Развитие электрических машин постоянного тока
Рассматриваемый период в истории электротехники характеризуется началом развития электрических машин постоянного тока, созданием основ электромеханики. Важнейшими научными предпосылками электромеханики явились успехи в области изучения явлений электродинамики и открытие явления электромагнитной индукции. Накопившийся после промышленного переворота практический опыт конструирования машин и механизмов, в частности паровых двигателей, также сыграл свою положительную роль при разработке первых конструкций электрических машин и электромагнитных устройств.
Электрическая машина прошла длинный и сложный путь от физических игрушек и лабораторных приборов до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины, как указывалось выше, был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с этим представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания генератора и электродвигателя в период до 1870 г. Поскольку все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.
В развитии электродвигателя постоянного тока .можно наметить три основных этапа, которые ниже будут последовательно рассмотрены. Следует заметить, что это разделение на этапы является условным, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновьспустя много лет; с другой стороны, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зародышевой форме нередко можно найти в первоначальном периоде развития электродвигателя. Следует далее иметь в виду, что для характеристики каждого этапа совершенствования электродвигателя в дальнейшем изложении приводятся только наиболее типичные конструкции.
Начальный период развития электродвигателя (1821— 1834 гг.) характеризуется созданием физических приборов, демонстрирующих непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Первым таким прибором была установка Фарадея для демонстрации взаимного вращения магнитов и проводников с током (рис. 4-11). Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадей в 1821 г. установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или вызывать вращение магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.
Возможность превращения электрической энергии в механическую была показана и во многих других экспериментахх. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории Развития электродвигателя. Колесо Барлоу по принципу действия представляет собой униполярную электрическую машину, работающую в двигательном режиме: В результате взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов и тока, проходящего через оба медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, колеса начинают быстро вращаться. Легко определить (пользуясь, например, ,пра. вилом левой руки), что оба колеса будут зращаться в од. ном и том же направлении. Барлоу установил, что перед мена контактов или перемена положения полюсов магнитов немедленно вызывает перемену направления вращения колес.
Колесо Барлоу не имело практического значения остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором. В свое время оно сыграло ролц способствуя развитию экспериментов, направленных на построе" ние практически пригодного электродвигателя. В качестве примера другой конструкции электродвигателя может служить прибор, описанный в 1833 г. английским ученый У. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным, неподвижным подковообразным магнитом. Между этими полюсами на вертикальной оси помещался электромагнит, по обмотке которого пропускался ток. Направление тока периодически изменялось коммутатором. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Описанный электродвигатель вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности не мог иметь практического значения.
Характерным для первого этапа развития электродвигателя примером, отражающим иное направление в создании конструктивных форм, является прибор американского физика Дж. Генри. Генри в 1831 г. опубликовал статью «О качательном движении, .производимом магнитным притяжением й отталкиванием», в которой он описал построенный им электродвигатель. Это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных демонстраций, и сам изобретатель не придавал ему серьезного значения. В историческом аспекте электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае—качатедьного). Изменение полярности электромагнита за счет перемены направления протекающего по его обмотке тока приводило электромагнит в равномерное качательное движение. В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 вт (по современным подсчетам).
Как на первом этапе, так и позднее было предложено Много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки Построить электродвигатель с вращательным движением якоря.