Магнитоэлектрические машины с постоянными магнитами

Применение в машинах электромагнитов с независимым возбуждением.

Электрические машины с самовозбуждением и элементарными якорями.

Электрические машины с усовершенствованными якорями и многополюсной магнитной системой.

Первый этап охватывает 1831—1851 гг. За это время электрическая машина из демонстрационного механизма физических и химических кабинетов развилась до промышленной модели, примененной для целей электрохимии и освещения.

Рис. В-1. Первая модель Рис. В-2. Магнитоэлектрическая машина В. Риччи с вывернутым коллектором электродвигателя П. Барлоу

с вывернутым коллектором

Первая техническая модель магнитоэлектрического генератора была построена вскоре после открытия М. Фарадеем закона электромагнитной индукции. Автор модели остался не известен, скрыв свое имя под инициалами П. М.. Этот автор построил модель многополюсной синхронной машины переменного тока с постоянными магнитами, дал идею кольцевого якоря и впервые током магнитоэлектрической машины разложил воду. Основные черты машины П. М. были настолько правильны, что на много лет опередили конструкции машин позднейших изобретателей. После этого начали быстро развиваться синхронные генераторы переменного тока с постоянными магнитами.

В 1832 г. сыновьями изобретателя физических приборов Пикси была построена вращающаяся магнитоэлектрическая машина, к которой было приспособлено коромысло Ампера, выпрямлявшее индуктированный в обмотках переменный ток в пульсирующий ток постоянного направления.

В 1833 г. английский физик В. Риччи построил магнитоэлектрическую машину с вывернутым коллектором, от которой также можно было получить пульсирующий ток. На рис. В-2 дан сделанный Риччи чертеж его машины.

До 1840 г. различные изобретатели строили магнитоэлектрические машины, являющиеся модификациями двухполюсной схемы Пикси с различными конструкциями механизмов для выпрямления тока. Среди них следует отметить машину Э. Кларка (рис. В-3).

Рис. В-3. Магнитоэлектрическая Рис. В-4. Магнитоэлектрическая машина фирмы Кларка «Альянс», сконструированная Хольмсом

Предельной конструкцией магнитоэлектрической машины переменного тока этого периода является машина фирмы «Альянс» (рис. В-4), сконструированная Хольмсом (1855 г.) и применявшаяся для освещения маяков, зданий и для электрохимических целей. Машина Хольмса получила одобрение видевшего ее М. Фарадея.

Характерной чертой второго этапа, к которому следует отнести промежуток времени с 1851 по 1867 г., является переход к машинам с возбуждением электромагнитами. Впервые на возможность применения электромагнитов в машинах указал Риччи в 1833 г. С 1861 до 1867 г. Г. Уайльд технически разрабатывает идею использования в машинах электромагнитов с питанием их от магнитоэлектрической машины.

К этому же периоду времени относится изобретение В. Сименсом двух-Т-образного якоря, запатентованного им в 1856 г., и изобретение Пачинотти кольцевого якоря, построенного в 1860 г. Якорь Сименса улучшил работу магнитоэлектрической машины и стал предвестником зубчатого цилиндрического якоря.

Кольцевой-якорь с пазами, построенный Пачинотти, явился огромным шагом вперед. Но вследствие плохой взаимной информации ученых и техников того времени и низкого уровня промышленного развития Италии изобретение Пачинотти не нашло применения, и к нему вернулись через 10 лет в связи с предложением 3. Грамма.

Третий этап развития характеризуется открытием принципа самовозбуждения и охватывает промежуток времени с 1867 по 1871 г. Принцип самовозбуждения был открыт и совершенно отчетливо сформулирован еще в 1851 г. С. Хиортом, который в 1855 г. построил генератор с самовозбуждением.

В 1867 г. В. Сименс и Ч. Уитстон выступили с предложениями принципа самовозбуждения, а в том же году Максвелл представил Английскому королевскому обществу теоретический доклад о принципе самовозбуждения. В. Сименс, обладая чрезвычайно большой предприимчивостью и техническим предвидением, практически реализовал принцип самовозбуждения и тем самым способствовал мощному развитию электрической машины.

Четвертый этап, явившийся этапом разработки основных элементов конструкции современной электрической машины, охватывает 15 лет — с 1871 по 1886 г. За это время машина постоянного тока приобрела все основные черты современной конструкции. Первым решительным сдвигом в этом направлении было практическое внедрение французским изобретателем Граммом кольцевого якоря Пачинотти (рис. В-5).

Машина Грамма (рис. В-6) была первой промышленной моделью с самовозбуждением, успешно работавшей в эксплуатации.

В 1872 г. Ф. Гефнер- Альтенек предложил разработанный им барабанный якорь, явившийся дальнейшим развитием якоря Сименса и якоря Пачинотти—Грамма.

Рис. В-7. Электрическая машина с барабанным якорем, предложенным Ф. Гефнер-Альтенеком

В 1882 г. Э. Вестон взял патент на двухслойную обмотку для якорей машины по-

стоянного тока. В 1880 г. появилось предложение Т. Эдисона делать якоря машин из листовой стали толщиной 0,4—0,8 мм. Эта конструкция сохранилась в машинах и до наших дней. В 1883 г. Дж. Крег предложил штампованные из листового материала сердечники полюсов для улучшения коммутации. В это же время идет разработка теории электрической машины и производятся исследования различных физических процессов в электрических машинах. В 1886 г. появляется исследование братьев Дж. и Э. Гопкинсон, в котором дается методика расчета магнитной цепи.

В 1876 г. П. Н. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал конструкцию однофазного синхронного генератора для питания изобретенных им свечей переменным током. По своему принципу этот генератор послужил прототипом современных синхронных машин.

Дальнейшее совершенствование синхронных генераторов связано с широким использованием системы трехфазного переменного тока, получившей развитие в конце прошлого столетия благодаря работам замечательного ученого и инженера М. О. Доливо-Добровольского.

Развитие электродвигателей. Параллельно с разработкой генераторов шла разработка электрических двигателей. До 1860—1870 гг. пути развития электродвигателя и генератора были независимы друг от друга. Принцип превращения электрической энергии в механическую, сформулированный в 1822 г. М. Фарадеем, послужил началом конструирования электродвигателя.

Первый период развития электродвигателя с 1822 по 1883 г. может быть разбит на три этапа.

Первый этап, с 1822 по 1834 г. характеризуется построением физических моделей, которые подтверждали принципиальную возможность преобразования электрической энергии в механическую.

Рис. В-8. Модель электродвигателя Ч. Пэджа с возвратно- поступательным движением

Многие ученые и изобретатели стремились в своих двигателях повторить механическую схему работы паровой машины с возвратно-поступательным движением (рис. В-8), следствием чего явились машины, построенные на принципе втягивания железного стержня внутрь соленоида. Примерами таких двигателей являются электродвигатель Д. Генри и позднее, в 1846 г., электродвигатель профессора Ч. Пэджа. По этому принципу (рис. В-8) Ч. Пэджу удалось осуществить в 1851 г. машину мощностью 16 л. с. Поставленный на локомотив и получавший питание от батареи гальванических элементов Грове, двигатель позволил развить скорость до 30 км/ч, чем было положено начало электрической тяге. Переключение направления тока в соленоидах электродвигателя осуществлялось, по аналогии с золотниковым устройством паровой машины, посредством кулачка, переключавшего направление подачи пара на поршень.

Второй этап, с 1834 г. по 1867— 1870 гг., характеризуется попытками построить электродвигатели для практического применения с питанием также от гальванических элементов. В мае 1834 г. русский ученый академик Б. С. Якоби создал многополюсный электродвигатель с вращательным движением якоря, который имел приспособление для переключения тока, являющееся прототипом современного коллектора (рис. В-9).

Рис. В-9. Двигатель Б.С.Якоби с вращательным движением

В 1838 г. двигатель подобного типа, развивавший мощность до 500 вт, был установлен Б. С. Якоби вместе с гальванической батареей из 320 элементов Даниэля на катере, имевшем длину 8,5 м и ширину 2,1 м. Катер с 16 пассажирами мог передвигаться по р. Нейе не только по течению, но и против него, что явилось началом электродвижения судов

В июле 1834 г., несколько позже Б. С. Якоби, но независимо от него, американский изобретатель Т. Дэвенпорт осуществил электродвигатель также с вращательным движением электромагнитов, но имевший по сравнению с двигателем Б. С. Якоби более примитивное переключающее приспособление, построенное на принципе подвода тока через гибкие пружинки.

Третий этап развития электродвигателей занимает промежуток времени с 1867 по 1887 г. В связи с открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание двигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1862 г. Г. Уайльд показал принцип работы синхронного двигателя и синхронное вращение двух электрически связанных при помощи контактных колец якорей постоянного тока. В 1883 г. была опубликована работа Айртона и Пири по вопросу регулирования скорости электродвигателей постоянного тока, в которой впервые были даны основные математические связи между скоростью вращения и электромагнитными величинами. К 1886 г., как и генератор электрической энергии, электрический двигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции.

Хотя постоянный ток и машины постоянного тока отодвигаются постепенно на второй план, но работы по их усовершенствованию не прекращаются. В1891 г.

появилась последовательно-параллельная обмотка Е. Арнольда. Им же впервые устанавливаются общие правила выполнения и формулы обмоток, исследуются вопросы коммутации машин постоянного тока и изучается поведение щеточного контакта. В 1899 г. создается теория коммутации Е. Арнольда и Г. Ми, которая с известными изменениями и дополнениями не потеряла своего значения до настоящего времени.

В связи с выполнением синхронных генераторов переменного тока, применявшихся вначале главным образом для целей освещения, возникает интерес к созданию двигателей переменного тока. В 1886 г. Э. Томсон предложил схему репульсионного однофазного двигателя, но ряд практических затруднений не дал возможности этой машине сделаться достаточно конкурентоспособной с двигателем постоянного тока. Новый тип преобразователя электрической энергии в механическую — асинхронный двигатель неременного тока —• был создан на основе работ Г. Феррариса и Н. Тесла в 1888 г.

В 1879 г. Бейль построил двигатель, в котором прерывисто вращающееся магнитное поле создавалось при помощи двух коммутированных токов от гальванической батареи. В 1880 г. М. Депре получил аналогичным путем синхронную передачу движения (рис. В-10).

Рис. В-10. Двигатель М. Депре

С исключительной быстротой новая идея, появление которой было так необходимо для развития и промышленного применения системы переменного тока, завоевала всеобщее признание. Н. Тесла построил 'первые двухфазные асинхронные двигатели (рис В-11) и показал возможность асинхронного пуска синхронного двигателя.

Дальнейшее чрезвычайно успешное развитие система переменного тока получила благодаря работам М. О. Доливо-Добровольского, предложившего трехфазную систему переменного тока и соответственно конструкцию трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя, построенного им в 1889 г. К 1893 г. М. О. Доливо-Добровольский разработал асинхронные двигатели с двойными беличьими клетками, имевшие улучшенные пусковые свойства по сравнению с обычным короткозамкнутым двигателем.

Рис. В-11. Двухфазный асинхронный двигатель Н. Тесла

В 1891 г. Гергес выступил с докладом о последовательных и шунтовых коллекторных двигателях. Уже за первое десятилетие своего существования асинхронный двигатель достиг значительного совершенства. Исключительно глубокие работы М. Леблана показавшего связь между характером кривой момента и параметрами двигателя, А. Блонделя установившего основы физических процессов в машинах переменного тока и явившегося основоположником теории двух реакций явнополюсной синхронной машины, А. Гейланда давшего первую круговую диаграмму асинхронного двигателя, К. Штейнметца, разработавшего основы символического метода и целый ряд других сложнейших'вопросов теории переменного тока, создали основной фундамент для практического развития техники переменного тока.

В 1893 г. появилась схема каскадного соединения асинхронных двигателей Гергеса, схема с переключением числа полюсов Р. Даландера, пусковые и успокоительные клетки синхронных двигателей М. Леблана. В 1901 г. создается фазокомпенсатор М. Леблана для компенсирования реактивного намагничивающего тока асинхронных двигателей с фазным ротором. Получают далее значительное применение однофазные последовательные и репульсионные коллекторные двигатели, в особенности для целей электрической тяги. В 1901 г. выполняются первые компенсированные двигатели Гейланда и Осноса. Электрический двигатель все теснее связывается с производственной машиной, и последняя стремится использовать выгодные стороны нового типа привода. Намечается переход на индивидуальный привод с использованием возможностей плавной регулировки скорости для увеличения производительности станков и механизмов.

В 1910 г. появился регулируемый шунтовой трехфазный коллекторный двигатель, одновременно и независимо изобретенный К. Шраге и Р. Рихтером. Двигатель Шраге—Рихтера быстро завоевал широкое признание и в ряде случаев дал технически весьма ценное и совершенное решение.

В 1904 г. была создана система В. Кремера каскадного соединения мощного асинхронного двигателя с двигателем постоянного тока через промежуточный одноякорный преобразователь, что дало возможность производить регулировку скорости до 40% вниз от синхронной скорости.

В дальнейшем получила существенное развитие предложенная еще в 1905 г. коллекторная трехфазная машина Шербиуса, применяемая при соединении в каскад с асинхронной машиной для регулирования ее скорости в пределах до +25%.

Для непрерывного управления приводами электромашинным путем к. концу 30-х годов был создан ряд электромашинных усилителей — усилитель с поперечным полем (ЭМУ), усилитель с самовозбуждением, с регулирующими возбудителями и т. д. Эти системы, и особенно системы ЭМУ, нашли самое широкое применение в промышленности.

Наряду с этим внедрение автоматики и телемеханики в производственные процессы потребовало разработки электромашин минимальной мощности, порядка нескольких ватт, так называемых микроэлектромашин. Число типов этих машин необычайно велико, и по способам проектирования, испытания и эксплуатации они во многом отличаются от машин, предназначенных для работы в энергетических системах. В настоящее время эта область электромашиностроения находится в стадии весьма быстрого развития.

Передана энергии на большие расстояния и ее трансформирование. Машина постоянного тока, получив достаточно определенные черты своего развития, выявила также ряд трудностей, связанных с получением больших единичных мощностей и высоких напряжений на ее зажимах. Первые опыты с передачей энергии постоянным током, проведенные Марселем Депре в 1883 — 1886 гг., показали большое значение этих работ, но обнаружили в то же время затруднения, связанные с системой постоянного тока высокого напряжения, так как 7000 в на коллекторе одной машины явились практическим пределом для напряжения машины постоянного тока. Для получения высокого напряжения постоянного тока на генераторной станции включались последовательно несколько генераторов постоянного тока высокого напряжения, а на приемной станции ряд двигателей постоянного тока высокого напряжения, приводивших во вращение синхронные генераторы переменного тока, связанные с приемной системой. Наибольшего совершенства по этой схеме достигла система Р. Тюри, по которой была осуществлена передача постоянного тока высокого напряжения 57,6 кв Мутье—Лион на расстояние 180 км. с общей мощностью около 4650 квт.

В дальнейшем практика показала особо большие преимущества дальних передач переменного тока, которые и получили затем самое широкое распространение. Однако в настоящее время, в связи с развитием совершенных преобразовательных устройств переменного тока в постоянный и постоянного в переменный посредством ртутных выпрямителей, снова начали осуществляться отдельные передачи постоянного тока высокого напряжения как в СССР, так и за рубежом особенно при передаче энергии подводным кабелем. Передачи переменного тока показали большие преимущества перед передачами постоянного тока ввиду исключительной легкости изменения напряжения с помощью трансформаторов в сторону его увеличения и понижения как в самих электропередачах, так ив распределительных системах. Нужно отметить, что на первых порах попытки использовать электроэнергию переменного тока встречали резкие возражения даже со стороны таких крупнейших авторитетов своего времени, как Т. Эдисон. История появления и развития трансформатора как преобразователя напряжения является весьма примечательной. В 1844—1847 гг. Б. С. Якоби, занимаясь вопросами минной обороны, применил индукционные катушки, являющиеся по своей идее простейшим типом трансформатора. С помощью этих катушек производилось зажигание пороха мин. Эти работы на много лет опередили аналогичные заграничные работы. В устройствах Б. С. Якоби электрическая энергия от индукционной катушки передавалась при помощи подводного кабеля на расстояние до 9 км к распределительному и питающему пункту, от которого она параллельно распределялась к запалам отдельных мин. Это, собственно, явилось первой схемой практического использования электрической энергии, в которой имели место трансформация передача энергии на относительно значительные расстояния к питающему узлу и затем ее параллельное распределение к точкам потребления.

Не менее замечательной явилась система П. Н. Яблочкова, осуществившего в 1876 г. первую промышленную установку для питания изобретенных им дуговых свечей переменного тока в Париже. Для этой установки Яблочков создал однофазный трансформатор с разомкнутой магнитной цепью. Поэтому можно считать, что он явился изобретателем важнейшего в электротехнике аппарата — трансформатора, примененного для промышленной передачи энергии.

После этого трансформаторы получили широкое развитие. В 1882 г. на Всероссийской промышленной выставке И. Ф. Усагин демонстрировал использование трансформатора П. Н. Яблочкова не только для освещения, но также в установках для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую и тепловую энергию, что дало новый толчок для развития техники переменного тока В 1885г. Голард и Гибс в Америке и инженеры фирмы «Ганц» в Будапеште Дери, Блати и К. Циперновский разработали технический трансформатор с замкнутой магнитной цепью из изолированной проволоки, с кольцевым и броневым сердечником, что послужило новым существенным исходным положением для развития техники переменного тока и передачи его на расстояние (рис. В-12, а и б).

В 1891 г. М. О. Доливо-Добровольский в связи с разработанной им системой трехфазного тока создал конструкцию трехфазного сухого трансформатора с обычным и в настоящее время применяемым расположением трех стержней сердечника в одной плоскости. В том же 1891 г. директор завода «Эрликон» в Швейцарии Браун построил первые масляные однофазные трансформаторы на весьма высокое по тому времени напряжение переменного тока 30 кв. Эти трансформаторы показали, что масло является не только агентом, охлаждающим обмотки, но также и изолирующим материалом.

В связи с изобретением М. О. Доливо-Добровольским ранее трехфазного асинхронного двигателя появились предпосылки применения передачи энергии трехфазного переменного тока не только для освещения, но и для промышленного преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую энергию.

Первой дальней передачей переменного трехфазного тока явилась передача электрической энергии от гидроэлектростанции мощностью около 200 квт в Лауффене на международную электротехническую выставку во Франкфурте-

на-Майне в 1891 г. на расстояние 170 км. Трехфазный генератор, построенный по проекту Брауна, имел мощность 230 квт., напряжение 95 в при скорости вращения 150 об/мин; напряжение от него повышалось с помощью трансформатора

до 15 ООО в

На выставке с помощью трансформатора напряжение понижалось до

113 в линейного напряжения и подводилось к асинхронному трехфазному двигателю мощностью 75 квт, приводившему во вращение насосную установку.

Изобретение трансформаторов явилось мощным толчком для дальнейшего развития передачи электроэнергии на дальние расстояния. С развитием электропередач постепенно увеличивалась как мощность трансформаторов в единице, так и их напряжение. В настоящее время применяются как трехфазные, так и однофазные трансформаторы, соединенные в трехфазную группу.

Очень большое значение для трансформаторостроения и всего электромашиностроения в целом имело изобретение в начале 19 столетия легированной стали, содержащей примесь кремния. Эта сталь, обладая лучшими магнитными характеристиками и меньшими потерями в стали, позволила уменьшить габариты и массу трансформаторов и машин, повысив одновременно их коэффициент полезного действия

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 1187; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!