Электродвигатель по праву считается одним из важнейших изобретений, изменивших историю человечества. Современный транспорт вроде поездов или электромобилей, а также все промышленное производство без него не могли бы существовать.
Достаточно зайти на любой современный завод и убедиться, что там используются сотни и тысячи асинхронных и синхронных ЭД самых разных конфигураций и мощностей. Компрессоры, вентиляционные установки, конвейеры, насосы, станки — всего и не перечесть.
Давайте посмотрим, как появились электродвигатели переменного и постоянного тока.
С чего все началось
Начнем с базы. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед своим опытом перевернул мир физики. Ученые того времени считали, что электричество и магнетизм — два разных явления. Но Эрстед заметил, что при протекании тока по проводу магнитная стрелка послушно отклонялась. На основе эксперимента он предположил, что поток электричества по проводу создает вокруг него магнитное поле — теории 17-18 веков были опровергнуты.
В 1820-1827 годах Андре-Мари Ампер провел еще серию экспериментов и установил, что протекание токов в двух проводниках приводит к их взаимодействию — они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Ампер не только увидел это, но и вывел формулу, позволяющую определить силу взаимодействия проводников. Параллельные эксперименты Био и Савара по изучению электромагнитной индукции привели к открытию новой формулы и закона.
Но по-настоящему ключевым моментом стала работа Майкла Фарадея. В 1821 году он взялся изучить опыты своих коллег по электромагнетизму. Результатом стал интересный эксперимент — первое преобразование электрической энергии в механическую.
Суть была простой: есть стеклянный сосуд со ртутью — неплохим проводником электричества. В центр емкости помещался постоянный магнит так, чтобы один из его полюсов располагался над поверхностью. Дальше Фарадей создал электрическую цепь из гибкой проводящей проволоки и пластины, опущенной в сосуд, и подключил к источнику электричества — вольтову столбу.
Когда ток начинал протекать через пластину, ртуть и проволоку, вокруг последней образовывалось круговое магнитное поле. Оно взаимодействовало с полем постоянного магнита и отталкивалось от него, вращаясь по кругу. Сейчас повторить опыт может любой желающий.
Практической пользы от эксперимента было немного. Зато предприимчивый друг Фарадея начал собирать такие «двигатели» и продавать их как игрушки. И всё же ученого не оставляла мысль: «Если электричество порождает магнетизм, то верно ли обратное?».
Целая цепь экспериментов и исследований привели к тому, что 29 сентября 1831 года Фарадея провел свой знаменитый эксперимент с кольцом, открыв явление электромагнитной индукции.
Вот как все работало: есть железное кольцо, вокруг которого намотано два отрезка проволоки с обеих сторон. Сами отрезки не соединяются между собой, они расположены на расстоянии около 10 см друг от друга — в качестве изолятора служит хлопок. С одной стороны подключалась батарея конденсаторов, с другой — чувствительный гальванометр конструкции Леопольда Нобили.
Когда конденсаторы разряжались через первый контур, во втором начинал протекать электрический ток — появление магнитного поля точно фиксировал гальванометр. Причем ток во вторичной обмотке протекал только в момент разряда, а не постоянно.
Получалось, что изменение тока в первичной обмотке порождало магнитное поле, которое в свою очередь приводило к появлению тока во вторичной обмотке. Все действительно оказалось взаимосвязано.
Получается, что если постоянно изменять электромагнитное поле, на выходе можно получать ЭДС. Но как этого добиться? Для этого Фарадея использовал две вещи, известные уже тысячи лет: колесо и постоянный магнит.
Ученый взял медный диск и поместил его между разными полюсами магнита. А чтобы получить замкнутую цепь, в которой будет протекать ток, он соединил ось диска и край через простейшие токосъемники. При вращении диска магнитный поток порождал ЭДС, и стрелка гальванометра постоянно отклонялась от нулевой отметки.
В 1833 году наш выдающийся ученый Эмилий Христианович Ленц изучил опыты Фарадея с диском и вывел знаменитый закон, позволяющий определить направление индукционного тока. Вот как он звучит: «Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток». Очень логичное и емкое умозаключение, ведь в природе любая система не любит изменений и сопротивляется, если с ней что-то пытаются сделать.
После этого Ленц еще установил, что электрические машины обратимы — генератор может выступать двигателем и наоборот. Конечно, в реальности такая обратимость не совсем эффективна, но не суть. Поэтому дальнейшие разработки электродвигателей и электрогенераторов будут идти параллельно на протяжении всего XIX века.
Первые двигатели постоянного тока
В 1832 году некий мастер инструментов из Парижа Ипполит Пикси изучил работы Майкла Фарадея по электромагнитной индукции, представленные Королевскому обществу за год до этого. Пикси решил: «А зачем вращать диск относительно магнитов и потом снимать с него ток? Это же неэффективно!». Вместо этого он стал вращать подковообразный магнит мимо катушек с железным сердечником.
Каждый раз прохождение магнита порождало в катушке импульс тока — вроде все отлично. Проблема была в том, что при прохождении другого полюса магнита направление тока менялось на противоположное. То есть Пикси получил переменный ток — и на тот момент он никому не был нужен. Научное сообщество считало, что будущее только за «постоянкой».
Тогда по предложению хорошо всем известного Андре-Мари Ампера в устройство добавили выпрямитель тока — коллектор. Он представлял собой пластину с воздушным зазором, состоящую как бы из двух частей. Она непрерывно терлась о контактные щетки-токосниматели.
Каждый раз, когда направление тока должно было смениться на противоположное при прохождении другого полюса магнита, контакты пластины перекидывались — отрицательная полуволна инвертировалась. На выходе получался пульсирующий постоянный ток. А с добавлением второй пары контактов, смещенных на 90 градусов, ток сглаживался еще сильнее. Если провести аналогию, то чем-то это напоминает выпрямительный диодный мост.
В 1833 году английский изобретатель Уильям Стерджен понял, что раз генератор постоянного тока работает, а процессы в электрических машинах обратимы, как сформулировал Ленц, то можно создать и первый электродвигатель. В нем применялся тот же самый коллектор и 4 обмотки, которые обеспечивали равномерное вращение при питании постоянным током от батареи.
Однако двигатель Стерджена не нашел массового применения из-за слишком малой выходной мощности. Изобретатель больше прославился как создатель первого электромагнита в 1832 году. А право зваться отцом двигателя постоянного тока принадлежит другому нашему соотечественнику немецкого происхождения Борису Семеновичу Якоби (нем. Мориц Герман фон Якоби).
В 1834 году он показал действующую конструкцию, которая могла поднимать груз массой 4 кг со скоростью до 0,3 м/с. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, а вал вращался с частотой порядка 120 оборотов в минуту.
Конструкция по многом опередила свое время. Двигатель состоял из двух групп электромагнитов по 8 стержней с магнитопроводами из мягкого железа. Половина располагалась на вращающейся части — роторе, а другая на неподвижной раме статора. Магниты располагались под прямым углом так, что полюса находились точно друг напротив друга.
Для переключения обмоток использовался оригинальный коммутатор из четырёх металлических колец, установленных на валу и изолированных от него. Каждое кольцо с четырьмя вырезами по одной восьмой части окружности, заполненными изолирующими вкладками, было смещено на 45 градусов по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг, представляющий собой своеобразную щетку, второй конец которого был погружен в сосуд со ртутью, соединённый проводниками с гальванической батареей. С помощью коммутатора за один оборот вала в электромагнитах ротора изменялось направление тока — они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами статора.
Получился почти что классический современный двигатель постоянного тока со щеточно-коллекторным узлом. При этом новаторство Якоби состояло в том, что он вообще отказался от постоянных магнитов из-за слабой индукции и потери со временем намагниченности в пользу электромагнитов. Напомним, что постоянные магниты из редкоземельных металлов появились только спустя 150 лет. Кстати, есть отличное видео, поясняющее принцип работы двигателя постоянного тока.
После демонстрации электродвигателя в Парижской Академии наук для Якоби наступают счастливые времена: его приглашают работать во многих странах мира и чествуют как гениального изобретателя. Он принимает предложение из Российской империи и переезжает в Санкт-Петербург. Там он занимается решением насущной проблемы: как создать электродвигатель, мощности которого хватит для перевозки людей по воде?
В 1838 году, после многочисленных испытаний у Якоби наконец получается. 40 двигателей, расположенных на двух параллельных валах, через конические передачи вращают гребные колеса лодки. Она перевозила 14 пассажиров со средней скоростью 3 км/ч — питание обеспечивали 320 усовершенствованных гальванических элементов общим весом почти 200 кг. К сожалению, создать что-то более мощное он не смог и констатировал:
«Сейчас энергия пара намного дешевле и эффективнее электрической»
Хотя Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока, первый патент на него получил Томас Дэвенпорт в 1837 году. Работая параллельно с нашим изобретателем, он и его жена Эмили Дэвенпорт предложили несколько иную конструкцию. Четыре катушки ротора располагались под углом 90 градусов, а статор представлял собой два постоянных магнита в форме полуокружностей, закрепленных на деревянной подставке. Ток от гальванической батареи подводился снизу через медные пластины с пружинящими контактами коммутатора.
Интересно, что Дэвенпорты сумели в 1840 году усовершенствовать свой двигатель и приспособить его для модели поезда. Он демонстрировал радостной публике, как небольшой локомотив ездил по железной дороге диаметром 1,2 метра. Однако пассажиров, в отличие от двигателя Якоби, он явно не потянул бы.
В тот период многие изобретатели принялись разрабатывать все новые конструкции. Например, Соломон Симпсон запатентовал двигатель для токарного станка, а Пейдж и Бурбуз предложили вообще иную конструкцию. Их двигатели работали по принципу периодического втягивания сердечника в соленоид: возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращение кривошипно-шатунным механизмом. Однако все эти конструкции и им подобные были малоэффективны.
Следующим важнейшим шагом в развитии электродвигателей стала работа Вернера фон Сименса. Выдающийся немецкий промышленник прославился прежде всего тем, что в середине XIX века модернизировал телеграф и прокладывал десятки тысячи километров кабелей по морскому дну. Но со временем обратил внимание и на генерацию электричества для своих устройств.
На тот момент генераторы работали по следующему принципу: на статоре располагались постоянные магниты, а обмотка — на роторе. Когда какая-то сила вращал вал и обмотки ротора, в нем наводилось ЭДС из-за магнитного поля статора. Ток снимался при помощи коллектора, о котором мы говорили выше, а выходное напряжение при увеличении нагрузки регулировалось центробежным регулятором Уатта, изменяющим расстояние между щетками.
Однако у таких устройств были существенные недостатки:
Большой размер — например, популярные в то время генераторы «Альянс» развивали мощность всего 700 Вт при весе 2 тонны — в статоре было 50 огромных магнитов.
Постоянные магниты из-за вибрации и нагрузки теряли намагниченность — в результате эффективность генератора падала. Единственным выходом была полная замена магнитов на новые.
В 1864 году английский изобретатель Генри Уайлд предложил другую идею: заменить постоянные магниты на электромагниты. Если пропускать по ним ток в так называемой обмотке возбуждения, то будет создаваться более мощный магнитный поток, не зависящий от вибрации или времени. А для того, чтобы подать ток, Уайлд предложил внешний возбудитель: небольшой генератор прямо на валу ротора.
Но Вернер фон Сименс хотел уйти от постоянных магнитов вовсе. В 1867 году он представил свою динамо-машину, совершившую революцию в генерации электрической энергии:
Обмотки теперь укладывались через изолятор в специальные пазы двойного Т-образного якоря — это увеличило прочность, что позволяло теперь работать при большей центробежной силе, и следовательно, при более высокой частоте вращения.
Сименс отказался от постоянного магнита в пользу так называемого самовозбуждения. Для этого обмотка возбуждения теперь соединялась параллельно с обмотками якоря через реостат (поначалу использовалась схема с последовательным возбуждением, но она показала себя малоэффективной).
Идея самовозбуждения состоит в том, что у стальных сердечников статора есть некоторая остаточная намагниченность — всего 1-2% от рабочего магнитного потока. Но этого хватало, чтобы при начале вращения вала ротора в обмотке возбуждения появлялось небольшое напряжение, которое как бы «подхватывалось» и усиливалось за счет положительной обратной связи. При этом реостат позволял легко регулировать ток возбуждения, и, следовательно, выходное напряжение.
В 1870 году конструкцию генератора улучшил инженер Зеноб Теофил Грамм, работавший на Сименса — он заменил Т-образную форму якоря на кольцевую в виде полого цилиндра. Теперь можно было увеличить количество обмоток, соединяющихся с коллектором, и максимально сгладить выходные пульсации. По сути эта же конструкция стала прообразом неявнополюсных роторов в синхронных машинах — здесь можно прочитать подробнее про их отличие от явнополюсных.
Начался массовый выпуск и продажа динамо-машин Сименса. Передовые технологии, применяемые в электрогенераторах, перекочевали в двигатели. Теперь они создавались более мощными и совершенными и запитывались не от гальванических батарей, как делали Якоби и Дэвенпорт.
Например, в 1881 году на Международной электрической выставке тот же Вернер фон Сименс представил проект электрического трамвая. Он работал от напряжения в 150 В и разгонялся до 6,5 км/ч при мощности в 3 л.с. Масса локомотива составляла четверть тонны, при этом он еще возил до четырех вагонов с шестью посадочными местами каждый.
Появлялись первые лифты, электромолотки, вентиляторы, транспорты и много чего еще, работающее от постоянного тока. К 1887 году американские производители продавали до 10 000 двигателей и генераторов в год. Тогда же появились универсальные коллекторные двигатели, которые по сути могли работать и на постоянном, и на переменном токе — но это изобретение оценили уже только в будущем.
Двигатели постоянного тока (ДПТ) активно применяются и сейчас. Например, в тех же электроинструментах, различном транспорте (автомобилях, поездах и так далее) или в небольших исполнительных механизмах — например, такие вибрирующие ДПТ диаметром всего 4 мм массово применяются в смартфонах.
ДПТ обладают высоким пусковым моментом, а обороты регулируются без преобразователей частоты путем изменения напряжения в обмотках возбуждения. Проблему же истирания щеточно-коллекторного узла решило появление мощных постоянных магнитов из редкоземельных металлов и развитие полупроводников.
Однако к концу XIX века на сцену вышли Никола Тесла и Михаил Доливо-Добровольский и показали миру преимущества сетей и двигателей переменного тока.
Появление двигателей переменного тока
Помните про работу Ипполита Пикси, который в 1832 году создал генератор переменного тока? Так вот некоторые исследователи полагали, что у этого изобретения и в целом «переменки» есть неплохой потенциал. В 1879 году английский изобретатель Уолтер Бейли создал двигатель на базе четырех электромагнитных катушек, расположенных под углом 90 градусов. Он подавал на них напряжение поочередно — это приводило к вращению медного диска, увлекаемого за магнитным потоком катушек.
В лабораторном опыте он производил переключение с помощью хитроумного коммутатора, но важнее были его выводы:
«Вращение диска обусловлено вращением магнитного поля, в котором он подвешен; и мы должны ожидать, что если бы подобное движение поля можно было вызвать любыми другими способами, результатом было бы аналогичное движение диска».
Но как сделать так, чтобы электромагнитное поле изменялось без сложных устройств коммутации? В 1885 году итальянский исследователь Галилео Феррарис нашел ответ: использовать переменный ток, совместив идею Бейли и открытие Пикси. Он представил свою работу два года спустя в Туринской Академии наук и сформулировал базовые принципы:
На обмотки статора подается переменный синусоидальный ток, получаемый с простейшего генератора — для этого достаточно не использовать коллекторный выпрямитель, предложенный еще Ампером.
В статоре есть две катушки, расположенные под углом 90 градусов — ток протекает через них со сдвигом в четверть периода. Это приводит к тому, что в замкнутом контуре ротора создается собственное магнитное поле без непосредственного электрического контакта. Два поля взаимодействуют — ротор вращается.
В качестве ротора он использовал полый медный цилиндр. А для того, чтобы создать смещение фаз в однофазной сети на 90 градусов, он использовал разное число витков в секциях и провода разного диаметра так. В 1890 году французские инженеры Морис Хитин и Морис Леблан предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор — собственно, так сейчас и работают конденсаторные двигатели. Правда, габариты конденсатора сопоставимы с размерами самого двигателя, а его емкость рассчитана только на определенную частоту вращения — это неудобно.
Феррарис считал, что никакого промышленного значения у его открытия нет, поэтому не заморачивался патентами. Он наивно полагал, что будущее за машинами постоянного тока, которые в тот момент уже массово распространились. В этом была огромная заслуга не только Вернера фон Сименса, но и Томаса Эдисона.
На тот момент великий изобретатель активно продвигал свои лампы накаливания, работающие от постоянного тока, и строил под них электростанции. С 1884 года у него начал работать скромный инженер с Балканского полуострова по имени Никола Тесла.
Надо отметить, что Никола создал свой первый двигатель переменного тока еще в 1883 году и уже тогда видел ключевые преимущества. Например:
Не нужно использовать сложные коммутаторы — система станет проще и надежнее, ведь не нужен прямой электрический контакт между статором и ротором. Можно будет забыть про износ щеток, искрение, помехи и прочие «прелести».
Переменный ток проще передавать на большие расстояния: достаточно использовать повышающие трансформаторы, и потери в проводах из-за малых токов будут значительно меньше. Другая альтернатива — использовать более толстые провода с меньшим сопротивлением — приводила к увеличению стоимости электрификации.
Забавно то, что Эдисон поручил фанату переменного тока заниматься обслуживанием и совершенствованием машин постоянного тока, на которых строился его бизнес. Проработав чуть больше года, Тесла уволился — до сих пор ходят споры, что послужило реальной причиной. Но кажется, что это и не так важно.
С 1886 по 1888 год Никола Тесла патентует несколько своих изобретений, важнейших для истории человечества: генератор переменного тока, двигатель переменного тока и еще около 40 патентов, связанных с передачей переменного тока.
Надо отметить, что Тесла полностью разделял мысль Галилео Феррариса о том, что вращение должно создаваться в двухфазных сетях — все патенты относятся именно к ним, в противовес появившимся тогда репульсионным двигателям Томпсона, рассчитанным на однофазную сеть. Причем он предусмотрел разные конструктивные исполнения электродвигателей, которые применяются и сейчас.
Вот как это работает:
В положении ON обмотки ротора запитывались постоянным током от внешнего генератора через щетки. Тогда получалось, что в роторе появлялось постоянное магнитное поле, движущееся за переменным магнитным полем статора, на которое подавалось напряжение от двухфазной сети. По сути, это современный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением, но немного упрощенный. Вот как работает синхронный двигатель для общего понимания.
В положении OFF обмотка ротора закорачивается. В этом случае получается классический асинхронный двигатель, в котором частота вращение ротора всегда будет меньше, чем частота изменения магнитного поля. Это связано с так называемым скольжением, поскольку если скорости будут равны, то изменение магнитного потока будет равно 0 по закону Фарадея — ротор начнет замедляться. Скольжение зависит как от нагрузки, так и конструктивных особенностей — но это тема для отдельной статьи.
Никола Тесла пошел дальше и предложил подключить выведенные обмотки ротора к реостату. Регулируя его сопротивление, можно изменять пусковой момент и регулировать частоту вращения двигателя. В 1889 году он запатентовал асинхронный двигатель с фазным ротором — вот как он работает в современном варианте.
Дальше выдающийся промышленник Америки и по совместительству конкурент Эдисона — Джордж Вестингауз выкупил все 40 патентов Тесла за 1 млн долларов и взял его на работу. Вплоть до 1893 года шла так называемая «война токов», закончившаяся тем, что Вестингауз победил и построил три двухфазных генератора переменного тока. На Ниагарской гидроэлектростанции установили три генератора двухфазного тока по 5 000 л. с. каждый.
В 1896 году эта самая крупная в мире ГЭС на тот момент имела мощность уже 50 000 л. с. Этот период противостояния Эдисона и Вестингауза подробно описан здесь, а еще про него есть неплохой фильм с Камбербэтчем. К началу XX века переменный ток уже вытеснил постоянный, хотя кое-где в США он просуществовал аж до 1928 года.
Заключительный шаг в развитии двигателей переменного тока сделал российский инженер Михаил Доливо-Добровольский. В 1887 году он начал работать в фирме AEG и ознакомился с патентами Тесла и работой Феррариса. Ему в голову пришла мысль: а зачем использовать двухфазные сети и двигатели? Это же непрактично: можно попробовать сделать трехпроводную сеть.
Он быстро понял, какие это даст преимущества:
Для подключения двухфазной сети нужно 4 провода: по два на каждую фазу. В случае трехфазной сети хватит и трех — ток будет перетекать из одного провода в другой, симметрично распределяясь. Соответственно, при прокладке тратится больше меди.
Обмотки в роторе и статоре располагались под углом 120 градусов — это обеспечивало лучший магнитопоток, чем в двигателях Тесла и более стабильное вращение.
В 1888 году он построил трехфазный генератор мощность около 3 кВт, а год спустя — трехфазный электродвигатель. При этом он значительно упростил конструкцию ротора: вместо того, чтобы мучиться с укладыванием обмоток в пазы, он предложил сделать «беличью клетку». Она представляла собой стальной цилиндр, набранный из металлических пластин для уменьшения потерь на токи Фуко. По периметру в специальных каналах располагались медные стержни, соединявшиеся друг с другом с торца.
Получился тот же короткозамкнутый ротор, но который было намного проще изготовить — а значит, он был дешевле, да еще и надежнее из-за отсутствия обмотки ротора. Чуть позже инженер понял, что для снижения пульсаций магнитного потока нужно укладывать стержни под углом. Шесть выводов с обмоток (по два на каждую фазу) он соединял по нужной схеме (звезду или треугольник) и подключал к трехфазной сети от генератора.
В 1890 году он продемонстрировал работу генератора и двигателя, а в 1891 году спроектировал трехфазные трансформаторы. В том же году AEG строит первую трехфазную линию электропередачи протяженностью 175 км от Лауффена до Франкфурта-на-Майне. Она смогла передать энергию с КПД 75% от генератора ГЭС мощностью 190 кВт.
Спустя несколько лет трехфазная сеть уже стала стандартом — в том числе ее использовал Вестингауз на ГЭС Ниагарского водопада. Это привело к целой серии судебных процессов между AEG и Westinghouse Electric в отношении патентов Тесла, но про это мы поговорим в другой статье.
Главные недостатки: высокие пусковые токи и сложность регулирования оборотов, в отличие от фазного ротора. Но эти проблемы сначала решали схемами с механическим переключением звезда-треугольник или изменением количества полюсов, а потом — при помощи частотных преобразователей.
Конечно, дальше появлялись более совершенные модели электродвигателей: бесколлекторные, шаговые и серводвигатели, которые находят применения в своих нишах. Но конструкция с короткозамкнутым ротором, которую придумал Доливо-Добровольский, все-таки остается самой популярной в промышленности из-за простоты, надежности и низкой цены.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
