Изобретение и использование электрического двигателя. Переход от пара к электричеству

 

Омский государственный  технический университет

Кафедра «Автоматизация и робототехника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р Е Ф Е Р А Т

по дисциплине «История автоматизации»

 

Тема: «Изобретение и использование электрического двигателя.

Переход от пара к электричеству»

 

 

 

 

    Выполнил: студент гр. ЗА-310

    Шаров Юрий Александрович

    ___________________________

 

    Проверил: ст. препод. каф. АРТ                                                          Гудинов Владимир Николаевич

                                                                  ___________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск – 2013

 

Введение

 

Середина XIX столетия ознаменовалась особенно крупными сдвигами в науке  и технике. Происходит научно-техническая  революция, и буквально на протяжении одного поколения стало обыденным и привычным то, что еще в начале прошлого века казалось мечтой, плодом безудержной фантазии.

Одно из важнейших достижений XIX столетия есть изобретение электродвигателя. Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды. Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия - от 65 до 80% для машин мощностью около 1 квт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить, что КПД других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30-40%.

Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы . Уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда. С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины , как и орудия труда лишь помогали человеку в его труде. Затем они стали постепенно заменять его. В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы .В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока .Нужно было искать новые источники энергии , чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности . Пробовали энергию ветра , но это оказалось малоэффективным .

Следующим шагом в  развитии техники стало создание парового двигателя. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства —паровозы. Но паровые машины были сложными , громоздкими и дорогими установками . Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый . В 1860 г. француз Ленуар , использовав конструктивные элементы паровой машины , газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.

 

Все эти двигатели требовали топлива , и ученые в то же время работали над изобретением двигателя , работающего на электричестве — электродвигателя - бесшумного и небольшого . Первый электродвигатель сконструировал русский ученый Б.С. Якоби .

Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешевой. К тому же, эта заслуга принадлежит русскому ученому. Благодаря своей компактности, экономичности, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания, удобным мотором, он достаточно быстро вытеснил остальные виды двигателей.

В настоящее время жизнь человечества без электродвигателя трудно представляется. Он используется в поездах , троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки .Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы - все это используется в быту и оснащено электродвигателями.

 

1. Двигатели. История и классификация.

 

История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин.

  С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, или в двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи воды на поля, вращали жернова, моловшие зерно, и т. д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали животных и рабов.

На смену живым двигателям пришло водяное колесо — 2 диска на одном  валу, между которыми помещались плоские  дощечки — лопасти. Поток воды в реке давил на лопасти и поворачивал  колесо, а через его вал движение передавалось, например, жерновам. В средние века водяные колеса приводили в действие прядильные и ткацкие станки.

В VII в. персы изобрели ветряную мельницу. С появлением таких мельниц началась история ветряных, использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду. На многих картинах средневековых художников и в книгах  вы  можете  увидеть   изображения   ветряных мельниц и их описание.

Водяные колеса и ветряные двигатели  вплоть до XVII в. оставались единственными  типами двигателей. В конце XVII — начале XVIII в. во Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки использовать вместо воды и ветра энергию пара — создать паровой двигатель.

Пригодным для практических целей (хотя и не получившим распространения) был паровой двигатель, созданный в 1763 г. русским механиком   И. И. Ползуновым.

 

В 1784 г. английский механик Дж. Уатт изобрел универсальный по своему техническому применению двигатель  — паровую машину. Главная ее часть — цилиндр, с обоих концов закрытый крышками. Внутрь цилиндра помещен поршень. Пар давит на поршень поочередно то с одной стороны, то с другой и перемещает его от одной крышки цилиндра к другой. Одним концом поршень соединен со штоком (стержнем), пропущенным сквозь одну из крышек цилиндра. Через него движение поршня передается наружу, к рабочим органам машины. Изобретение универсального парового двигателя позволило усовершенствовать многие рабочие машины, создало предпосылки для механизации производства.

Во второй половине XIX в. появились 2 новых типа двигателей: паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания.

Первые паровые турбины внешне имели много общего с водяными колесами, только на их лопасти давила не вода, а пар. Были эти турбины  маломощны и тихоходны. Однако по мере развития и совершенствования паровые турбины стали в наше время основными двигателями на теплоэлектростанциях. А на смену водяным колесам пришли гидротурбины, которые приводят в действие генераторы тока на гидроэлектростанциях.

В двигателях внутреннего сгорания, так же как и в паровой машине, главная часть — цилиндр с поршнем. Но в отличие от паровой машины в двигателях внутреннего сгорания на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра (отсюда и название двигателя). В качестве топлива используются бензин, нефть и специальные горючие смеси. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на нефти и другом «тяжелом» топливе, называются дизельными двигателями или просто дизелями.

Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленного производства явилось изобретение и применение электрических двигателей. Принцип действия всех электродвигателей основан на следующем физическом явлении: проводник, по которому течет электрический ток, будучи помещен между полюсами магнита, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатели проще и надежнее всех других двигателей, они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют значительно улучшить эксплуатационные характеристики рабочих машин. Электродвигатели сделали возможным создание современных высокопроизводительных машин, станков-автоматов, автоматических линий, заводов-автоматов. Благодаря им появились удобный электрифицированный инструмент, разнообразные машины и приборы, помогающие человеку в быту (швейные и стиральные машины, холодильники, электробритвы и т. д.). В 70-х гг. XX в. конструкторы автомобилей все чаще обращаются к идее использовать электродвигатель в качестве двигателя автомобиля, так как в отличие от двигателей внутреннего сгорания электрические двигатели не загрязняют окружающую среду.

В первой половине XX в. был  создан новый тип теплового двигателя  — газотурбинный двигатель, основной частью которого стала газовая турбина. В таком двигателе жидкое топливо  впрыскивается через форсунки в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается воздух. При сгорании топлива давление в камере возрастает, и поток раскаленных газов, вырываясь через особые трубы — сопла, устремляется к лопастям газовой турбины, давит на них и заставляет турбину вращаться. Наибольшее распространение газотурбинные двигатели получили в авиации в качестве основных   двигателей   самолетов,   вертолетов   и т. п. Эти двигатели используют также для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, большегрузных автомобилей и других транспортных средств, в том числе кораблей, катеров и подводных лодок.

В 1903 г. К. Э. Циолковский в своей  статье «Исследование мировых пространств  реактивными приборами» впервые  в мире описал основные элементы ракетных двигателей, которые являются разновидностью реактивного двигателя.

В 1909 г. русский инженер Н. Герасимов  разработал схему первого в мире турбореактивного двигателя. Ныне большинство  военных и гражданских самолетов  называются реактивными потому, что на них установлены турбореактивные двигатели; эти двигатели устанавливают также и на больших вертолетах.

Принцип действия реактивного двигателя  основан на использовании силы реакции (отдачи) струи газов, вытекающей из сопла двигателя. Сила отдачи газовой струи заставляет двигатель перемещаться в пространстве в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. движет себя сам без участия промежуточных механизмов. Основная часть любого реактивного двигателя — камера сгорания. В ней в результате сгорания топлива образуются горячие газы. Вырываясь с большой скоростью из сопла, горячие газы создают реактивную струю, которая вызывает тягу двигателя и приводит в движение аппарат, на котором этот двигатель установлен.

Различают воздушно-реактивные двигатели и ракетные двигатели. В воздушно-реактивных двигателях в камеру сгорания кроме топлива подается воздух. Поэтому такие двигатели можно использовать лишь там, где плотность атмосферы достаточна, чтобы двигатель не «задохнулся». Ракетный двигатель не нуждается в воздухе: все необходимые компоненты топлива он несет с собой. Поэтому такие двигатели хорошо работают и в безвоздушном пространстве, т. е. в космосе. Их устанавливают главным образом на боевых ракетах и ракетах-, носителях космических кораблей. Отсюда и название — ракетный двигатель. Для достижения нужной скорости на космических ракетах устанавливают 2, 3, а иногда и больше двигателей; такие многодвигательные ракеты называются двухступенчатыми и трехступенчатыми. Отработает одна ступень со своим двигателем и отделяется  от  ракеты.   Тотчас  включается двигатель следующей ступени. Так продолжается до тех пор, пока ракета не достигнет заданной скорости полета.

История развития техники, и особенно машинного производства, тесно связана  с созданием и совершенствованием двигателей. И каков бы ни был двигатель — водяное колесо или газовая турбина, электродвигатель или дизель, он является машиной, преобразующей какой-либо вид энергии в механическую работу. Те двигатели, которые для получения механической работы используют природные энергетические ресурсы (топливо, поток воды, ветер и др.), называют первичными (например, паровая машина, гидротурбина, ветродвигатель). Двигатели, преобразующие в механическую работу энергию первичных двигателей, называют вторичными (электрические, пневматические и др.). К двигателям относятся также устройства, способные накапливать механическую энергию, а затем по мере надобности отдавать ее (инерционные, или маховиковые,    пружинные    и    гиревые   механизмы).

 

2. Предыстория и первые попытки создания электродвигателя

 

Машины, в которых преобразование энергии происходит в результате явления электромагнитной индукции, называются электрическими. Принцип  действия электродвигателей основан  на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

Удивительно, но первый электродвигатель появился раньше двигателя внутреннего сгорания. Как это было…

Большими недостатками прежней  паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и «дробления» полученной от нее  энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Процесс вытеснения пара электричеством совершался параллельно с прогрессом методов генерирования и передачи электроэнергии на расстояние, с успехами в создании электродвигателей и в разработке рациональных систем электропривода.

 

Электрический привод обладал высоким  КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно-поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.

Начальный период развития электрического двигателя постоянного тока берет свое начало от опыта английского физика - Майкла Фарадея, открывшего явления взаимного вращения магнитов и электрических токов электродвигателя (1821-1834 гг.). Этот этап тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

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.

Явление, составляющее основу современной электроэнергетики, было открыто английским ученым лишь через десять лет. Оно было названо электромагнитной индукцией. Отметим, что используя это открытие, братья Пикси в 1832 году создали конструкцию первого электрического генератора с вращающимися постоянными магнитами и с коммутатором для выпрямления тока.