Первые электродвигатели. Трехфазный ток. Доливо-Добровольский

В двух прошлых номерах газеты мы напомнили предысторию создания электродвигателя — начиная от открытия в 20–30 гг. взаимодействия магнитного поля с электрическим током (X. Эрстед, Д. Араго), явления электромагнитной индукции (М. Фарадей) — вращения проводника вокруг магнита или магнита вокруг проводника.

Описали электромоторы постоянного тока с вращательным, а не возвратно-поступательным, как у парового, принципом (Б. Якоби) и двигатель с кольцевым неявнополюсным якорем, удобной схемой возбуждения и коллектором почти современного типа (А. Пачинотти, 1860 г.) — все они работали от гальванических батарей и потому были неэкономичными, а эффективный генератор для них придумали много позже.

Тем временем, параллельно с исследованиями переменного тока, были созданы электромоторы с его применением. Это синхронная модель Ч. Уитстона (1841 г.), требовавшая первоначального запуска от дополнительного разгонного двигателя, и асинхронная (индукционная) У. Бейли (1879 г.), в котором над попеременно намагничиваемыми крестообразно расположенными полюсами вращался подвешенный медный кружок. Эти разработки были малоэффективны и непрактичны.

И вот, рассказывали мы, в 1888 гг. Феррарис и Н. Тесла открыли явление вращающегося электромагнитного поля: оно создаётся двумя или более катушками, расположенными под углом друг к другу, в которых протекают равные по величине, но сдвинутые по фазе переменные токи.

Н. Тесла разработал асинхронный двигатель, работающий на двухфазном переменном токе и, впервые специально для него, сконструировал генератор, вырабатывавший два тока с разностью фаз в четверть периода.

Эти агрегаты были лучшими из всех существовавших ранее, и в том же 1888 г. было организовано их производство, хотя конструкция оставалась несовершенной, и эффективность была низка и в момент пуска, и в рабочем режиме.

Русский электротехник Михаил Осипович Доливо Добровольский, уже известный читателям нашей газеты (см. № 24 электронной версии) как родоначальник промышленной электрификации — технических устройств для передачи на дальние расстояния высоковольтного трёхфазного тока — внёс в индукционный двигатель Теслы изменения, которые сделали его жизнеспособным и практически массово применимым.

Первое новшество — ротор. Он должен одновременно иметь малое электрическое сопротивление и хорошую магнитную проницаемость. Хорош был бы цилиндр из отличного электрического проводника — меди. Но медь плохо проницаема для магнитного потока статора. Если же цилиндр делать из стали, магнитный поток резко возрастёт, но и электрическое сопротивление увеличится. Ротор у Тесла был в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками.

Доливо Добровольский изготовил ротор в виде стального цилиндра, и в просверленные по его периферии каналы заложил медные стержни, на лобовых частях ротора электрически соединённые друг с другом. После того как он получил в 1889 г. патент на эту конструкцию в виде «беличьей клетки» устройство ротора принципиально не менялось до настоящего времени.

Вторая проблема — конструкция статора, от которой, наряду с КПД двигателя, зависит равномерность его работы.

КПД определяется тем, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, в частности, зазор между ротором и статором должен быть минимален. У Теслы обмотка статора выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Доливо Добровольский рассредоточил обмотки в 24 полузакрытых пазах по всей окружности статора, что благоприятствовало распределению магнитного поля и позволило сократить зазор до 1 мм.

Неравномерность вращения двухфазного двигателя можно уменьшить, увеличив число фаз с двух до трех — разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую соединить двумя проводами с соответствующими катушками генератора, как у Теслы.

Всё отлично, но потребовалось бы для питания шесть проводов вместо четырех — это третий вопрос трёхфазному двигателю.

А если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки? — На каждой щетке будут индуцироваться одинаковые по величине токи, но со сдвигом по фазе на 120 градусов, то есть на время, необходимое для перемещения якоря по дуге, соответствующей углу 120 градусов — а не 90, как в двухфазном двигателе Теслы.

В системе трехфазного тока обнаружилось уникальное свойство: в любой момент времени один из проводов передает в одном направлении такое же количество тока, какое два других вместе передают в противоположных. Следовательно, можно использовать каждый из трёх проводов в качестве отводящего для двух других, соединенных параллельно, и тогда вместо шести обойтись всего тремя. Если катушки, по сути параллельные, как в самых первых «двухфазных» опытах Н. Теслы и «трёхфазных» М. О. Доливо Добровольского, соединить одним из двух способов: «треугольником» или «звездой».

Так (начиная от Фарадея) был создан превосходящий все существовавшие до того электромотор и, что важно, одновременно, генератор — с очень высоким КПД, безотказно и равномерно работающие в любых режимах, простые в обращении. Они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение трёхфазных электродвигателей во все сферы производства.

Началась эра индустриального применения электрических машин.