Виникнення та початковий період розвитку електричних машин
Відкриття законів електродинаміки Ампером (1822 р.) і законів електромагнітної індукції Фарадеєм (1831 р.) як спростували старі ставлення до відсутності зв'язок між механічними і електричними явищами природи, а й створили теоретичні передумови можливостей отримання як механічної роботи з допомогою електричної енергії (електро ), і отримання електричної енергії з допомогою механічної роботи (електрогенератор).
На представленій діаграмі верхня гілка присвячена діяльності винахідників електричного двигуна, а нижня діяльності винахідників електромеханічного генератора.
Кожна гілка має свої характерні, якісно відмінні періоди розвитку, зазначені на діаграмі, та своїх діячів. Дати характерних винаходів позначені на діаграмі. Крім того, на діаграмі є сполучна верхня і нижня гілка лінія, що відноситься до відкриття в 1838 академіком Е. X. Ленцем оборотності генераторного і рухового режимів електричних машин.
Розглянемо кожну із гілок діаграми окремо. Винахідники електричного генератора стимулювалися у своїй роботі низьким ефектом і великими незручностями єдиних на той час генераторів електричного струму — хімічних генераторів: вольтового стовпа або гальванічних батарей.
Основою досліджень з'явився 1871 праця Фарадея, результат якого диктував їм принципове вирішення завдання - рух провідника в магнітному полі.
Схема розвитку ранніх електричних двигунів та генераторів постійного струму.
При обертанні провідника у вигляді котушки з намотаним на неї ізольованим дротом цей провідник рухався то паралельно, то перпендикулярно до магнітних силових ліній, внаслідок чого струм, що генерувався, носивсинусоїдальний характер, змінюючись і за величиною та за напрямом. Цей, як зараз його називають, однофазний змінний струм не знаходив собі застосування, і тому другою суттєвою характеристикою першого етапу розвитку генераторів з'явилися пристрої для випрямлення змінного струму - комутатори, що випрямляють.
Магнітоелектричний генератор Фарадея, відомий як «диск Фарадея», завершальний етап його досліджень з електромагнетизму: 1 - мідний диск;
Як один із прикладів раннього генератора першого етапу зображено генератор з лабораторії Е. X. Ленца.
Біля полюсів постійного підковоподібного магніту обертаються п'ять котушок, для прискорення обертання яких передбачено зубчасту передачу від великої шестерні до малої. Котушки оберталися вручну. Обмотки кожної котушки з'єднувалися з пластинками барабанного комутатора, яким ковзали контакти. Комутатор був влаштований так, щоб подавати до ланцюга постійного напрямку.
Магнітоелектричний генератор з лабораторії Е. X. Ленца
Потреба більшого ефекту механічних генераторів струму призвела до кінця першого етапу до своєрідної конструкції компанії «Альянс», розробленої Нолле (Бельгія), ван Мальдереном (Франція) та Холмсом (Англія). У цьому генераторі встановлено 24 постійних магніту по восьми радіусів по три ряди. Біля полюсів цих магнітів проходили, обертаючись, 32 котушки з провідником. Струм, що генерується в котушках, надходив до 32 пластин колектора, з яких знімався за допомогою роликів.
Загальний вигляд генератора «Альянс»: 1 - один з 24 підковоподібних магнітів, 2 - одна з 36 котушок, що обертаються.
Подальший розвиток генераторів по лінії збільшення числа магнітів і котушок ставало скрутним, і генератор «Альянс» став машиною першого етапу. Генератори "Альянс" використовувалися для живлення струмом дугових ліхтарів маяків; у 1857-1865 рр. в експлуатації було близько 100 таких машин. Одна з них рухалася паровою машиною потужністю близько 10 л. с.
Другий період розвитку генераторів, що тривав з 1851 по 1867, характеризується відмовою від постійних магнітів і заміною їх електромагнітами, причому для живлення струмом електромагнітів використовувався окреме джерело струму у вигляді магнітоелектричної машини першого етапу або у вигляді гальванічної батареї. Прикладом такого генератора з незалежним збудженням електромагнітів може бути генератор англійця Уайльда.
Генератор складається з двох самостійних генераторів, розташованих один над іншим і що відрізняються тим, що верхній невеликий генератор має постійні підковоподібні магніти 1, а нижній - електромагніти з обмоткою 2, що живиться струмом від верхнього генератора. Обидва рухаються ременями від двигуна.
Генератор Уайльда: 1 - Постійні магніти; 2 - електромагніти.
Машини із незалежним збудженням неминуче підготували початок третього етапу розвитку генераторів. Дійсно, при експлуатації таких машин легко було встановити, що машина не тільки генерує струм, будучи струмом, що живиться збудження від власної котушки, але внаслідок явища залишкового магнетизму дозволяє генерувати струм від стану спокою. Так виникли електромеханічні генератори струму з самозбудженням, що набули широкого поширення з 1867 року.
Перший патент на машину з самозбудженням був отриманий датчанином Хіорт ще в 1854 р., алепобоюючись, що самозбудження буде недостатнім, Хіорт поставив у своєму генераторі й постійні магніти. Тому машина Хіорта як перехідний тип не привернула до себе належної уваги.
Однак у 1866 р. англійські інженери Кромвель і Самуель Варлі, а на початку 1867 р. одного і того ж дня німець Вернер Сіменс і англієць Вітстон отримали патенти на генератори з незалежним збудженням.
Тепер питання полягало лише у пошуку найбільш доцільних конструктивних форм для того, щоб найкращим, найбільш ефективним способом використовувати на практиці принцип самозбудження.
Вирішальний крок у цьому питанні було зроблено французьким винахідником, бельгійцем за походженням, Граммом у 1870—1871 роках. Грам побудував генератор із самозбудженням, надавши якорю генератора форму кільця, що складається з пучка дроту. Обмотки електромагнітів живилися струмом якоря послідовно: зовнішній ланцюг-колектор-якір-колектор - електромагніти-зовнішній ланцюг. Кільцевий якір зовсім усував пульсацію струму, значно збільшував к.п.д. і зменшував розміри і вагу генератора на одиницю потужності, що розвивається.
Одна з конструкцій генератора Грама з кільцевим якорем: 1 - обмотки електромагнітів; 2 - полюсні наконечники, що охоплюють кільцевий якір 3; 4 - колектор; 5 - токоснімач.
У генераторі Грама цілком виразно виявилася практично зворотність генераторного і рухового режимів, встановлена ще Еге. X. Ленцем (1838 р.) тому діаграмі лінія двигуна і генератора зливаються у точці, відповідної 1871 р.
Електричні двигуни також мали свої характерні їм якісно відмінні етапи розвитку.
Двигун Річчі: 1, 2 - котушки; 3 - ртутний струмопідвідний комутатор.
Електродвигун Б. С. Якобі
Перший етап розвитку електричного двигуна постійного струму (1831-1834) бере свій початок від досвіду Фарадея, що відкрив явища взаємного обертання магнітів та електричних струмів. Якщо через систему, що складається з чашки з ртуттю 1, провідника 8 - 7 - 9, другий чашки з ртуттю 2 з виходом провідника в точці 6 пропускати електричний струм від гальванічної батареї, то магніт 3 і провідник 9 отримають під дією струму обертальний рух.
Цей досвід розпочав перший етап, що характеризується конструюванням фізичних приладів, що показує процес перетворення електричної енергії на механічну роботу.
На другому етапі електричний двигун виходить за стіни наукової лабораторії. Цей етап характеризується практичним напрямом конструкторів-винахідників (1834—1860), які передбачають заміну парової машини — універсального двигуна ХІХ ст. - Електричним двигуном.
Для другого етапу показовими є роботи Б. С. Якобі, який сконструював у 1834 р. перший зразок свого електричного двигуна. П-подібні електромагніти цього двигуна розташовувалися двома групами: одна група закріплена нерухомо, інша може обертатися. Електромагніти обох груп живилися струмом від гальванічної батареї таким чином, що змінювалася полярність електромагнітів, створюючи сили тяжіння або відштовхування, що призводили до обертання групи рухомих електромагнітів.
З електричних двигунів, які отримали практичне застосування в 50-х і 60-х роках ХІХ ст., слід зазначити двигун французького інженера Фромана, що застосовувався для друкарських машин. Електромагніти цього двигуна розташовані по колу (шість пар, на малюнку верхні дві пари знято для того, щоб краще показати якірдвигуна із залізними пластинами, що притягуються і відштовхуються електромагнітами).
Другий період завершився створенням двигуна італійським професором Пачіноті, який за десять років до Грама, в 1860 р., сконструював кільцевий якір. Якір обертався навколо вертикальної осі між полюсними наконечниками двох електромагнітів. Якір та електромагніти харчувалися струмом послідовно, як у генераторі Грама.
Різниця полягала лише в тому, що в машині Грама кільцевий якір обертався в площині електромагнітів, а в машині Пачинотті — у площині перпендикулярній до площини електромагнітів. Характерний той факт, що Пачинотті зазначив, що його двигун може працювати в генераторному режимі, тобто, будучи приведеним у обертання, вироблятиме електричний струм.
Таким чином, на діаграмі лінія розвитку генераторів зійшлася з лінією розвитку двигунів на машині постійного струму з самозбудженням та кільцевим якорем, здатною працювати як двигун і як генератор струму.