Создание прототипов электродвигателей автоматики

Опубликовано в номере:
PDF версия
Статья посвящена созданию и применению в первой половине XIX в. новых элементов автоматики — электродвигателей постоянного тока, дальнейшее развитие которых определило облик современных коллекторных, бесконтактных, а также вентильно-индукторных двигателей.
АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

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

В предыдущих статьях данного цикла [1, 2] рассматривались первые электрические двигатели — в том числе двигатель Б. С. Якоби, который в современной терминологии можно назвать коллекторным двигателем постоянного тока. До сих пор коллекторные двигатели составляют львиную долю всех выпускаемых электродвигателей благодаря их простоте и хорошим регулировочным характеристикам. Однако современные двигатели имеют не торцевую конструкцию двигателя Якоби, а цилиндрическую, предложенную американским изобретателем Томасом Дэвенпортом (Thomas Davenport), которая будет рассмотрена ниже. Кроме того, посредственные эксплуатационные характеристики коллекторных двигателей побуждали изобретателей неустанно предлагать другие устройства, преобразующие электричество в механическое движение, такие как синхронные и асинхронные двигатели переменного тока. С открытием в XX в. электроники в системах автоматики появились разнообразные виды бесконтактных и вентильных двигателей, а также прямых приводов. Однако прототипы большинства известных электродвигателей постоянного тока были предложены в первой половине XIX в., а переменного тока — в последней четверти этого века. В настоящей статье рассматриваются основные технические решения электродвигателей первой половины XIX в. с питанием от гальванических батарей, более полные описания которых содержатся в работах других ученых [3, 4].

Рис. 1.Электродвигатель Дэвенпорта

Рис. 1.Электродвигатель Дэвенпорта

Электродвигатель Дэвенпорта показан на рис. 1, где: 1 — два постоянных дуговых магнита статора (возбуждение), 2 — два крестообразно расположенных стержневых электромагнита ротора. Токи электромагнитов переключаются коммутатором (3) в виде двух медных полусегментов, по которым скользят проволочные выводы электромагнитов. По сравнению с первым электродвигателем Якоби, рассмотренным в предыдущей статье [2], здесь все подвижные и неподвижные магниты размещаются радиально в диаметральной плоскости, а возбуждение машины осуществляется от постоянных магнитов. Первое отличие, безусловно, способствовало большей компактности конструкции, что и было использовано Якоби в последнем двигателе, установленном на «электроходе». Что касается постоянных магнитов, то их применение по тем временам определенно было шагом назад, поскольку, как указывал известный американский ученый Бенджамин Силлиман (Benjamin Silliman), «гальванические магниты» (т. е. электромагниты) имеют вдвое меньший вес [3]. Неудивительно поэтому, что мощность двигателя Дэвенпорта диаметром 150 мм не превышала 4,5 Вт [4]. Кроме того, постоянные магниты того времени размагничивались при вибрации. Поэтому вплоть до середины XX в. двигатели постоянного тока были преимущественно с электромагнитным возбуждением, и это положение кардинально изменилось лишь с появлением мощных редкоземельных магнитов.

Томас Дэвенпорт

Рис. 2. Томас Дэвенпорт (1802-1851)

Интересно отметить, что если все первые электродвигатели создавались профессиональными учеными, то Дэвенпорт (рис. 2) был простым кузнецом из штата Вермонт (США), получившим все свои знания, подобно Фарадею, путем самообразования [5].
Узнав о созданных Джозефом Генри мощных электромагнитах, используемых для обогащения железных руд, Дэвенпорт купил один из таких магнитов, внимательно изучил и стал делать свои, используя в качестве изоляции шелк подвенечного платья жены, разрезанный на полоски. Из таких магнитов в 1835 г. и был собран его первый электродвигатель, заявка на который была отвергнута патентным ведомством на том основании, что никаких подобных устройств ранее не патентовалось и ценность их весьма сомнительна. Дэвенпорту пришлось собрать рекомендательные отзывы многих видных ученых, включая Генри, и представить действующий двигатель. Лишь тогда, в 1837 г., ему удалось получить патент под номером 132, оказавшийся самым первым в истории США патентом на электрические машины [4].

Окрыленный успехом и уверенный в перспективности своего детища, кузнец повысил его мощность и создал на его базе более ста действующих моделей токарных, ткацких, печатных станков и электрической железной дороги, основал компанию и начал издавать электротехнический журнал, пытаясь привлечь спонсоров. Однако все усилия были тщетны, он потерпел коммерческую неудачу и вернулся к своему кузнечному ремеслу. Тем не менее по своим конструктивным особенностям двигатель Дэвенпорта является наиболее близким прототипом современных коллекторных электродвигателей постоянного тока систем автоматики.

Практически одновременно с двигателями Якоби и Дэвенпорта в 1832 г. английским ученым Уильямом Стёрдженом (William Sturgeon), изобретателем электромагнита, был создан электродвигатель с постоянными магнитами на роторе (рис. 3), который можно считать прототипом современных бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) [4, 6].

Электродвигатель Стёрджена

Рис. 3. Электродвигатель Стёрджена

Двигатель содержит: статор с четырьмя стержневыми электромагнитами — 1, ротор с двумя постоянными магнитами (возбуждение) — 2, а также ртутный коммутатор токов электромагнитов — 3, который Стёрджен позже заменил на более практичный пружинный коммутатор, став изобретателем первого не ртутного коммутатора. Полюса ротора обозначены строчными буквами (n — s), а статора — прописными (N — S). При положении полюсов ротора, показанном на рис. 3, ротор будет поворачиваться против часовой стрелки. При прохождении магнита ротора мимо ближайшего электромагнита статора все электромагниты должны поменять полярность с помощью коммутатора. Тогда движение ротора продолжится в ту же сторону.

В современной терминологии это обращенный коллекторный двигатель постоянного тока, где слово «обращенный» означает, что, в отличие от двигателей Якоби и Дэвенпорта, возбуждение машины располагается не на статоре, а на роторе. Аналогичную структуру имеют современные бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ), в которых механический коммутатор заменен на электронный с бесконтактным датчиком положения ротора.

Преимуществом двигателя Стёрджена являлся простой безобмоточный ротор, а недостатком, как и в двигателе Дэвидсона, были более слабые постоянные магниты. Конечно, Стёрджен, как изобретатель электромагнита, мог бы построить ротор с электромагнитным возбуждением, но он понимал, что это существенно усложнит коммутатор.

Уильям Стёрджен

Рис. 4. Уильям Стёрджен (1783-1850)

Подобно Фарадею и Дэвенпорту, Стёрджен (рис. 4) — выходец из семьи мастеровых (отец его был сапожником), самостоятельно овладевший знаниями во время военной службы [6]. Выйдя в отставку, стал заниматься изготовлением приборов и водил дружбу с преподавателями артиллерийской академии, в том числе с профессором Питером Барлоу (Peter Barlow), двигатель которого, описанный в [1], он и усовершенствовал, заменив зубчатый ротор цилиндрическим. В 1825 г. Стёрджен изобрел электромагнит, поднимавший груз до 4 кг (в двадцать раз больше собственного веса), затем первый гальванометр с подвижной катушкой и электродвигатель, описанный выше. По рекомендации Барлоу Стёрджена пригласили на должность преподавателя в артиллерийскую академию, он активно занимался популяризацией науки, выступая с лекциями, опытами и издавая журнал по электричеству и магнетизму.

Стёрджен основал лондонское электрическое общество, предшествовавшее появлению современного английского института инженеров-электриков (IEE). Из-за отсутствия университетского диплома он не был принят в члены Лондонского Королевского общества и закончил жизнь в стесненных обстоятельствах, в том числе и потому, что никогда не патентовал своих изобретений [6].

Роберт Дэвидсон

Рис. 5. Роберт Дэвидсон (1804-1894)

Все рассмотренные выше двигатели использовали силу взаимодействия магнитов. Однако шотландский предприниматель Роберт Дэвидсон (Robert Davidson) (рис. 5) изобрел электродвигатель, который работал за счет притяжения мягкого железа к электромагниту [3, 4, 7].

Дэвидсон родился и прожил всю жизнь в Абердине (Шотландия), где еще до окончания колледжа увлекся химией и впоследствии начал успешный бизнес по производству дрожжей и парфюмерии. В свободное время интересовался астрономией и электричеством и в 1837 г. построил двигатель, схема которого показана на рис. 6, где: 1 — деревянный вал; 2 — продольные стальные полосы-индукторы; 3, 4 — электромагниты; 5, 6 — коммутаторы на валу. Электрические машины с подобным зубчатым ротором называются сейчас индукторными.

Электродвигатель Дэвидсона

Рис. 6. Электродвигатель Дэвидсона

Принцип действия двигателя достаточно прост. Коммутаторы переключают ток в электромагнитах в зависимости от положения вала. В положении, показанном на рис. 6, электромагнит 3 отключен, а электромагнит 4 включен. Тогда, например, левая полоса притягивается к электромагниту 4 и поворачивает вал против часовой стрелки. Через 60° включается электромагнит 3, а 4 — отключается, и теперь уже правая полоса притягивается к электромагниту 3, поддерживая то же направление вращения.

Несколько таких двигателей Дэвидсон встроил в токарный станок, печатный пресс и электропилу, которые возил по выставкам, пытаясь привлечь инвесторов. В 1842 г. на железнодорожной линии Эдинбург — Глазго он демонстрировал повозку с четырьмя двигателями суммарной мощностью 1 л. с., которая показана на рис. 7, где: 1 — электромагнит статора, 2 — вал с индукторами, 3 — механический коммутатор, 4 — гальваническая батарея, 5 — колесо, 6 — рельсы.

Повозка Дэвидсона

Рис. 7. Повозка Дэвидсона

Повозка весом 5 тонн развивала скорость до 4 миль в час, и журналисты обратили внимание на то, что впервые вращение колеса было получено непосредственно, т. е. напрямую от электродвигателя. Отсюда и пошел современный термин «прямой привод» (Direct Drive).

Таким образом, Дэвидсону принадлежит приоритет в создании трех новшеств:

  • индукторного двигателя, являющегося прототипом современных вентильно-индукторных двигателей (SRM) с электронным коммутатором взамен механического;
  • железнодорожной электротяги;
  • прямого привода.

В 70-х годах XIX в. имел коммерческий успех индукторный двигатель мощностью в 1 л. с. французского электротехника Поля-Гюстава Фромана (Paul-Gustave Froment) весом около 700 кг [3]. Для сравнения можно сказать, что современный двигатель той же мощности весит порядка 14 кг. Таким образом, более чем столетний прогресс электромеханики снизил вес двигателей в 50 раз.

Не получив финансовой поддержки, Дэвидсон вернулся к своей прибыльной бытовой химии и умер состоятельным человеком, дожив до 90 лет и став свидетелем пуска первых электричек лондонского метро в 1890 г., когда о его заслугах наконец-то вспомнили. Тем не менее на его могиле написано только слово «Химик» [7].

Коммерческая неудача первых изобретателей, значительно опередивших свое время, вполне закономерна, поскольку электричество от гальванических батарей было в десятки раз менее рентабельным по сравнению с паровой машиной. Электричество начало прочно входить в повседневную жизнь лишь после появления машинных электрогенераторов, истории изобретения которых будет посвящена следующая статья.


Электромеханика — новое направление электротехники, зародившееся в первой половине XIX в., — имела следующие особенности:

  • единственный источник электрической энергии — гальваническая батарея — предопределил вид первых моторов как электродвигателей постоянного тока с механическим коммутатором;
  • классическая конструкция коллекторного двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и размещением всех магнитов в диаметральной плоскости машины была запатентована Дэвенпортом в 1837 г.;
  • электродвигатель Стёрджена, построенный в 1832 г., явился прототипом всех бесконтактных двигателей постоянного тока;
  • электродвигатель Дэвидсона (1837 г.) породил современный класс индукторных и вентильно-индукторных машин;
  • выявились перспективные направления применения электрических двигателей для привода станков, машин и электрической тяги на транспорте (Якоби, Дэвенпорт и Дэвидсон);
  • повозка Дэвидсона (1842 г.) явилась первым примером популярного в настоящее время прямого привода.
Литература
  1. Микеров А. Г. Первые демонстрации электромагнитного вращения // Control Engineering Россия. 2015. № 4 (58).
  2. Микеров А. Г. Первый практически полезный электродвигатель Якоби и его развитие // Control Engineering Россия. 2015. № 5 (59).
  3. Электродвигатель в его историческом развитии / Сост. Д. В. Ефремов, М. И. Радовский, под ред. В. Ф. Миткевича. М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1936
  4. www.eti.kit.edu/english/1376.php
  5. www.edisontechcenter.org/DavenportThomas.html
  6. www.archaeologyuk.org/lahs/Contrebis/27_11_Dew-Hughes.pdf
  7. https://homepages.abdn.ac.uk/npmuseum/Scitour/Davidson.pdf

Добавить комментарий

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