Первый практически полезный электродвигатель Якоби

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассмотрен первыи? электродвигатель Б. С. Якоби, которыи? послужил прототипом классическои? конструкции современного электродвигателя постоянного тока со щеточно-коллекторным узлом, и его модификации, обладавшие достаточнои? мощностью для того, чтобы приводить в движение шлюпку с гребными колесами.
АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Предыдущая статья данного цикла [1] была посвящена первым лабораторным опытам, показавшим способность электрического тока производить механическое вращение или качение. Однако из-за ртутного коммутатора и ничтожнои? мощности такие устрои?ства было нереально использовать в приводных двигателях. Первыи? практически полезныи? электродвигатель, сразу нашедшии? свое применение, был создан выдающимся электротехником Б. С. Якоби. В настоящеи? статье рассматриваются различные конструкции двигателя, а также другие изобретения этого ученого, прославившего россии?скую науку.

Рис. 1. Борис Семенович Якоби (1801–1874)

Рис. 1.
Борис Семенович Якоби (1801–1874)

Борис Семенович Якоби (рис. 1), в молодости Мориц Герман (Moritz Hermann Jacobi), родился в Потсдаме (Пруссия) в семье преуспевающего евреи?ского банкира [2, 3]. Его старшии? брат Карл (Carl Jacobi) стал знаменитым математиком, имя которого запечатлено в таких понятиях, как якобиан, матрица Якоби и т. д.

По примеру многих своих современников Мориц принял протестантство с именем Борис и впоследствии в России назывался Борисом Семеновичем (по имени отца Симона). Образование получил сначала в Берлинском университете, а затем и в знаменитом Геттингенском, выпустившись с дипломом архитектора. После преподавал вместе с братом Карлом в Кенигсбергском университете, где заинтересовался электротехникои? и попытался создать электрическии? аналог паровои? машины.

В 1834 г. он решительно отверг эту идею, построил деи?ствующии? «магнитныи? аппарат» вращательного движения и послал его описание в Парижскую академию наук, которое, после благоприятного отзыва Ампера и Беккереля, было опубликовано в трудах академии, а затем и в широкои? прессе.

Электродвигатель Якоби

Рис. 2.
Электродвигатель Якоби

Деи?ствующии? образец этого двигателя, хранящии?ся в московском Политехническом музее, показан на рис. 2, где 1 — обмотка статора с восемью аксиальными полюсами электромагнитов (возбуждение), 2 — ротор, 3 — обмотка ротора также с восемью полюсами (якорь), 4 — щеточно-коллекторныи? узел (коммутатор), называемыи? тогда «жиротропом», с четырьмя металлическими контактными рычагами и коллекторными дисками, 5 — вал, 6 — гальваническая батарея. Двигатель развивал мощность 15 Вт при скорости 40 об/мин [3–5].

Рассмотрим принцип деи?ствия двигателя для четырех полюсов, как показано на рис. 3, где четыре неподвижных полюса (1) двух электромагнитов статора намагничены N—S—N—S, аполюсы (3) электромагнитов ротора (2) с помощью коммутатора перемагничиваются в зависимости от положения ротора. В положении, показанном на рисунке, угловое положение ротора ? = 45°, разноименные полюса ротора и статора притягиваются и вращающии? момент направлен против часовои? стрелки. При повороте ротора до угла ? = 90° токи и полюса якоря переключаются на противоположные, что сохраняет знак вращающего момента. Таким образом, двигатель вращается против часовои? стрелки.

Рис. 3.
Принцип деи?ствия электродвигателя Якоби

Схема двигателя Якоби

Рис. 4.
Схема двигателя Якоби

Это классическии? электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения со щеточно-коллекторным узлом торцевои? конструкции, схема которого в современном начертании имеет вид, показанныи? на рис. 4, где 1 — обмотка возбуждения, а 2 — якорь со щеточно-коллекторным узлом. Интересно отметить, что щеточно-коллекторныи? узел двигателя, являющии?ся, по существу, датчиком положения ротора, реализует принцип обратнои? связи подобно любои? автоматическои? системе.

Публикации о двигателе Якоби имели далеко идущие последствия [2, 3]. Сам он получил степень доктора наук и был приглашен профессором в университет Дерпта, входившего тогда в состав России?скои? империи (ныне это город Тарту в Эстонии). Профессор этого университета астроном Василии? Яковлевич Струве вместе со знаменитым электротехником академиком Павлом Львовичем Шиллингом обратили внимание россии?ского правительства на полезность такого двигателя для судостроения. Император Николаи? I повелел пригласить профессора Якоби для построения «электрохода», на что было ассигновано 50 000 руб. Для оценки внушительности этои? суммы можно вспомнить, что, как следует из поэмы Гоголя «Мертвые души», цена крепостного в те времена составляла 100 руб.

Якоби с энтузиазмом принимает предложение, в 1837 г. переезжает в Петербург, становится россии?ским подданным и все последующие тридцать семь лет верои? и правдои? служит россии?скои? науке и технике в составе Петербургскои? академии наук.

Для построения «электрохода» была учреждена особая «комиссия для применения электромагнитнои? силы к движению машин по способу проф. Якоби» во главе с адмиралом Иваном Федоровичем Крузенштерном, куда входили ведущие россии?ские элек- тротехники Эмилии? Христианович Ленц и Павел Львович Шиллинг [6]. Была выделена шлюпка длинои? 8 м, для которои? потребовался электродвигатель гораздо большеи? мощности. Поэтому Якоби создает второи? вариант своего двигателя — больших габаритов и со сдвоенным статором, обеспечивающим повышение магнитного потока (рис. 5).

Однако мощность и этого варианта в 120 Вт была явно недостаточна, и Якоби меняет всю концепцию двигателя, переи?дя к более компактнои? конструкции с размещением всех электромагнитов в диаметральнои? плоскости, показаннои? на рис. 6, где 1 — два электромагнита статора, 2 — четыре электромагнита ротора, 3 — коммутатор [4, 5]. Принцип деи?ствия двигателя в точности такои? же, как на рис. 3. Диаметральную конструкцию электродвигателя предложил американскии? изобретатель Томас Дэвенпорт (Thomas Davenport), о котором будет рассказываться в следующеи? статье.

Первыи? практически полезныи? электродвигатель мощностью 15 Вт был создан Б. С. Якоби в 1834 г. в виде коллекторного электродвигателя постоянного тока торцевого типа с питанием от гальваническои? батареи.

      • Путем ряда конструктивных изменении?, в том числе переходов к цилиндрическои? многодвигательнои? конструкции, мощность электропривода удалось довести до 550 Вт, что позволило установить его в 1838 г. на судне, перевозящем по Неве до 14 пассажиров.
      • Помимо этого, академик Якоби прославил отечественную науку изобретением гальванопластики, усовершенствованием телеграфа и применением электричества в минном деле.

Дальнеи?шее развитие электродвигателеи? привело к изобретению прототипов большинства современных типов машин постоянного и переменного тока, которые будут рассмотрены в последующих статьях.

Второи? двигатель Якоби

Рис 5.
Второи? двигатель Якоби

Третии? двигатель Якоби

Рис. 6.
Третии? двигатель Якоби

Итак, Якоби собирает сорок таких двигателеи? на двух вертикальных параллельных валах, соединенных коническими передачами с гребными колесами «электрохода». С 1838 г. начинаются его многомесячные испытания с катанием по Неве до 14 пассажиров со скоростью 3 версты в час, как показано на рис. 7. Питание двигателеи? осуществлялось от 320 усовершенствованных гальванических цинкоплатиновых элементов весом в 200 кг, благодаря чему мощность гребного привода была доведена до 550 Вт.

Испытания прошли успешно, и о них появляются восторженные отзывы в печати и в научном мире, в том числе и от Фарадея, приславшего личное письмо, в котором он мечтал установить электродвигатели на океанских лаи?нерах. Однако экономические расчеты самого Якоби показали, что для этого нужны значительно большие мощности и гигантские батареи. Даже для такого «электрохода» реально требовалось не менее 10 л. с., каждая из которых обходилась бы в 12 раз дороже, чем для паровои? машины (по некоторым данным — в 40 раз). «Химическая энергия в настоящее время дороже механическои?», — с сожалением констатировал Якоби [3, 4]. Поэтому в 1842 г. затея была оставлена.

Лишь в 1891 г. на Неве заработал первыи? буксир с электротягои?, построенныи? известными электротехниками В. Н. Чиколевым и Р. Э. Классоном для буксировки барж с Охтинского порохового завода [7] (применение паровых буксиров в этом случае было бы взрывоопасным). Однако широко гребные электрические установки начали применяться лишь в XX веке, после создания мощных судовых электрогенераторов.

«Электроход» Якоби

Рис. 7.
«Электроход» Якоби

Вклад Бориса Семеновича в электро- технику этим не ограничился [2, 3, 5, 7]. Самым его выдающимся делом считается изобретение в 1837 г. гальванопластики, которую сразу же стали применять для печатания денежных банкнот (в связи с финансовои? реформои?), а затем гравюр и других художественных произведении?. За это Якоби был награжден золотои? медалью Парижскои? выставки, а в России получил от правительства 25 000 руб. (с условием не патентовать, а широко публиковать изобретение), а затем и научную Демидовскую премию в 5000 руб., от которои? он, впрочем, отказался в пользу научного фонда.

К другим его известным изобретениям относятся:

      • Усовершенствование телеграфа Шиллинга и установка его в Зимнии? дворец, а также прокладка первых телеграфных линии?: Зимнии? дворец — Генеральныи? штаб и Петербург — Царское Село.
      • Применение электричества в военном деле. Якоби создал морские мины с электрическим дистанционным детонатором от магнитоэлектрического генератора, которые успешно использовали в 1865 г. во время Крымскои? вои?ны для обороны Кронштадта и Севастополя.
      • Создание новых электроприборов (реостат, эталон Ома и др.).

Кроме того, Якоби вместе с академиком Ленцем открыл явления противо-ЭДС и реакции якоря, а также обратимость электрическои? машины, т. е. использование двигателеи? в качестве генераторов и наоборот. В 1840 г. Якоби положил начало электротехническому образованию в России, создав в Кронштадте учебную команду леи?б-гвардии саперного батальона, изучавшую употребление гальванизма в военном деле. За «усовершенствования по гальваническои? части» ему была пожалована пожизненная пенсия. Уже в наше время на 7-и? линии Васильевского острова Санкт-Петербурга установили памятную доску: «Здесь жил академик Борис Семенович Якоби. 1801–1874. Выдающии?ся физик и электротехник. Изобретатель гальванопластики, электрического телеграфа, электрических моторных лодок, электрических мин».

ЛИТЕРАТУРА
1. Микеров А. Г. Первые демонстрации электромагнитного вращения. Control Engineering Россия. 2015. No 4.
2. Луцкии? Марк. Борис Семенович Якоби (1801-1874).
3. Яроцкии? А. В. Борис Семенович Якоби, 1801-1874. М.: Наука. 1988.
4. История электротехники / Под ред. И. А. Глебова. М.: Изд-во МЭИ. 1999.
5. Шателен М. А. Русские электротехники XIX века. М.-Л.: Госэнергоиздат.
6. Хартанович М. Ф. «Электроход» профессора Якоби. Вестник России?скои? Академии наук. 1998, т. 68, No 7.
7. Иванов Б. И. История развития электротехники в Санкт-Петербурге. СПб.: Наука. 2001.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *