История электродвигателя. Постоянный ток

В 1831 г. профессор Британского Королевского института Майкл Фарадей и, независимо от него, профессор американской академии в Олбани Джозеф Генри открыли явление электромагнитной индукции. Они демонстрировали опыты вращения проводника вокруг магнита или вращения магнита вокруг проводника, и всегда, когда происходило изменение сцепленного с электрическим контуром потока индукции магнитного поля, возникал электрический ток.

Сегодня мы понимаем, что это был не просто физический эксперимент, а наглядная иллюстрация принципиальной возможности построения электродвигателя, начало его истории. Чуть-чуть предыстории. В 1820 г. X. Эрстед установил связь магнитного поля с порождающим его током, Д. Ф. Араго обнаружил намагничивание проводника протекающим по нему током и усиление этого эффекта при замене линейного проводника спиралью — соленоидом, в 1821 г. Ж. Б. Био и Ф. Савар установили закон действия тока на магнит, в 1827 А. Ампер разработал теорию электродинамики на основе электрической природы магнетизма. Интересен практический момент этой предыстории: в 1824 г. в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений» описывалось «колесо Барлоу»: два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, к соприкасались с ванночками, наполненными ртутью, и находились между полосами постоянных магнитов. При пропускании токов через колеса они начинали вращаться.

В 1833 г. англичанин У.?Риччи создал первый прообраз современного электродвигателя постоянного тока (все тогдашние потребители питались исключительно постоянным током, поскольку он был наиболее изучен). Магнитное поле в нём создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами которого на вертикальной оси вращался электромагнит.

В том же 1833 г. американский кузнец Томас Дэвенпорт сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, в 1837 году получил патент на электро-магнитную машину.

Незадолго до этого он, из природного технического любопытства, приобрёл разработанный Дж. Генри электромагнит (использовавшийся для выделения железной руды), изготовил собственные и начал с ними экспериментировать. Один электромагнит закрепил на колесе, другой на неподвижной раме, при их взаимодействии колесо совершало пол-оборота. Дэвенпорт придумал устройство типа щёток и коммутатора для переключения полярностей магнита на колесе — и оно стало вращаться без остановки.

Свой электромотор Т. Дэвенпорт поставил на модель «электровоза» (сейчас так называется), двигавшегося от гальванического элемента по круговой дорожке диаметром 1,2 м.

Сам же Дж. Генри пошёл другим путём. В его машине использовано притяжение разноименных и отталкивание одноименных полюсов для получения непрерывного качательного движения — электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность его модели — 0,044 Вт. Петербургский академик Б. С. Якоби отозвался о нём так: «такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов, его нельзя будет применять в большом деле с какой-нибудь экономической выгодой.

В 1834 г. Якоби построил собственный электродвигатель. Он действовал на принципе притяжения и отталкивания между двумя группами П-образных электромагнитов, одна из которых располагалась на неподвижной раме, у них положительная и отрицательная полярности шли попеременно. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого, к ним отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал был насажен коммутатор, который менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном, а в обмотках электромагнитов вращающегося диска направление тока изменялось восемь раз за один оборот — и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

В 1837 г. Якоби установил на бот, вмещающий 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов, комбинацию 40 небольших электродвигателей, объединенных по 20 штук, на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине. Для питания использовались гальванические элементы. Он ходил несколько часов против течения, при сильном противном ветре, и стал важным свидетельством приоритета России на этом направлении развития электротехники. Однако при питании двигателей от гальванических батарей механическая энергия оказалась чрезмерно дорогой, и Якоби пришел к важному выводу: применение электродвигателей требует создания экономичного генератора, работающего от первичного теплового мотора — но это случилось позже.

Некоторые модели 40—60 х годов ХIХ в., например электродвигатель Бурбуза, действовали на принципе втягивания в соленоид стального сердечника. Его возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Мысль изобретателя явно находилась в плену кинематических особенностей работы паровых машин и развития не получили.

В 1860 г. итальянский ученый Антонио Пачинотти изобрёл электродвигатель, в котором в магнитном поле электромагнитов на вертикальном валу вращался якорь в форме стального кольца с латунными спицами и зубцами (уменьшавшими магнитное сопротивление и облегчавшими крепление обмотки.

У многих конструкций с вращательным движением вращающий момент на валу был резко пульсирующим. В этом двигателе получался практически постоянный по величине вращающий момент, габариты были невелики по сравнению другими моделями равной мощности. Пачинотти сделал следующий важный шаг к созданию современной машины постоянного тока, и к тому же предложил удобную схему возбуждения и коллектор, по существу, современного типа. Он также предположил возможность обращения своего двигателя в генератор. Тем не менее, двигатель распространения не получил из-за, опять же, отсутствия экономичного генератора электроэнергии.

Двигатели постоянного тока совершенствуются и по сей день, но получили ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в массовом производстве электромоторы на переменном токе, об истории которых мы расскажем в следующем номере.