История создания первого электродвигателя

В том же 1831 г. электродвигатель с качательным движением якоря между полюсами магнита был предложен С. Даль-Негро.

В моделях электродвигателей  Генри и Даль-Негро был использован принцип возвратно-поступательного движения. На этом же принципе работал паровой двигатель. Об исключительной живучести этой идеи говорят и такие факты: первые изобретатели парохода предлагали использовать паровой двигатель для приведения в движение весел с тем, чтобы заменить гребцов, а первые изобретатели паровоза хотели создать передвигающийся механизм, подражающий движению ног лошади.

3. СОЗДАНИЕ ПЕРВОГО  ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Идея Генри и  Даль-Негро вначале довлела и над Борисом Семеновичем Якоби(1801-1874) , петербургским академиком. «В мае 1834 г. пишет ученый,- я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение... Но я не мог сначала отказаться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом».

Но было бы неверным считать, что идея создания электродвигателя с вращательным движением впервые была выдвинута Якоби. Ее высказал в 1833 г. английский ученый В. Риччи в своей статье «Опытные исследования по электромагнетизму и магнитоэлектричеству». Для изучения и иллюстрации свойств магнита Риччи создал прибор, в котором ему с помощью магнита удалось получить вращательное движение железной полосы, обвитой проволокой, по которой протекал ток. «Самый поразительный результат,- писал он, который мною был получен при перемене полюсов электромагнита, заключается в сообщении магниту вращательного движения вокруг его центра».

Неизвестно, знал Якоби  о модели электродвигателей Риччи  или нет, но вполне вероятно, что  он независимо пришел к выводу о  необходимости создания двигателя с вращательным движением. Он правильно оценил все преимущества такого двигателя. В отличие от своих предшественников Якоби сразу же решил создать не очередную физическую игрушку, а такой двигатель, который был бы пригоден для практики, «для нужд промышленности и жизни». «Я уже не говорю о крайней простоте магнитной Машины, писал ученый, с круговым беспрерывным движением, о конструктивных ее преимуществах и легкости превращения кругового движения во всякое другое, какого требует данная рабочая машина. Я с самого начала был проникнут этими мыслями, еще, когда я не представлял себе, каким образом мне удастся осуществить свою машину; я тогда имел в виду практическое ее применение, и задача представлялась мне настолько важной, что я не хотел тратить силы на выдумывание игрушек с возвратно-поступательным движением, которые удостоились бы чести быть поставленными в один ряд с электрическим звонком в отношении их эффекта».

Историческая заслуга  Якоби заключается в том, что  он руководствовался не отвлеченными научными рассуждениями, а как инженер исходил из практических запросов производства, которые и побудили его серьезно и вдумчиво заняться созданием необходимого для промышленности и транспорта двигателя. О своем изобретении Якоби впервые сообщил в конце 1834 г. в «Заметке о магнитной машине, в которой магнетизм используется как двигательная сила». Она была напечатана в трудах Парижской Академии наук.

Подробное описание своего электромагнитного двигателя  Якоби дает в двух частях. Первую из них он печатает в 1835 г. в Потсдаме - городе, где родился, под названием «Мемуары о применении электромагнитной силы к движению машин», а вторую - в качестве продолжения первой под тем же названием в 1837 г. в трудах Петербургской Академии наук. Интерес к изобретению Якоби был всеобщим. У него сразу же нашлись и подражатели. В Петербурге о его двигателе стало известно уже в 1834 г. из статьи, напечатанной в № 10 «Журнала мануфактур и торговли» и в газете, издаваемой в столице на немецком языке «St-Petersburg Zeitung».

Что же представлял  собой первый образец электродвигателя Якоби? Ученый кратко описал его так: «Аппарат состоит из двух групп по 8 стержней мягкого железа, длиной по 7 дюймов (177,8 мм.) и толщиной 1 дюйм (25,4 мм..). Обе группы стержней располагаются на двух дисках под прямым углом и симметрично одна по отношению к другой таким образом, чтобы полюсы приходились один против другого. Один из дисков неподвижен, а другой вращается вокруг некоторой оси, благодаря чему группа подвижных стержней проходит мимо неподвижных на возможно более близком расстоянии от них. Все 16 стержней обмотаны 320 футами (96 м..) медной проволоки толщиной в одну с четвертью линии (3,17 мм.); концы обмоток соединяются с полюсами гальванической батареи... Успешная работа этой машины обусловлена удачной конструкцией... коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот». Двигатель мог поднимать груз массой примерно 4- 6 кг на высоту около 30 см в секунду, что составляло мощность около 15 Вт. Он давал 80-120 оборотов в минуту. Окружная скорость подвижного диска была равна 1,8 м/с. Величина зазора между полюсами магнита равнялась 12,7 мм. Подвижной диск с электромагнитами имел массу 20 кг. В качестве изоляции сердечника электромагнитов использовалась шелковая материя. Для питания электромагнитов применялась гальваническая батарея (рис.1)

рис. 1.

Такими были главные  конструктивные элементы и параметры  электродвигателя Якоби, построенного им в 1834 г. Но не они характеризовали принципиально новые физические принципы, положенные ученым в основу своего выдающегося изобретения. Главное, чего удалось добиться Якоби в результате его напряженных творческих поисков, заключалось в том, что он обеспечил в своем двигателе вращательное движение подвижного диска, которое основывалось на взаимодействии полюсов электромагнитов подвижного диска и электромагнитов неподвижной рамы. Это новшество ученый считал одним из главных достоинств своего двигателя. Он с гордостью отмечал, что в его двигателе для движения диска применялись «новые силы», не использованные еще в практике. «Машина, -писал он, -дает непосредственное круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения». Как это было им осуществлено практически, можно без труда понять из рассмотрения следующих двух основных схем.

Двигатель Якоби  состоял из двух групп П-образных электромагнитов. Восемь из них, установленных на неподвижной раме, были соединены последовательно и питались током непосредственно от батареи гальванических элементов, причем направление тока в этих; электромагнитах оставалось постоянным. Восемь электромагнитов, установленных на подвижном диске, были подключены к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом из них изменялось 8 раз за один оборот диска. N1, S1, и N2 полюсы электромагнитов подвижного диска, N’₁, S’₁ и N'2 -полюсы электромагнитов неподвижной рамы (рис 2.) .Обмотка электромагнитов, чтобы не усложнять схем, не показана.

 рис.2

Перед запуском двигателя  одноименные полюсы устанавливаются  друг против друга. После начального толчка при включении батареи электромагнит N 1 будет отталкиваться от одноименного полюса N’₁ и притягиваться полюсом S‘_1. В результате такого взаимодействия полюс электромагнита N1 станет против полюса электромагнита S’1 и по инерции пройдет несколько дальше. В этот момент коммутатор (действие его будет рассмотрено позднее) произведет переключение полюсов батареи, и по обмотке электромагнитов подвижного диска будет проходить ток обратного направления. Вследствие этого полярность полюсов электромагнитов подвижного диска изменится и полюс N1, ставший теперь полюсом, одноименным с полюсом S’1 , будет от него отталкиваться. Аналогичный процесс будет происходить и при взаимодействии остальных полюсов электромагнитов, расположенных на подвижном диске и на неподвижной раме. Такое периодическое изменение полюсов электромагнитов в подвижном диске 8 раз за один оборот при наличии инерции будет поддерживать непрерывное вращение, как подвижного диска, так и вмонтированного в его центр рабочего вала электродвигателя.

Талантливый инженер  так остроумно решил вопрос о  вращательном движении рабочего вала. Якоби первым в науке об электричестве обосновал все важнейшие преимущества такого движения для всех электродвигателей и убедительно показал нецелесообразность использования в них возвратно-поступательного движения. История полностью подтвердила исключительную плодотворность этой идеи. Все электрические машины со времени Якоби стали строиться с вращательным движением якоря двигателя.

рис. 3

Новой, чрезвычайно  важной, технически целесообразной глубоко  продуманной частью электродвигателя Якоби был коммутатор, созданный им специально для того, чтобы периодически изменять полярность подвижных электромагнитов. Технически эта идея была осуществлена так. Коммутатор, схема которого показана на рисунке 3, состоял из четырех медных колец 1-4, насажанных на рабочий вал электродвигателя. Кольца попарно соединялись медными трубками ff. на оси вала, закреплялись трубкой g из изолирующего материала и вращались вместе с валом. Каждое из колец, смещенных на 45° по отношению к предыдущему, имело 4 выреза, которые заполнялись вкладками из изолятора h. Поверхность колец была хорошо отполированной и ровной. По этой поверхности при вращении колец скользил контактный рычаг г,представлявший собой своеобразную щетку. Другой конец рычага опускался в чашечку со ртутью k, которая соединялась проводником с батареей. Металлические кольца были соединены с электромагнитами вращающегося диска. При его вращении металлические рычаги, попадая на непроводящие части колец, прерывали цепь, а при соприкосновении с металлом замыкали ее. Когда рычаг переходил с непроводящей части на металл, т. е. в тот момент, когда встречались разноименные полюсы, в обмотках электромагнитов, установленных на подвижном диске и последовательно соединенных, менялось направление тока.

Коммутатор был  сконструирован Якоби так, что полярность электромагнитов изменялась 8 раз за один оборот рабочего вала. Именно поэтому электромагниты подвижного диска поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы и этим самым обеспечивали вращательное движение рабочего вала или якоря двигателя. «Перемена полюсов писал ученый, -имеет чрезвычайно большое значение. Перемена эта должна осуществляться мгновенно и как раз в том месте, где полюсы располагаются один против другого. Механизм, производящий перемену полюсов, должен приводиться во вращение самим прибором».

Таковы были устройство и принцип действия коммутатора, созданного Якоби для своего первого электродвигателя. Коммутатор сразу же стали применять в конструкциях электродвигателей. В 1840 г. его использовал в одной из электрических машин Э. X. Ленц. Дальнейшее развитие электротехники полностью подтвердило необходимость наличия в конструкции каждого электродвигателя коммутирующего устройства.

Важной для развития электротехники явилась также впервые  выдвинутая Якоби идея применения в электродвигателях только одних электромагнитов. Он первый отказался от использования в них постоянных магнитов, во-первых, потому, что они давали меньшую силу притяжения по сравнению с электромагнитами, и, во-вторых, потому, что они при сотрясениях и ударах размагничивались.

Из изложенного  выше видно, что в своем электродвигателе Якоби впервые в истории электротехники удачно воплотил три новые прогрессивные  идеи, которые в XIX и XX вв. получили дальнейшее развитие: вращательное движение якоря электродвигателя; наличие коммутатора с трущимися контактами, без которого невозможно обеспечить вращательное движение якоря, и, наконец, использование электромагнитов в подвижной и неподвижной частях электродвигателя или в его якоре и в его статоре.

Отмечая преимущества и выгоды электродвигателя перед  паровой машиной, Якоби писал: «В моем двигателе отсутствуют все управляющие и регулирующие механизмы, как-то: клапаны, вентили, поршни, полые цилиндры и др., которые в паровой машине дорого стоят и- быстро изнашиваются при работе. Благодаря этой простоте стоимость двигателя уменьшается и со временем может быть доведена до четверти стоимости паровой машины». Далее он отмечал: «Вследствие отсутствия трущихся частей двигатель почти не подвергается изнашиванию - в нем вращается в подшипниках только один вал, несущий на себе систему подвижных магнитов. В лучших паровых машинах изнашивание выражается по меньшей мере ежегодно в 10% стоимости... Магнитная машина обладает почти бесшумным действием благодаря тому, что в ней отсутствуют неизбежные в паровой машине сотрясения и удары, столь вредно действующие, в особенности в локомотивах». В электродвигателях полностью гарантирована также «абсолютная безопасность от высоких труб и дыма, которые в паровых машинах являются существенным недостатком». И наконец, весьма важным является простота его обслуживания. «Двигатель не требует постоянного наблюдения за собой, он может быть на целые часы и даже дни предоставлен самому себе, его действие остается ровным и спокойным».

В то же время свой первый двигатель конструкции 1834 г. Якоби считал далеко не совершенным. Основным его недостатком была очень слабая мощность. Она составляла примерно 15 Вт. Такой двигатель не мог быть использован даже для приведения в движение обычной лодки. Ученый прекрасно понимал, что для создания практически пригодного двигателя предстояло решить еще немало и теоретических и экспериментальных вопросов. Он писал, что для того чтобы его электродвигатель мог получить «практическое применение», необходимо определить наибольшую величину «магнетизма», которую можно возбудить в мягком железе, установить, каких размеров должны быть «электромагниты» и как «должны быть устроены его обмотки». Необходимо было также научиться определять зависимость .мощности двигателя от силы гальванической батареи, ее конструкции и размеров. В связи с этим очень важно было найти, какими параметрами вообще определяется мощность двигателя и как должен быть произведен этот расчет. Все это было делом совершенно новым и неизученным.

4. РАБОТЫ НАД  УЛУЧШЕНИЕМ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Теперь с созданием  специальной комиссии и выделением для проведения опытов необходимых  средств решение намеченных вопросов стало вполне реальным делом. Переехав в августе 1837 г. в Петербург, Якоби целиком отдает всю свою энергию, весь свой талант инженера и ученого выполнению возложенной на него огромной и ответственной задачи - созданию пригодного для практики, более мощного и более экономичного электродвигателя.

Для проведения необходимых  исследований Якоби, прежде всего, потребовал выделения помещения, помощников и приобретения нужного ему оборудования. Требования ученого были быстро удовлетворены: помещение было выделено; механическая мастерская была оборудована необходимыми станками и инструментами; в качестве помощников для работы в мастерской были найдены достаточно квалифицированные мастер, слесарь и столяр. Необходимыми приборами была укомплектована и лаборатория.

К концу 1837 г. по заданию  комиссии, которая собиралась каждый месяц, Якоби, построил три двигателя: один модели 1834 г., но большего размера, второй по его «совершеннейшей» конструкции и третий «по описанию подобного аппарата, сделанного в Америке». Все двигатели испытывались в лаборатории. Их мощность определялась по работе, совершаемой в точно установленное время при поднятии груза на определенную высоту. Мощность оказалась недостаточной для приведения в движение катера. Поэтому по предложению Якоби было решено строить двигатель больших размеров и главное - значительно большей мощности, примерно на 368- 760 Вт, с тем, чтобы испытать его применимость для движения катера.