промышленности.
Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства. Без электрических машин не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.
Особая роль отводится электрическим машинам в космической, авиационной и морской технике. Электрические машины, работающие на передвижных установках, выпускаются в больших количествах. Эти машины должны иметь минимальные габариты при высоких энергетических показателях и высокую надежность. Отдельную область электромеханики составляют электрические машины систем автоматического управления, где электрические машины используются в качестве датчиков скорости, положения, угла и являются основными элементами сложнейших навигационных систем.
Заключение
Электрическая машина прошла длинный и сложный путь, прошел не один десяток лет, прежде чем их внедрили в производство повсеместно. Возможность преобразования электрической энергии в механическую впервые была установлена М. Фарадеем. В 1821 опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя. В то же время над конструированием электродвигателей работал и Джозеф Генри. В следующие годы (1833-1834) Э.X. Ленц дал глубокий анализ явлению электромагнитной индукции. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) - один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. До этого изобретения электрические двигатели имели механическую схему по типу паровой машины с возвратно-поступательным движением. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.).В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявнополюсным. В семидесятых годах была открыта возможность электромагнитного возбуждения и самовозбуждения машин, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Следующей ступенью явилось изобретение кольцевого, а затем барабанного якоря, что позволило осуществить промышленные модели. Питание электродвигателей стало производиться от 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 Тесла и Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Вскоре двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским Доливо-Добровольским.
Сегодня электродвигатели используются повсеместно. Их можно найти в автомобилях и многих бытовых электроприборах. Хотя многие люди даже не представляют, как работают электродвигатели, их изобретение оказалось исключительно полезным.
Список литературы
1. Белкинд Л.Д. Первые конструкции электродвигателей постоянного тока. История энергетической техники/ Л.Д. Белкинди др. - М: Госэнергоиздат, 1960. - 664 с.
2. Дятчин Н.И. История развития техники: Учебное пособие/ Н.И. Дятчин. - Ростов н/Д.: Феникс, 2001. - 320 с.
3. Кулик Ю.А. Электрические машины / Ю.А. Кулик. - М.: Высшая школа, 1971. - 456 с.
4. Рыжков К.В. 100 великих изобретений/ К.В. Рыжков. - М.: Вече, 1999. - 528 с.
5. Шухардин С.В. Техника в ее историческом развитии / С.В. Шухардин, Н.К. Ламан, А.С. Федоров. - М.: Наука, 1979. - 416 с.
yaneuch.ru
Омский государственный технический университет
Кафедра «Автоматизация и робототехника»
Р Е Ф Е Р А Т
по дисциплине «История автоматизации»
Тема: «Изобретение и использование электрического двигателя.
Переход от пара к электричеству»
Выполнил: студент гр. ЗА-310
Шаров Юрий Александрович
___________________________
Проверил: ст. препод. каф. АРТ Гудинов Владимир Николаевич
___________________________
Омск – 2013
Введение
Середина XIX столетия ознаменовалась особенно крупными сдвигами в науке и технике. Происходит научно-техническая революция, и буквально на протяжении одного поколения стало обыденным и привычным то, что еще в начале прошлого века казалось мечтой, плодом безудержной фантазии.
Одно из важнейших достижений XIX столетия есть изобретение электродвигателя. Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды. Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия - от 65 до 80% для машин мощностью около 1 квт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить, что КПД других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30-40%.
Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы . Уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда. С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины , как и орудия труда лишь помогали человеку в его труде. Затем они стали постепенно заменять его. В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы .В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока .Нужно было искать новые источники энергии , чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности . Пробовали энергию ветра , но это оказалось малоэффективным .
Следующим шагом в развитии техники стало создание парового двигателя. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства —паровозы. Но паровые машины были сложными , громоздкими и дорогими установками . Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый . В 1860 г. француз Ленуар , использовав конструктивные элементы паровой машины , газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.
Все эти двигатели требовали топлива , и ученые в то же время работали над изобретением двигателя , работающего на электричестве — электродвигателя - бесшумного и небольшого . Первый электродвигатель сконструировал русский ученый Б.С. Якоби .
Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешевой. К тому же, эта заслуга принадлежит русскому ученому. Благодаря своей компактности, экономичности, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания, удобным мотором, он достаточно быстро вытеснил остальные виды двигателей.
В настоящее время жизнь человечества без электродвигателя трудно представляется. Он используется в поездах , троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки .Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы - все это используется в быту и оснащено электродвигателями.
1. Двигатели. История и классификация.
История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин.
С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, или в двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи воды на поля, вращали жернова, моловшие зерно, и т. д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали животных и рабов.
На смену живым двигателям пришло водяное колесо — 2 диска на одном валу, между которыми помещались плоские дощечки — лопасти. Поток воды в реке давил на лопасти и поворачивал колесо, а через его вал движение передавалось, например, жерновам. В средние века водяные колеса приводили в действие прядильные и ткацкие станки.
В VII в. персы изобрели ветряную мельницу. С появлением таких мельниц началась история ветряных, использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду. На многих картинах средневековых художников и в книгах вы можете увидеть изображения ветряных мельниц и их описание.
Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до XVII в. оставались единственными типами двигателей. В конце XVII — начале XVIII в. во Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки использовать вместо воды и ветра энергию пара — создать паровой двигатель.
Пригодным для практических целей (хотя и не получившим распространения) был паровой двигатель, созданный в 1763 г. русским механиком И. И. Ползуновым.
В 1784 г. английский механик Дж. Уатт изобрел универсальный по своему техническому применению двигатель — паровую машину. Главная ее часть — цилиндр, с обоих концов закрытый крышками. Внутрь цилиндра помещен поршень. Пар давит на поршень поочередно то с одной стороны, то с другой и перемещает его от одной крышки цилиндра к другой. Одним концом поршень соединен со штоком (стержнем), пропущенным сквозь одну из крышек цилиндра. Через него движение поршня передается наружу, к рабочим органам машины. Изобретение универсального парового двигателя позволило усовершенствовать многие рабочие машины, создало предпосылки для механизации производства.
Во второй половине XIX в. появились 2 новых типа двигателей: паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания.
Первые паровые турбины внешне имели много общего с водяными колесами, только на их лопасти давила не вода, а пар. Были эти турбины маломощны и тихоходны. Однако по мере развития и совершенствования паровые турбины стали в наше время основными двигателями на теплоэлектростанциях. А на смену водяным колесам пришли гидротурбины, которые приводят в действие генераторы тока на гидроэлектростанциях.
В двигателях внутреннего сгорания, так же как и в паровой машине, главная часть — цилиндр с поршнем. Но в отличие от паровой машины в двигателях внутреннего сгорания на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра (отсюда и название двигателя). В качестве топлива используются бензин, нефть и специальные горючие смеси. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на нефти и другом «тяжелом» топливе, называются дизельными двигателями или просто дизелями.
Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленного производства явилось изобретение и применение электрических двигателей. Принцип действия всех электродвигателей основан на следующем физическом явлении: проводник, по которому течет электрический ток, будучи помещен между полюсами магнита, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатели проще и надежнее всех других двигателей, они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют значительно улучшить эксплуатационные характеристики рабочих машин. Электродвигатели сделали возможным создание современных высокопроизводительных машин, станков-автоматов, автоматических линий, заводов-автоматов. Благодаря им появились удобный электрифицированный инструмент, разнообразные машины и приборы, помогающие человеку в быту (швейные и стиральные машины, холодильники, электробритвы и т. д.). В 70-х гг. XX в. конструкторы автомобилей все чаще обращаются к идее использовать электродвигатель в качестве двигателя автомобиля, так как в отличие от двигателей внутреннего сгорания электрические двигатели не загрязняют окружающую среду.
В первой половине XX в. был создан новый тип теплового двигателя — газотурбинный двигатель, основной частью которого стала газовая турбина. В таком двигателе жидкое топливо впрыскивается через форсунки в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается воздух. При сгорании топлива давление в камере возрастает, и поток раскаленных газов, вырываясь через особые трубы — сопла, устремляется к лопастям газовой турбины, давит на них и заставляет турбину вращаться. Наибольшее распространение газотурбинные двигатели получили в авиации в качестве основных двигателей самолетов, вертолетов и т. п. Эти двигатели используют также для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, большегрузных автомобилей и других транспортных средств, в том числе кораблей, катеров и подводных лодок.
В 1903 г. К. Э. Циолковский в своей статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире описал основные элементы ракетных двигателей, которые являются разновидностью реактивного двигателя.
В 1909 г. русский инженер Н. Герасимов разработал схему первого в мире турбореактивного двигателя. Ныне большинство военных и гражданских самолетов называются реактивными потому, что на них установлены турбореактивные двигатели; эти двигатели устанавливают также и на больших вертолетах.
Принцип действия реактивного двигателя основан на использовании силы реакции (отдачи) струи газов, вытекающей из сопла двигателя. Сила отдачи газовой струи заставляет двигатель перемещаться в пространстве в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. движет себя сам без участия промежуточных механизмов. Основная часть любого реактивного двигателя — камера сгорания. В ней в результате сгорания топлива образуются горячие газы. Вырываясь с большой скоростью из сопла, горячие газы создают реактивную струю, которая вызывает тягу двигателя и приводит в движение аппарат, на котором этот двигатель установлен.
Различают воздушно-реактивные двигатели и ракетные двигатели. В воздушно-реактивных двигателях в камеру сгорания кроме топлива подается воздух. Поэтому такие двигатели можно использовать лишь там, где плотность атмосферы достаточна, чтобы двигатель не «задохнулся». Ракетный двигатель не нуждается в воздухе: все необходимые компоненты топлива он несет с собой. Поэтому такие двигатели хорошо работают и в безвоздушном пространстве, т. е. в космосе. Их устанавливают главным образом на боевых ракетах и ракетах-, носителях космических кораблей. Отсюда и название — ракетный двигатель. Для достижения нужной скорости на космических ракетах устанавливают 2, 3, а иногда и больше двигателей; такие многодвигательные ракеты называются двухступенчатыми и трехступенчатыми. Отработает одна ступень со своим двигателем и отделяется от ракеты. Тотчас включается двигатель следующей ступени. Так продолжается до тех пор, пока ракета не достигнет заданной скорости полета.
История развития техники, и особенно машинного производства, тесно связана с созданием и совершенствованием двигателей. И каков бы ни был двигатель — водяное колесо или газовая турбина, электродвигатель или дизель, он является машиной, преобразующей какой-либо вид энергии в механическую работу. Те двигатели, которые для получения механической работы используют природные энергетические ресурсы (топливо, поток воды, ветер и др.), называют первичными (например, паровая машина, гидротурбина, ветродвигатель). Двигатели, преобразующие в механическую работу энергию первичных двигателей, называют вторичными (электрические, пневматические и др.). К двигателям относятся также устройства, способные накапливать механическую энергию, а затем по мере надобности отдавать ее (инерционные, или маховиковые, пружинные и гиревые механизмы).
2. 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.
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.
Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадей в 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 электромагнитной индукцией. 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.
yaneuch.ru
terikon-lg.livejournal.com
Использование: в электрических машинах. Сущность изобретения: электрический двигатель снабжен узлом синфазирования, составленного из внешнего магнитопровода со статорной синфазирующей обмоткой, внутреннего магнитопровода с роторной синфазирующей обмоткой, расположенного на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, питающегося от узла передачи энергии, выполненного в виде асинхронного двигателя. Упомянутые узлы расположены в общем корпусе и разнесены аксиально. Роторные обмотки узлов соединены между собой последовательно. Секции обмотки возбуждения двигательного узла, расположенной на статоре, соединены с секциями статорной синфазирующей обмотки узла синфазирования. Магнитопровод обмотки возбуждения составлен из двух рядов скобообразных магнитопроводов, один из которых расположен на магнитопроводе статора вдоль образующей цилиндрической его поверхности, другой ряд скобообразных магнитопроводов образует кольцо, установленное на немагнитной втулке, расположенной на валу двигателя и зафиксировано фланцами. В результате упрощается конструкция, улучшаются эксплуатационные свойства и повышается экономичность. 13 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам.
Известен асинхронный двигатель, принцип действия которого основан на взаимодействии первичного магнитного поля статора и вторичного магнитного поля роторной нагрузки ( Брускин Д. Э. Зорохович А. Е. Хвостов В.С. М. Высшая школа, 1981, с. 122-128). Известен также асинхронный двигатель, в котором возбуждение осуществляется переменным током, при этом вращающееся поле возбуждения с помощью датчиков ЭДС осуществляет коммутацию обмоток статора (патент ФРГ N 2413266, кл. H 02 K 17/42, 1974). Наиболее близким к изобретению является электрический двигатель, содержащий аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии. Указанный двигатель входит в состав бесконтактного вентильного электродвигателя, имеющего два преобразователя частоты, систему коммутации. Благодаря системе вентильной коммутации указанный электродвигатель имеет свойства, значительно превосходящие свойства асинхронного двигателя (авт. свид. СССР N 1069083, кл. H 02 K 24/00, 1984). Недостатком указанного электродвигателя является его сложность из-за наличия двух преобразователей частоты и системы коммутации, что увеличивает вес, габариты, стоимость и усложняет эксплуатацию, а также увеличивает энергоемкость. Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции, улучшении эксплуатационных свойств и повышении экономичности. Это достигается тем, что в электрическом двигателе, содержащем аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии, узел передачи энергии выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой, роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии, секции которой выполнены с диаметральной намоткой, и снабжен узлом синфазирования, установленным в корпусе аксиально упомянутым узлам, втулкой из немагнитного материала, закрепленной на валу двигательного узла, магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов, каждый магнитопровод одного ряда расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки статора, выполняющей функции обмотки возбуждения, скобообразные магнитопроводы второго ряда совместно с разделяющими их немагнитными изоляторами собраны в кольцо, установленное между немагнитной втулкой и полым цилиндрическим магнитопроводом ротора и закрепленное фиксирующими фланцами, причем торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел, роторная обмотка двигательного узла выполнена тороидальной, и ее секции расположены в радиальных плоскостях на цилиндрическом полом магнитопроводе ротора, магнитная система узла синфазирования составлена из двух расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, внешний из которых расположен на статоре, а внутренний на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, в радиальных плоскостях на указанных магнитопроводах расположены синфазирующие обмотки, выполненные с тороидальной намоткой, причем плоскости секций статорной синфазирующей обмотки совпадают с плоскостями симметрии секций обмотки возбуждения двигательного узла, соединенной последовательно со статорной синфазирующей обмоткой узла синфазирования, секции роторной обмотки которого соединены последовательно с секциями роторных обмоток двигательного узла и узла передачи энергии, находящимися в одной с ними плоскости. На фиг. 1 представлен электрический двигатель; на фиг. 2 разрезы А-А и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 электрическая схема двигателя; на фиг. 5 соединение и размещение роторных обмоток, лежащих в одной диаметральной плоскости; на фиг. 6 соединение и ориентация секций обмотки возбуждения и статорной обмотки узла синфазирования; на фиг. 7 устройство и электромагнитная картина узла синфазирования; на фиг. 8 симметричное замыкание магнитной цепи; на фиг. 9 сопряжение двигательного узла и узла синфазирования; на фиг. 10 разрез Е-Е на фиг. 9; на фиг. 11 разрез Д-Д на фиг. 9 с изображением электромагнитных картин роторной нагрузки и обмотки возбуждения; на фиг. 12 распределение индукции поля возбуждения по скобообразному магнитопроводу; на фиг. 13 распределение индукции возбуждения и поля роторной нагрузки (разрез Г-Г на фиг. 12). Электрический двигатель содержит аксиально установленные в одном корпусе узел передачи энергии, двигательный узел и узел синфазирования, расположенные на одном валу. Узел передачи энергии 1 (фиг. 1) выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой упомянутого узла, а роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока. Основным назначением узла является передача энергии в роторную цепь двигателя, чем и определяются продольные размеры этого узла. Двигательный узел составлен из полого цилиндрического внешнего магнитопровода 2 статора, несущего на себе секционированную обмотку возбуждения 3, расположенную по внутренней образующей магнитопровода статора: в пазах на внутренней поверхности магнитопровода 2. Электродвигатель снабжен магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов. Скобообразные магнитопроводы 4 первого ряда расположены параллельно оси двигателя в радиальных плоскостях, при этом каждый из них расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода 2 статора двигательного узла, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки возбуждения 3 статора. Ротор двигательного узла, выполненный в виде внутреннего цилиндрического магнитопровода 6, отделенного от статора воздушным зазором, снабжен втулкой 5 из немагнитного материала. Между втулкой 5 и цилиндрическим магнитопроводом 6 установлены кольца 8 и 9, каждое из которых составлено из скобообразных магнитопроводов (пластин) 10 (фиг. 2), изолированных между собой немагнитными изоляторами 11. Кольца закреплены фиксирующими фланцами 7. Торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел. На полом цилиндрическом магнитопроводе 6 в пазах расположены роторная обмотка 12, имеющая тороидальную намотку, а ее секции расположены в радиальных плоскостях. Для вывода соединительных концов роторной обмотки 12 двигательного узла в полукольце 9 имеются пазы 18 (фиг. 11). Магнитная система узла синфазирования электрического двигателя составлена из двух, расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, из которых внешний магнитопровод 13 расположен на статоре, а внутренний магнитопровод 14 на немагнитной втулке 15, закрепленной на валу двигательного узла. В радиальных плоскостях внешнего магнитопровода 13 расположена статорная синфазирующая обмотка 16, а в радиальных плоскостях внутреннего магнитопровода 14 роторная синфазирующая обмотка 17, т. е. указанные обмотки имеют тороидальную намотку. Радиальная плоскость секции статорной синфазирующей обмотки 16 совпадает с плоскостью симметрии секции обмотки возбуждения 3 магнитопровода статора двигательного узла (фиг. 6). Секции статорных обмоток 3 и 16 двигательного узла и узла синфазирования соединены между собой. Роторная цепь электрического двигателя образована последовательным соединением роторной обмотки 12 двигательного узла, роторной обмотки 17 узла синфазирования и роторной (вторичной) обмотки узла передачи энергии 1 (фиг. 4). Работа двигателя основана на взаимодействии двухконтурной системы токов с несимметричным замыканием магнитного потока и синфазированного с пространственным распределением роторной нагрузки магнитного поля возбуждения при электромагнитной развязке контуров обмотки возбуждения и роторной цепи. Применение двухконтурной обмотки ротора с тороидальной намоткой в совокупности с магнитным коллекторным узлом дает возможность сложения полей возбуждения и роторной нагрузки при исключении электромагнитной связи контуров (магнитное поле возбуждения распространяется радиально, т.е. не пересекая контура обмотки ротора (фиг. 11 и 13). Для сохранения электромагнитной картины поля роторной нагрузки для двухконтурной системы обмоток ротора применено несимметричное замыкание магнитного потока (сравнить фиг. 7 и 8), что обеспечено отсутствием магнитопроводящих материалов в пространстве внутри роторного цилиндрического магнитопровода 6 (втулка 5 и изоляторы 11 из немагнитного материала), ослабляющее симметричную (статорной ветви, фиг. 2, 7 и 8) ветвь замыкания магнитного потока практически до нудя, вследствие чего двухконтурная система становится эквивалентной одноконтурной системе с симметричным замыканием (фиг. 7 и 8). Синфазирование, т.е. полное соответствие (в отличие от асинхронного двигателя) пространственного распределения роторной нагрузки и магнитного поля возбуждения осуществляется с помощью узла синфазирования, представляющего собой, по существу, трансформатор тока для преобразования вращающегося магнитного поля, в котором задающей является роторная обмотка (фиг. 7). Поскольку по основному свойству трансформатора тока намагничивающие силы обмоток узла синфазирования (статорной и роторной) противоположны в пространстве (электромашинный аналог измерительного трансформатора тока), распределение роторной нагрузки копируется в обмотке возбуждения, секции которой соединены с секциями статорной синфазирующей обмотки (фиг. 9, 10 и 11). Секции обмотки возбуждения, имеющие общий контур со статорными обмотками узла синфазирования и имеющие ортогональную относительно них ориентацию, возбуждают в скобообразных магнитопроводах, цепь которых замыкается через цилиндрические полые магнитопроводы ротора и статора (в радиальном направлении) и магнитный коллектор, индукцию магнитного поля возбуждения, вращающуюся в пространстве синфазно с вращающейся токовой нагрузкой (фиг. 11 и 13). Магнитное поле возбуждения, взаимодействуя с двухконтурной системой роторной обмотки, создает электромагнитный момент; общая картина их взаимодействия общеизвестна и иллюстрируется в данном случае фиг. 13. Работа предлагаемого двигателя в статическом режиме представляется следующим образом. Узел передачи электрической энергии при наличии скольжения трансформирует в роторной обмотке систему ЭДС, поскольку секции роторной обмотки узла передачи энергии соединены с соответствующими секциями роторной обмотки двигательного узла и узла синфазирования, по ним потечет система токов, параметры которой определяются скольжением и параметрами роторной обмотки двигателя. Пространственное распределение токовой нагрузки ротора с помощью узла синфазирования трансформируется в магнитное поле возбуждения, синфазированное с токовой нагрузкой ротора. Двухконтурная обмотка ротора двигательного узла взаимодействует с магнитным полем обмотки возбуждения, возбуждая электромагнитный момент. При этом за счет синфазирования токовой нагрузки и магнитного поля возбуждения противомомента, характерного для любого режима (кроме x.x.) синхронного двигателя, не возникает. По поводу режима холостого хода: по типу электромагнитного взаимодействия предложенный двигатель имеет характеристики, близкие к характеристикам двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ток обмотки возбуждения пропорционален току нагрузки) с той разницей, что точка холостого хода предлагаемого двигателя будет обусловлена свойствами узла передачи энергии: при скорости ротора, равной синхронной, роторная цепь перестает получать энергию, а при увеличении скорости возникает тормозной момент.Формула изобретения
Электрический двигатель, содержащий аксиально установленные в одном корпусе двигательный узел и узел передачи энергии с первичной обмоткой, расположенной на его внешнем магнитопроводе и подключенной к источнику переменного тока, и вторичной обмоткой, расположенной на его внутреннем магнитопроводе, закрепленном на валу двигательного узла, составленного из полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора с обмоткой, секции которой расположены по внутренней образующей магнитопровода статора, и отделенного от него воздушным зазором внутреннего цилиндрического магнитопровода ротора с обмоткой, секции которой соединены с секциями вторичной обмотки узла передачи энергии, отличающийся тем, что узел передачи энергии выполнен в виде асинхронного двигателя, статорная обмотка которого является первичной обмоткой, а роторная обмотка вторичной обмоткой узла передачи энергии, секции которой выполнены с диаметральной намоткой, и снабжен узлом синфазирования, установленным в корпусе аксиально упомянутым узлам, втулкой из немагнитного материала, закрепленной на валу двигательного узла, магнитопроводом обмотки возбуждения, выполненным в виде двух рядов скобообразных магнитопроводов, каждый магнитопровод одного ряда расположен вдоль наружной образующей полого цилиндрического внешнего магнитопровода статора, сопрягаясь с ее частью, ограниченной контуром секции обмотки статора, выполняющей функции обмотки возбуждения, скобообразные магнитопроводы второго ряда совместно с разделяющими их немагнитными изоляторами собраны в кольцо, установленное между немагнитной втулкой и полым цилиндрическим магнитопроводом ротора и закрепленное фиксирующими фланцами, причем торцевые части скобообразных магнитопроводов статора и ротора двигательного узла сопряжены через воздушный зазор, образуя магнитный коллекторный узел, роторная обмотка двигательного узла выполнена тороидальной, а ее секции расположены в радиальных плоскостях на цилиндрическом полом магнитопроводе ротора, магнитная система узла синфазирования составлена из двух расположенных один в другом и разделенных воздушным зазором цилиндрических полых магнитопроводов, внешний из которых расположен на статоре, а внутренний на немагнитной втулке, установленной на валу двигательного узла, в радиальных плоскостях на указанных магнитопроводах расположены синфазирующие обмотки, выполненные с тороидальной намоткой, причем плоскости секций статорной синфазирующей обмотки совпадают с плоскостями симметрии секций обмотки возбуждения двигательного узла, соединенной последовательно со статорной синфазирующей обмоткой узла синфазирования, секции роторной обмотки которого соединены последовательно с секциями роторных обмоток двигательного узла и узла передачи энергии, находящимися в одной с ними плоскости.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13www.findpatent.ru
