Анатолий Томилин - Мир электричества

Динамо-машина Грамма с кольцевым якорем

Динамо-машина фирмы «Сименс и Гальске» с барабанным якорем

Чтобы представить себе гонку новых изобретений, напомним, что на том же заседании члены Королевского общества выслушали еще один доклад на электротехническую тему. Их коллега Чарлз Уитстон профессор физики Лондонского Королевского колледжа рассказал о параллельном соединении обмоток электромагнитов с цепью якоря. Позже такой генератор получит название шунтовой машины и будет признан более совершенным, но это произойдет лишь лет через десять…

Одним из недостатков первых электрических машин являлась сильная пульсация вырабатываемого тока и быстрый перегрев. Не свободен был от этих недостатков и генератор Сименса и Гальске с двух-Т-образным якорем. Сименс понимал это и поставил перед своими сотрудниками задачу усовершенствовать конструкцию якоря.

В то время во Франции на заводе уже знакомой нам «Компании Альянс» работал столяром Зекоб Теофил Грамм. Занимался он работами по изготовлению электрогенераторов для питания осветительных установок и был, как выяснилось позже, весьма предприимчивым человеком. В июне 1870 года вместе с техником той же фирмы Эрдлем Луи Шарлем д'Ивернуа Грамм выправил патент на генератор с самовозбуждением, имеющий кольцевой якорь, но без зубцов. На кольцевой сердечник наматывалась замкнутая обмотка, соединенная с коллекторными пластинами.

Слово «коллектор» взято из латыни и означает «собиратель». Коллектор электрической машины не что иное, как совокупность изолированных друг от друга пластин, расположенных на якоре машины. Пластины присоединены к катушкам обмоток ротора, и по ним скользят токосъемные щетки, обеспечивая неподвижный контакт с подвижным якорем.

Машина Грамма оказалась весьма удачной. Пульсация вырабатываемого тока стала меньше. Кроме того, изобретатель писал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может набираться из отдельных проволок, что уменьшит потери мощности на его нагревание. Эти преимущества были настолько явными, что вскоре динамо-машины Грамма сильно потеснили на рынке генераторы других типов.

Чтобы выдержать конкуренцию новых генераторов Грамма, Сименсу следовало внести в свою конструкцию какие-то усовершенствования, но так, чтобы оградить себя от патентных исков. Это удалось сделать главному инженеру его фирмы Фридриху Гефнер-Альтенеку. Известно, что чем большая поверхность якоря проходит под полюсом электромагнита, тем индукционный ток в нем больше. Гефнер-Альтенек вытянул кольцо Грамма в цилиндр, сделал его в виде барабана, внес еще некоторые изменения, и… предприятие «Сименс и Гальске» приступило к выпуску новых «собственных» генераторов.

Серьезной проблемой для электротехников являлось конструирование магнитной цепи электрической машины. Большинство делали ее «на глазок». Никаких методов расчета не существовало. Но использование большого количества железа означало значительные потери на нагрев вихревыми токами. А если железа оказывалось мало – страдал магнитный поток.

Александр Григорьевич Столетов (1839–1896)

В 1872 году доцент Московского университета Александр Григорьевич Столетов представил для защиты докторскую диссертацию «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Работая в лаборатории Густава Кирхгофа в Гейдельберге и у Вильгельма Вебера в Геттингене, Столетов проделал множество опытов. В 1872 году он впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля магнитная восприимчивость железа сначала возрастает, а потом начинает уменьшаться, и снял кривую магнитной проницаемости ферромагнетика (так называемую «кривую Столетова»).

Вильгельм Эдуард Вебер – немецкий физик, член-корреспондент Берлинской академии наук. Его основные работы посвящены электромагнетизму.

В 1833 году он вместе с Карлом Гауссом построил первый в Германии электромагнитный телеграф. Затем сделал несколько чрезвычайно важных и интересных теоретических работ. И в 1854 году выдвинул теорию магнитных диполей – элементарных магнитов. В 1871 году Вебер построил первую электронную модель атома и предположил его планетарную структуру.

В 1880 году немецкий физик, член Берлинской академии наук Эмиль Габриэль Варбург открыл явление магнитного гистерезиса.

Гистерезис – термин происходит от греческого слова «отставание». Магнитный гистерезис – это явление запаздывания намагниченности вещества от вызывающей его напряженности магнитного поля. При циклическом изменении напряженности магнитного поля изменение намагниченности изображается петлей гистерезиса.

Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891)

Он доказал, что циклическое перемагничивание железа связано с потерями механической, а следовательно, и электромагнитной энергии. А проявляются эти гистерезисные потери в нагреве. В 1881 году Варбург нашел связь между этими потерями и площадью гистерезисной петли. А американский электротехник Чарлз Протеус Штейнмец предложил эмпирическую формулу для определения этих потерь. Теперь конструкторы смогли перейти хотя бы к примерному расчету, а следовательно, и к более строгому проектированию. До того конструирование электромагнитов за рамки интуиции изобретателей не выходило. И это, естественно, сдерживало развитие новой техники.

В 1880 году американский промышленник Хайрам Максим, изобретатель автоматической винтовки, скорострельной пушки и станкового пулемета, а также известной модели самолета, предложил усовершенствовать зубчатый якорь Пачинотти, просверлив в нем внутренние каналы для вентиляции. А американский электротехник Томас Алва Эдисон в том же году запатентовал якорь, набранный из отдельных пластин, изолированных друг от друга листами бумаги.

Петля гистерезиса для ферромагнетика

Динамо-машина Эдисона с нижним расположением якоря

Так, к концу 80-х годов динамо-машина получала все более и более совершенную конструкцию. В дальнейшем электрические машины постоянного тока в основном наращивали мощность и увеличивали диапазон регулирования частоты вращения. Принципиальных изменений в их конструкции уже не происходило. Строили их в основном по индивидуальным проектам или незначительными партиями. И это тормозило их распространение.