Ян Шнейберг - История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

Рис. 5.11. Магнитоэлектрический генератор Якоби

Первые генераторы постоянного тока получили название «магнитоэлектрических», в них возбуждение магнитного поля осуществлялось постоянными магнитами. В течение около 30 лет (1831-1851) было создано несколько таких генераторов.

Первым магнитоэлектрическим генератором, получившим практическое применение, был генератор Б.С. Якоби, созданный им в 1842 г. для воспламенения минных запалов в подводных минах (рис. 5.11). При вращении катушек 2 зубчатой передачей в поле неподвижных постоянных магнитов 1 в них наводилась электродвижущая сила. На валу имелось коммутирующее устройство 3 в виде двух полуцилиндров – простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение в русской армии.

Для повышения мощности генераторов изобретатели пытались увеличить количество постоянных магнитов. Так, например, в машине фирмы «Альянс» (1857) было 40 постоянных подковообразных магнитов, расположенных радиально по отношению к валу, и 64 стержня – явнополюсных якоря. На валу генератора укреплялся коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики (рис. 5.12). Масса шестидисковой машины доходила до 4 т, а для вращения вала использовалась паровая машина мощностью 610 л.с. Машина фирмы «Альянс» использовалась для освещения дуговыми лампами, например на маяках. В течение почти 10 лет (1857-1865) было построено около 100 таких машин.

Рис. 5.12. Электрический генератор фирмы «Альянс»:

1 – ряды неподвижных магнитов; 2 – несущие диски с катушками- якорями; J, 4 – коллектор; 5-7 – устройство для смещения роликовых токоприемников; 8, 9 – центробежный регулятор

Использование машины фирмы «Альянс» наглядно показало недостатки магнитоэлектрических генераторов: постоянные магниты быстро размагничивались, стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку, перегревались, разрушая изоляцию, ток, получаемый от генераторов, был резко пульсирующим.

Исследования изобретателей приводят к необходимости отказа от постоянных магнитов и применению независимого возбуждения электромагнитов от постороннего возбудителя – небольшого магнитоэлектрического генератора [например, генератора англичанина Г. Уайльда (1863)]. Использование таких генераторов привело конструкторов к созданию генераторов с самовозбуждением. Открытие принципа самовозбуждения было одним из важнейших на пути создания генератора постоянного тока современного типа.

На примере открытия принципа самовозбуждения еще раз демонстрируется важнейшая закономерность развития науки и техники: новейшие изобретения и открытия осуществляются и внедряются тогда, когда потребность в них вызвана развитием промышленности, торговли и транспорта (в том числе, морского), а возможность их реализации обусловлена достижениями науки и практики.

На возможность использования электромагнитов для возбуждения магнитного поля в электрических машинах впервые указывали независимо друг от друга в начале 50-х гг. XIX в. В. Зинстеден (Германия) и С. Хиорт (Дания). Но их идеи и конструкции были несколько неожиданны и необычны (а главное – не востребованы), что не привлекли особого внимания и были забыты.

Но в конце 60-х гг. уже был накоплен опыт использования электромагнитов с возбудителем, и, как это часто бывало, почти одновременно известные ученые и изобретатели предложили использовать принцип самовозбуждения, и даже разгорелся спор о приоритете.

Наибольшую известность приобрел доклад крупного немецкого ученого, изобретателя и промышленника В. Сименса (1816-1892), представленный им в январе 1867 г. в Берлинскую академию наук. Он утверждал, что даже «небольшого количества магнетизма, который остается… в неподвижном электромагните, достаточно, …чтобы при возобновлении вращения снова получить в цепи ток».

И почти одновременно с ним в феврале 1867 г. известный английский физик У. Уитстон выступил с докладом в Лондонском королевском обществе с описанием принципа самовозбуждения и анализом схем соединений самовозбуждающихся генераторов. Но вскоре обнаружилось, что в декабре 1866 г. был выдан патент английским инженерам братьям К. и С. Вар- лей, а до них в июле 1866 г. англичанин В. Мюррей установил в машине возбудитель, осуществив самовозбуждение генератора. Но еще раньше, в 1861г., талантливый венгерский физик А. Иедлик впервые построил самовозбуждающийся генератор.

Рис. 5.13. Самовозбуждающийся генератор Грамма:

а – общий вид; б – принципиальная схема; в – конструкция кольцевого якоря

Однако «широкую дорогу» новым машинам открыл В. Сименс, возглавлявший известный электротехнический концерн, назвав сомовозбуждавшийся генератор «динамомашиной». В отличие от других изобретателей Сименс обладал достаточными средствами и условиями для производства динамомашин.

Недостатком новых машин оставался так называемый двух- Т-образный якорь, предложенный Сименсом еще в 1856 г.: но он быстро нагревался, вызывая сильное искрение на коллекторе, резкую пульсацию тока и большие магнитные потери. Как уже отмечалось ранее, еще в двигателе Пачинотти был впервые применен кольцевой якорь. Поэтому революционным событием в истории электрических машин явилось объединение принципа самовозбуждения с кольцевым якорем.

Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен в 1870 г. бывшим столяром фирмы «Альянс» З.Т. Граммом (1826-1901), ставшим видным французским специалистом в области электромашиностроения. На станине 1 (рис. 5.13) укреплялись электромагниты 2 с полюсными наконечниками J, между которыми вращался якорь 4. Щетки, укрепленные в специальных держателях, соприкасались с коллектором 5 почти современного типа. Позднее после разработки методов расчета магнитных цепей конфигурация магнитопровода была усовершенствована.

Рис. 5.14. Электрический генератор с барабанным якорем

Машина Грамма являлась машиной постоянного тока современного типа и получила широкое промышленное применение. Открытый Э.Х. Ленцем еще в 1838 г. принцип обратимости электрических машин с успехом стал использоваться в машине Грамма, и она могла работать как в режиме генератора, так и двигателя. С начала 70-х гг. XIX в. пути развития генераторов и двигателей объединились. Вскоре, в 1873 г., немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь более современным – барабанным (рис. 5.14). В последующие десятилетия благодаря успехам в изучении магнитных свойств стали, конструирования обмоток и др. электрическая машина постоянного тока к концу 80-х гг. получила современные конструктивные черты.