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技术历史、技术、我们身边的事物
电动马达。 发明和生产的历史
电动机是一种将电能转化为机械能的电机（机电转换器），同时会释放热量。
XNUMX世纪后期最伟大的技术成就是工业电动机的发明。 这种紧凑、经济、方便的电机很快成为生产中最重要的元素之一，取代了可以输送电流的其他类型的电机。 老式蒸汽机的一大缺点一直是效率低下，以及从中获得的能量难以转移和“粉碎”。 通常一台大型机器服务于数十台机器。 使用滑轮和环形皮带将其运动机械地带到每个工作场所。 在这种情况下，发生了巨大的不合理的能量损失。 电力驱动没有这些缺陷：它具有很高的效率，因为旋转运动可以直接从它的轴获得（而在蒸汽机中它是从往复运动转换而来的），并且更容易“粉碎”电能。 与此同时，损失被证明是最小的，劳动生产率提高了。 此外，随着电动机的引入，第一次不仅可以为任何机器提供自己的发动机，而且可以在每个节点上安装单独的驱动器。 电动机出现在 XNUMX 世纪下半叶，但几十年过去了，才为其广泛投入生产创造了有利条件。 1834 年，俄罗斯电气工程师雅可比发明了第一批由直流电池供电的完美电动机之一。 该发动机有两组U型电磁铁，其中一组（四个U型电磁铁）位于固定框架上。 它们的极片不对称排列——在一个方向上拉长。 电机轴由两个平行的黄铜圆盘组成，这些圆盘由四个等距放置的电磁铁连接。
当轴旋转时，可动电磁铁通过固定电磁铁的磁极。 在后者中，极性交替变化：正面或负面。 安装在机器轴上的导体离开旋转盘的电磁铁。 换向器安装在电机轴上，它在轴旋转的每四分之一期间改变移动电磁体中的电流方向。 固定框架的所有电磁铁的绕组串联连接，并沿一个方向围绕电池电流流动。 转盘的电磁铁的绕组也是串联的，但其中的电流方向每转一圈就改变八次。 因此，这些电磁铁的极性也在转轴一圈内变化了八次，这些电磁铁被固定框架的电磁铁交替吸引和排斥。
让我们假设可移动的电磁铁占据这样一个位置，在该位置上，固定磁铁的每一极都与可移动磁铁的同一极相对； 同时，每个静止的电磁铁都会排斥与滚筒相反的磁铁，并吸引附近的具有相反磁极的磁铁。 如果固定磁铁的磁极不对称，这样的装置就不能工作，因为各种磁铁的作用会相互平衡。 但是由于固定磁铁的极片突出，它们中的每一个都比另一个更弱地吸引最近的顺时针旋转，因此，第一个靠近它，最后一个移开。 四分之一圈后（在雅可比引擎中 - 八分之一之后），相反的磁极将彼此相反，但此时换向器改变了移动磁体中的电流方向，并且一个磁极将再次具有相同的磁极与另一个相反，就像在运动开始时一样。 因此，只要电流保持闭合，运动的磁铁就会再次受到相同方向的推动，依此类推。 换向器是发动机中非常重要且经过深思熟虑的部分。 它由四个安装在轴上并与之隔离的金属环组成； 每个环有四个凹口，对应于圆周的 1/8。 切口用绝缘木衬里填充； 每个环都与前一个环偏移 45 度。 一根杠杆，是一种刷子，沿着环的圆周滑动； 杠杆的另一端浸入装有水银的合适容器中，电池的导体与该容器相连（当时最常见的接触装置是水银化合物）。 安装在电机轴上的圆盘随之旋转。 金属杠杆沿着圆盘的边缘滑动，落在圆盘的非导电部分上，中断电路，当与金属接触时，将其关闭。 圆盘的排列方式是，在相反的磁极相遇的那一刻，接触杆穿过木质金属面，从而改变了电磁铁的绕组方向。 因此，环每转一圈，电路就会断开四次。 如前所述，当时的雅可比发动机是最先进的电气设备。 同年，1834 年，一份关于他工作原理的详细报告提交给了巴黎科学院。 1838 年，雅可比改进了他的电动机，并将其安装在划艇上，十颗卫星以 4 公里/小时的速度沿着涅瓦河进行了一次小型航行。 一个强大的原电池电池用作电流源。 然而，很明显，所有这些实验本质上都是纯粹的示范——在完美的发电机被发明并投入生产之前，电动机无法广泛使用，因为用电池供电太昂贵且无利可图。 此外，由于各种原因（我们将在以下章节中讨论），直流电机的用途有限。 以交流电运行的电动机在生产中发挥着更重要的作用，我们现在转向。 我们记得，交流电的强度和方向不是恒定的。 它的强度首先从零增加到某个最大值，然后再次减小到零，然后电流改变方向，增加到某个负最大值，然后再次减小到零。 （电流从一个正最大值变为另一个最大值所用的时间称为电流振荡周期。）这个过程在高频下重复。 （例如，在照明网络中，1 秒内电流在一个方向流动 XNUMX 次，在相反方向流动 XNUMX 次。）电流的这种行为将如何影响电动机的运行？ 首先，需要注意的是，电动机的旋转方向不取决于电流的方向，因为当电流变化时，极性不仅会在电枢中发生变化，而且会同时在绕组中发生变化，这这就是为什么吸引和排斥继续朝着与以前相同的方向起作用的原因。 由此看来，对于发动机来说，什么样的直流电或交流电完全没有区别——它是供电的。 然而，事实并非如此。 随着电磁铁的频繁磁化反转（每秒数十次），其中会产生涡流，从而减慢电枢的旋转并使其温度大大升高。 电动机的功率急剧下降，最终失效。 对于交流电，需要特殊的电机设计。 发明者无法立即找到它。 首先，开发了所谓的同步交流电动机模型。 1841 年，查尔斯·惠斯通制造了首批此类发动机之一。 假设发动机的固定部分（定子）采用八极冠形电磁铁的形式制成，其交替的极用字母 N 和 S 的极性表示。电枢（或转子）旋转它们之间以星形轮的形式存在，其中八根辐条是永磁体。 它们的固定极点将用字母 n 和 s 表示。 假设交流电通过电磁铁。 然后电磁铁芯的末端将交替改变它们的极性。 想象一下，在定子电磁铁的每个磁极对面的某个点上，都有一个同名的转子磁极。 让我们推动轮子并告诉它这样一个速度，每个辐条 n 将在两个相邻核心 N 和 S 之间的距离等于这些核心保持其极性不变的时间间隔内，即在一个周期内时间等于为电磁铁供电的交流电周期的一半。 在这种情况下，在辐条从核心 N 到核心 S 的整个运动过程中，所有核心都会被重新磁化，这就是为什么随着它的进一步移动，辐条会再次受到来自遗留核心的排斥和吸引力从它接近的核心。
以此原理运行的同步电动机由一个环形多极磁铁和一个星形永久电磁铁组成，该磁铁的极性在交流电的影响下发生变化，该永久电磁铁安装在轴上并以所述方式旋转以上。 为了激发这种永久电磁体，需要直流电，该直流电通过换向器从工作变量转换。 换向器还有另一个用途：它是用来启动发动机的，因为为了保持同步电机转子的旋转，它需要报告一定的初始速度。 打开时，首先通过电路启动直流电，因此电机开始作为直流电机工作并开始运转。 直到发动机达到所需的速度，换向器在移动的电磁铁中反转方向。 当达到同步运行对应的速度时，动磁体的磁极不变，电机开始作为同步交流电机工作。
所描述的系统有很大的缺点，除了同步电机需要一个额外的加速电机来启动之外，它还有另一个缺陷——当过载时，它的冲程同步受到干扰，磁铁开始减慢旋转速度轴，电机停止。 因此，同步电动机并未得到广泛应用。 电气工程的真正革命发生在异步（或感应）电机发明之后。 从下面的演示中可以清楚地看出感应电动机的作用，该演示由法国著名物理学家阿尔戈于 1824 年进行。
用手驱动马蹄形磁铁 NS 绕垂直轴快速旋转。 在柱子上方有一块玻璃板支撑着这个点，上面安装了一个铜圈。 当磁铁转动时，圆内感应出的感应电流及其形成的磁场与底部磁铁相互作用，圆开始与底部磁铁同向旋转。 这种现象用于异步电动机。 它只是使用几个固定的电磁铁来代替旋转的永磁体，这些电磁铁按一定的顺序打开、关闭和改变它们的极性。 让我们用下面的例子来解释一下。
假设 I、II、III 和 IV 是两个电磁铁的四个磁极，在它们之间放置一个金属箭头。 在磁场的作用下，它被磁化并变成沿着电磁铁的磁场线，如你所知，电磁铁离开北极进入南极。 所有四个极点都位于一个圆形中，彼此距离相同。 首先，电流被施加到 II 和 III。 箭头沿磁力线的中轴保持不动。 然后将电流提供给第二电磁体。 在这种情况下，同名的两极将在附近。 现在磁力线的平均导向将从 I 和 II 之间的距离的中间经过 III 和 IV 的中间，箭头将转动 45 度。 我们关闭第一个电磁铁，只留下第二极和第四极活跃。 力线将从 III 指向 IV，因此箭头将再转 45 度。 我们再次打开第一个电磁铁，但同时我们改变了电流的运动，这样第一个磁铁的极性就会改变——箭头会再转 45 度。 关闭第二个电磁铁后，箭头再移动45度，即转半圈。 很容易看出如何让她完成下半圈。 我们描述的设备基本对应于1879年发明的贝利发动机。 贝利制作了两个具有四个交叉磁极的电磁铁，他可以用一个开关对其进行磁化。 在柱子上方，他安装了一个铜圈，悬挂在一个点上。 通过改变磁铁的极性，打开和关闭它们，他使圆圈以与 Argo 实验中发生的完全相同的方式旋转。 这种电动机的想法非常有趣，因为与直流电动机或同步电动机不同，它不需要为转子提供电流。 然而，在贝利创造它的形式中，感应电机还不能使用：其中的电磁铁的切换是在复杂集电极的作用下发生的，此外，它的效率非常低。 但在这种电动机获得生命权之前，只剩下一步，它是在多相电流技术出现之后制造的。 实际上，多相电流已被使用，主要是由于电动机。
例如，要了解什么是两相电流，请想象两个彼此独立的导体，其中流过两个完全相同的交流电。 它们之间的唯一区别是它们不会同时达到最大值。 他们说这种电流是相对于彼此发生相移的，如果将这些电流提供给一个电器，他们说它是由两相电流供电的。 因此，可以有三相电流（如果设备由三个相同的电流相对于彼此相移）、四相电流等。 长期以来，技术中只使用常规的交流电（通过类比多相电流，开始被称为单相）。 但后来发现，在某些情况下，多相电流比单相电流更方便。
1888年，意大利物理学家费拉里斯和南斯拉夫发明家特斯拉（曾在美国工作）发现了旋转电磁场的现象。 其实质如下。 取两个由相同匝数的绝缘线组成的线圈，将它们相互垂直放置，使一个线圈进入另一个线圈。 现在想象电流 i1 在线圈 1 周围流动，电流 i2 在线圈 2 周围流动，i1 在相位上领先 i2 四分之一周期。 正如我们已经说过的，这意味着电流 i1 在电流 i2 为零的时刻达到正最大值。 如果我们用水平面将线圈切成两半并从上方观察它们，我们将看到两个线圈的四个侧面的截面。 让我们在它们之间放置一根磁针并观察它的运动。 交流电流流过的线圈称为电磁铁。 它们的磁场将与针相互作用，转动它。 现在考虑磁针的位置，其轴在不同时间与线圈的垂直轴重合。 在初始时刻 (t=0)，第一个线圈中的电流为零，第二个线圈中的电流通过负最大值（电流方向将按照电气工程中的方式表示 - 具有点和十字；十字表示电流从观察者引出平面图，点表示电流流向观察者）。 在时间 t1，电流 i1 和 i2 彼此相等，但一个为正方向，另一个为负方向。 在t2时刻，电流i2的值下降到零，电流i1达到最大值。 然后箭头将再转 1/8 圈。 以这种方式跟踪过程的发展，我们会注意到，在其中一个电流变化周期结束时，磁针将围绕轴完成一整圈。 然后重复该过程。 因此，通过两个线圈馈入两个相位相差四分之一周期的电流，您可以获得与 Bailey 在他的电机中实现的磁极反转相同的效果，但这里要简单得多，没有任何换向器且不使用滑动触点，因为电流本身控制磁化反转。 所描述的效应在电气工程中得到了均匀旋转磁场的名称。 特斯拉以此为基础设计了历史上第一台两相异步电动机。 总的来说，他是第一个开始尝试多相电流并成功解决产生这种电流的问题的人。 由于从单相电流中得到两相电流并不容易，特斯拉制造了一个特殊的发电机，立即产生了两个相位差为 90 度（即落后四分之一周期）的电流。 在这种发电机中，两个相互垂直的线圈在磁铁的磁极之间旋转。 当一个线圈的匝数在两极之下并且其中感应的电流最大时，另一个线圈的匝数在两极之间（在中性线上）并且它们中的电动势等于零。 因此，在这些线圈中产生的两个电流也彼此异相四分之一周期。
三相电流可以以类似的方式获得（使用彼此成 60 度的三个线圈），但特斯拉认为两相系统是最经济的。 实际上，多相电流系统需要大量电线。 如果在常规交流（单相）电流下运行的电机只需要两根电源线，那么在两相一 - 已经四，三相一 - 六等上运行。 每个线圈的末端被带到位于发电机轴上的环上。 电机转子还有一个绕组，其形式为两个相互闭合的线圈（即，与外部电路没有连接），彼此成直角。 特斯拉的发明标志着电气工程新时代的开始，并引起了全世界最热烈的兴趣。 早在 1888 年 XNUMX 月，西屋电气公司就以 XNUMX 万美元的价格从他那里购买了两相系统的所有专利，并提出在他们的工厂组织异步电机的生产。 这些发动机于次年开始销售。 它们比以前存在的所有模型都要好得多，也更可靠，但它们并没有被广泛使用，因为它们的设计非常不成功。 其中的定子绕组以安装在突出磁极上的线圈的形式制成。 具有两个相互垂直的闭合线圈的滚筒形式的转子设计也没有成功。 所有这些都显着降低了发动机在启动时和运行模式下的质量。 很快，俄罗斯电气工程师 Dolivo-Dobrovolsky 对特斯拉的感应电机进行了重大的重新设计和改进。 1881 年，多利沃-多布罗沃尔斯基因政治原因被里加理工学院开除，前往德国。 在这里，他毕业于达姆施塔特高等技术学校，并于 1887 年开始在德国大型电气工程公司 AEG 工作。 Dolivo-Dobrovolsky 在异步电动机中引入的第一个重要创新是创建带有“鼠笼”绕组的转子。 在所有早期型号的感应电动机中，转子都非常不成功，因此这些电动机的效率低于其他类型的电动机。 （上面提到的法拉利制造了一个效率约为 50% 的异步两相电机，并认为这是极限。）制造转子的材料在这里发挥了非常重要的作用，因为它必须满足两个同时满足条件：电阻低（使感应电流可以自由流过其表面）和良好的磁导率（使磁场的能量不被浪费）。
从降低电阻的角度来看，最好的设计方案可能是铜圆柱形式的转子。 但是铜是定子磁通量的不良导体，这种电机的效率非常低。 如果将铜筒换成钢筒，则磁通量急剧增加，但由于钢的电导率低于铜，效率又低了。 Dolivo-Dobrovolsky 找到了解决这一矛盾的方法：他将转子制成钢筒形式（降低了其磁阻），并开始将铜棒插入沿后者外围钻出的通道中（这降低了磁阻）电阻）。 在转子的前部，这些杆彼此电连接（自身闭合）。 Dolivo-Dobrovolsky 的解决方案被证明是最好的。 1889 年他的转子获得专利后，他的设备直到现在才发生根本性的变化。 之后，Dolivo-Dobrovolsky 开始思考发动机固定部分的定子设计。 特斯拉的设计在他看来是不合理的。 由于电动机的效率直接取决于转子对定子磁场的充分利用程度，因此，更多的定子磁力线接近空气（即它们不穿过转子表面） ，电能损失越大，效率越低。 为防止这种情况发生，转子和定子之间的间隙应尽可能小。 从这个角度来看，特斯拉的发动机远非完美——定子上突出的线圈磁极在定子和转子之间造成了太大的间隙。 此外，在两相电机中，转子没有得到均匀的运动。 以此为出发点，Dolivo-Dobrovolsky 看到了摆在他面前的两项任务：提高发动机的效率并实现更高的运行一致性。 第一项任务很简单 - 移除电磁铁的突出磁极并将它们的绕组均匀地分布在定子的整个圆周上就足够了，这样发动机的效率就会立即提高。 但是如何解决第二个问题？ 只有将相数从两相增加到三相，才能显着减少旋转的不均匀性。 但这条路合理吗？ 如前所述，获得三相电流并不困难。 制造三相电机也不难——为此，在定子上放置三个而不是两个线圈就足够了，并用两根电线将每个线圈连接到相应的发电机线圈。 这台电机应该在各方面都优于特斯拉的两相电机，除了有一点——它需要六根电线来供电，而不是四根。 因此，该系统变得不必要地庞大和昂贵。 但也许有可能以其他方式将发动机连接到发电机？ Dolivo-Dobrovolsky 在多相电路图上度过了一个不眠之夜。 在纸上，他勾勒出越来越多的新选择。 最后，找到了一个完全出乎意料且简单而巧妙的解决方案。
事实上，如果你从发电机环形衔铁的三个点上做分支，并将它们连接到三个环上，电刷沿着这些环滑动，那么当衔铁在两极之间旋转时，每个电刷上都会感应出相同的电流，但时间偏移，这是必要的，以便线圈沿着对应于 120 度角的弧移动。 换句话说，电路中的电流也将在相位上相对于彼此偏移 120 度。 但是这个三相电流系统被证明具有其他多相电流系统所没有的更奇特的特性——在任意时间点上，沿一个方向流动的电流之和在此等于该值向相反方向流动的第三个电流的总和，在任何时候所有三个电流的总和为零。 例如，在时间t1，电流i2经过一个正的最大值，具有负值的电流i1和i3的值达到最大值的一半，它们的和等于电流i2。 这意味着在任何给定时间，系统中的一根导线在一个方向上承载的电流量与另外两根一起在相反方向上承载的电流量相同。 因此，可以将三根线中的每一根用作并联连接的另外两根线的引线，而不是六根线，只用三根！
为了阐明这一极其重要的观点，让我们来看一个假想图。 想象一下，通过一个围绕其中心旋转的圆，有三个相互连接的导体，其中流过三个交流电，相位相差 120 度。 在其旋转过程中，每个导体要么在圆的正部分，要么在负部分，当从一个部分移动到另一个部分时，电流会改变其方向。 该系统充分保证了电流的正常流动（循环）。 实际上，在某个时间点，导体 I 和 II 并联连接，而 III 将电流从它们转移。 过了一段时间，II 和 III 走到了同一边。 现在 II 和 III 并联工作，I 作为普通的载流线。 然后 III 走到我仍然所在的一侧； 现在 II 提取 III 和 I 汇集的金额。 然后我移动到 II 仍然所在的一侧，依此类推。
在上面的例子中，没有提到电流源。 我们记得，这个电源是一个三相发电机。 我们以三个线圈的形式表示发电机的绕组。 为了使电流以我们所描述的方式流动，这些线圈可以以两种方式包含在电路中。 例如，我们可以将它们放在三角形的三个边上，比如左边； 因此，我们得到三个线圈 I、II 和 III，而不是它的三个边，其中感应出电流，相移为周期的 1/3。 我们还可以将电动势的施加点移动到平行导体的末端。 如果我们把线圈放在这里，我们会得到不同的连接。 现在仅用作线圈三个左端的导电连接的三角形可以收缩到一个点。 这些连接，其中第一个称为“delta”，第二个称为“star”，广泛用于发动机和发电机。
Dolivo-Dobrovolsky 在 1889 年冬天制造了他的第一台三相异步电动机。 作为定子，使用了具有 24 个半封闭槽的直流电机的环形锚。 鉴于特斯拉的错误，Dolivo-Dobrovolsky 将绕组分散在定子整个圆周周围的槽中，这使得磁场的分布更加有利。 转子呈圆柱形，带有“鼠笼”绕组。 转子和定子之间的气隙只有 1 毫米，这在当时是一个大胆的决定，因为通常把气隙做得更大。 “松鼠笼”的杆没有绝缘材料。 标准直流发电机用作三相电流源，如上所述重建为三相发电机。 引擎的第一次启动给 AEG 的领导层留下了巨大的印象。 对于许多人来说，很明显，制造工业电动机的漫长荆棘之路终于完成了。 就其技术性能而言，Dolivo-Dobrovolsky 的发动机超越了当时存在的所有电动机 - 具有非常高的效率，它们在所有模式下都能完美运行，可靠且易于使用。 因此，它们立即在世界范围内广泛传播。 从那时起，电动机在所有生产领域的迅速引入和工业的广泛电气化开始了。 作者：Ryzhov K.V.
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