Изобретение и использование электрического двигателя. Переход от пара к электричеству

Вслед за тем Доливо-Добровольский  стал думать над конструкцией статора - неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства - выступающие полюса катушек на статоре создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы.

 

Первая задача была несложной - достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов  и равномерно распределить их обмотки  по всей окружности статора, чтобы КПД  двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно - для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента - он требовал для своего питания шести проводов вместо четырех. Таким образом, система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как-нибудь по другому?

Доливо-Добровольский проводил бессонные  ночи над схемами многофазных  цепей, набрасывал все новые и  новые варианты. И, наконец, решение, неожиданное и гениальное по своей  простоте, было найдено. Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, но при вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того, чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов. Иначе говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на 120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалась присуще еще одно чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов - в любой произвольно взятый момент времени сумма токов, текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени равна нулю. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!

Свой первый трехфазный асинхронный  двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции.

 

В качестве источника трехфазного  тока был использован стандартный  генератор постоянного тока, перестроенный  в трехфазный генератор. Впечатление, произведенное первым запуском двигателя  на руководство АЭГ, было огромным.

Для многих стало очевидно, что  долгий тернистый путь создания промышленного  электродвигателя наконец пройден  до конца. По своим техническим показателям  двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы - обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру.

С этого времени началось быстрое  внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.

 

4. Использование электрических двигателей

 

Электрические машины широко применяют  на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического управления и регулирования, в быту. Они преобразуют механическую энергию в электрическую (генераторы) и, наоборот, электрическую  энергию в механическую.

Любая электрическая  машина может  использоваться как генератор, так  и двигатель. Это её свойство называется обратимостью. Она может быть также использована для преобразования одного рода тока в другой (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения) в энергию другого вида тока. Такие машины называются преобразователями.

Электрические машины в зависимости  от рода тока электрической установки, в которой они должны работать, делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение получили  асинхронные двигатели и синхронные двигатели и генераторы.

Принцип действия электрических машин  основан на использовании законов  электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Электрические двигатели, используемые в промышленности, быту выпускают  сериями, которые представляют собой  ряд электрических машин возрастающей мощности, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих общему комплексу требований. Широко применяются серии специального назначения.

Современный электрический двигатель  используется повсеместно в различных  отраслях производства, строительстве, судостроении, автомобилестроении и много где ещё.

На сегодняшний день электрические  двигатели нашли широкое применение и в автомобилестроении. Они могут  применяться как в отдельности  — на электромобилях, так и совместно  с ДВС — различные гибридные автомобили. Наибольшую популярность получили трехфазные электродвигатели переменного тока. От обычных электрических машин, электродвигатели автомобилей отличаются компактностью и повышенной мощностью.

Электрические двигатели бывают постоянного и переменного тока. Наиболее распространены электрические двигатели переменного тока. Они просты по устройству, неприхотливы в эксплуатации. Основной недостаток – практически не регулируемая частота вращения.

Двигатель постоянного тока - это  машина для преобразования энергии постоянного тока в механическую энергию.

Основными плюсами данного типа электродвигателей является простота устройства и управления, линейность механической и регулировочной характеристики, небольшие габариты и вес вкупе  с высоким КПД.

Этот вид двигателей широко используются в механизмах, требующих широкого и плавного регулирования скорости вращения. Их можно увидеть, например, в металлорежущих или прокатных  станках. Они же приводят в движение электротранспорт, экскаваторы, подъемно-транспортные машины и самолеты.

Электродвигатели постоянного  тока применяются в промышленных и бытовых электроустановках (электрифицированный  инструмент, вентиляторы, холодильники, соковыжималки, мясорубки, пылесосы и  др.). Они рассчитаны для работы как от сети постоянного тока (110 и 220 В), так и от сети переменного тока частотой 50 Гц (127 и 220 В). Эти двигатели имеют большой пусковой момент и сравнительно малые размеры.

Двигатели постоянного тока обратимы и могут выступать в роли как  двигателей, так и генераторов.

Двигатель переменного тока преобразует  электрическую энергию в механическую. Во время его работы выделяется тепло.

Электрические двигатели  переменного тока применяют для  привода рабочих машин различного назначения (насосы, деревообрабатывающие станки, дробилки и т. д.), не требующих регулирования частоты вращения. Выпускаются на мощности от 0, 2 до 200 и более киловатт.

Электрический двигатель, в домашних условиях, применяется в большинстве  устройств бытовой техники и  электроники.

Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, а две трети ее преобразуется электрическими двигателями в механическую энергию. От правильного выбора и использования электрических машин во многом зависит технический уровень изделий многих отраслей промышленности.

Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических  машин для всех отраслей народного  хозяйства. Без электрических машин не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.

Особая роль отводится электрическим  машинам в космической, авиационной  и морской технике. Электрические  машины, работающие на передвижных установках, выпускаются в больших количествах. Эти машины должны иметь минимальные габариты при высоких энергетических показателях и высокую надежность. Отдельную область электромеханики составляют электрические машины систем автоматического управления, где электрические машины используются в качестве датчиков скорости, положения, угла и являются основными элементами сложнейших навигационных систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Электрическая машина прошла длинный  и сложный путь, прошел не один десяток лет, прежде чем их внедрили в производство повсеместно. Возможность преобразования электрической энергии в механическую впервые была установлена М. Фарадеем. В 1821 опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя. В то же время над конструированием электродвигателей работал и Джозеф Генри. В следующие годы (1833-1834) Э.X. Ленц дал глубокий анализ явлению электромагнитной индукции. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) - один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. До этого изобретения электрические двигатели имели механическую схему по типу паровой машины с возвратно-поступательным движением. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.).В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявнополюсным. В семидесятых годах была открыта возможность электромагнитного возбуждения и самовозбуждения машин, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Следующей ступенью явилось изобретение кольцевого, а затем барабанного якоря, что позволило осуществить промышленные модели. Питание электродвигателей стало производиться от электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался. В 1888 году Тесла и Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Вскоре двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским Доливо-Добровольским.

 

Сегодня электродвигатели используются повсеместно. Их можно найти в  автомобилях и многих бытовых  электроприборах. Хотя многие люди даже не представляют, как работают электродвигатели, их изобретение оказалось исключительно полезным.

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Белкинд Л.Д. Первые  конструкции электродвигателей  постоянного тока. История энергетической  техники/ Л.Д. Белкинди др. - М: Госэнергоиздат, 1960. - 664 с.

 

2. Дятчин Н.И. История  развития техники: Учебное пособие/  Н.И. Дятчин. - Ростов н/Д.: Феникс, 2001. - 320 с.

 

3. Кулик Ю.А. Электрические  машины / Ю.А. Кулик. - М.: Высшая школа, 1971. - 456 с.

 

4. Рыжков К.В. 100 великих изобретений/ К.В. Рыжков. - М.: Вече, 1999. - 528 с.

 

5. Шухардин С.В. Техника в ее историческом развитии / С.В. Шухардин, Н.К. Ламан, А.С. Федоров. - М.: Наука, 1979. - 416 с.