Меню

История создания двигателя переменного тока

История создания электродвигателя (4 фото)

История создания электродвигателя

Первые эксперименты с электромагнитными устройствами
Я хочу начать свой рассказ немного издалека и расскажу тезисно о самых первых исследовательских работах с электромагнитными устройствами.

И начну с экспериментов итальянского ученого А. Вольта, который сконструировал первейший в мире химический источник тока более 200 лет тому назад, а именно в 1800 году.

Спустя двадцать лет уже датский физик Эрстед открывает уникальное свойство: оказывается протекающий ток способен отклонять в плоскости магнитную стрелку.

А уже в 1821 году М. Фарадей, британский прославленный ученый и экспериментатор, представил широкой публике свой трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». В своем труде физик подробно описал, каким образом заставить магнитную стрелку безостановочно крутиться возле фиксированного магнитного полюса.

Выполненная ученым установка позволяла создать безостановочное трансформирование электрической энергии в механическую. Общепринято именно эту конструкцию считать самым первым электродвигателем в современной человеческой истории.

1822 год француз Андре Мари Ампер открывает магнитный эффект соленоида и была сформулирована идея полной эквивалентности катушки с протекающим током и постоянного магнита. Так же для усиления магнитного эффекта было впервые предложено поместить в центр катушки металлический сердечник.

В этом же году П. Барлоу изобретает униполярный электродвигатель – колесо Барлоу.

История создания электродвигателя

1825 год. Ж. Араго демонстрирует общественности опыт, в ходе которого медный диск приводил в движение магнитную стрелку, которая подвешивалась над ним (диском).

В том же году У. Стерджен конструирует первый электромагнит.

В знаменательный 1831 год сразу два великих физика М. Фарадей и Д. Генри, независимо друг от друга открывают такое явление как электромагнитная индукция. Вот только Фарадей первым опубликовывает свои исследования этого явления.

1832 год. Француз И. Пикси создает первый генератор переменного тока следующей конструкции: напротив двух катушек с металлическим сердечником располагался свободно вращающийся магнит подковообразного вида. После добавления к данной конструкции коммутатора установка стала вырабатывать пульсирующий постоянный ток.

В 1833 году общественность увидела электродвигатель на постоянном токе и продемонстрировал эту конструкцию У. Стреджен. И его конструкция считается первой, применимой на практике.

История создания электродвигателя

Все тот же год, Э. Х. Ленц публикует свой труд, в котором доказывает взаимозаменяемость электрического двигателя и генератора (закон взаимности магнитоэлектрических явлений).

И вот только теперь мы добрались до первых реальных электрических двигателей
Май 1934 года

Борис Семенович Якоби разрабатывает первый в мире электродвигатель у которого вращается рабочий вал – все существующие двигатели до этого имели якорь с возвратно поступательным или качательным движением.

Созданный двигатель Якоби имел мощность в 15 Вт и имел частоту вращения вала в диапазоне от 80 до 120 оборотов за 60 секунд.

1939 год
Якоби впервые катает 14 пассажиров по Неве. При этом лодка приводилась в движение электромотором мощностью в 1 лошадиную силу и запитанным от 69 элементов Грове. Это эпохальное событие, которое считается первым реальным применением электродвигателя.

1856 год
Вернер фон Сименс (основатель одноименной фирмы) изобретает первый электрический генератор с двойным Т-образным якорем. Именно он первый придумал расположить обмотки в специальных пазах.

1871-1873 годы
Бельгиец Зеноб Теофил Грамм путем доработки устраняет главный минус электромашин с Т-образным ротором (сильная пульсация вырабатываемого тока и перегрев). Он предлагает использовать конструкцию генератора с самовозбуждением и кольцевым якорем.

1885 год
Г. Феррарис, а затем в 1887 году Н. Тесла независимо друг от друга (по крайней мере так считается) создают двухфазный асинхронный двигатель, вот только Феррарис отказывается от дальнейшего улучшения созданного прототипа, так как считает его малоэффективным. А Тесла патентует свое изобретение и как показала история ошибочно считает двухфазную систему перспективной в будущем.

История создания электродвигателя

Михаил Осипович Доливо – Добровольский ознакомившись с трудами Феррариса изобретает ротор в виде «Беличьей клетки». Дальнейшие работы позволяют создать трехфазную систему переменных токов и трехфазного асинхронного двигателя, конструкция которого на данный момент мало чем изменилась с момента изобретения.

Вот такой витиеватый и очень интересный путь привел к созданию современного мира энергетики.

Источник

История создания электродвигателя переменного тока

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током.

Введение

По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Второе название асинхронных машин

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства и недостатки

  • Лёгкость в изготовлении.
  • Отсутствие механического контакта со статической частью машины.
  • Небольшой пусковой момент.
  • Значительный пусковой ток.
Читайте также:  Как ваттметр включается в цепь тока

История

Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесле

Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США 381,968 от 01.05.1888 (U.S. Patent 0 381 968|заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским .

Доливо-Добровольский установил, что для создания вращающегося магнитного поля — основы работы асинхронного двигателя — технически и экономически целесообразно применение симметричной трехфазной магнитной системы, со сдвигом фаз на 120 электрических градусов. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изготовленный Доливо-Добровольским в 1889 г., продемонстрировал высокую эффективность и неоспоримые преимущества перед двухфазными двигателями Феррариса и Тесла. По словам изобретателя: «уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие… попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении. Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей». Несмотря на это отношение к переменному току у многих оставалось сдержанным. Корифей электротехники Т. Эдисон отказался даже осмотреть новое изобретение, заявив: «Нет, нет, переменный ток — это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем». Вскоре Доливо-Добровольскому удалось решить все основные проблемы, связанные с конструкцией двигателя, устройство которого до настоящего времени принципиально не менялось.

Первая демонстрация

Первой демонстрацией практического применения асинхронного двигателя и трехфазной системы стала Международная электротехническая выставка 1891 г. во Франкфурте-на-Майне. Выставку с гидроэлектростанцией на реке Неккар в городе Лауфен соединила 170-километровая линия электропередачи. А 25 августа на выставке зажглась тысяча электроламп, питаемых током от Лауфенской электростанции. Затем был пущен трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт, приводивший в действие декоративный дестиметровый водопад. Разработки Доливо-Добровольского вскоре были внедрены в производство. Простой, экономичный и надежный двигатель переменного тока, получил широкое распространение и послужил стимулом для развития техники переменных токов и электроэнергетики в целом. В России фирма AEG в конце 90-х гг. XIX в. развернула сеть агентств в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове и других городах, занимавшихся реализацией изделий своих германских предприятий. Генеральное представительство этой фирмы располагалось в Москве, в Лубянском проезде, рядом с Политехническим музеем.

Трехфазный асинхронный электродвигатель типа «DR8O» мощностью 6 л.с. (4 кВт) выпуска 90-х гг. XIX в. из собрания Политехнического музея является одним из первых серийных трехфазных двигателей фирмы AEG. Об этом свидетельствует наличие кольцевой обмотки на статоре. Впоследствии от таких обмоток отказались, перейдя на более совершенные — барабанные.

Заключение

Основные элементы двигателя — трехфазная обмотка статора, шихтованный ротор с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» — предложены и разработаны Доливо-Добровольским. Работа асинхронного двигателя основана на электромагнитном взаимодействии между статором и ротором. Токи статорных обмоток создают вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцируют токи в короткозамкнутой обмотке ротора. В результате взаимодействия токов ротора с магнитным полем статора создается вращающий момент.

Источник

История создания электродвигателя

Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники.

1800, Вольта

Итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.

1820, Эрстед

Датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

1821, Фарадей

Вращающийся проводник Фарадея

Британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей, опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.

1822, Ампер

Французский физик, Андре Мари Ампер, открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Среди прочего Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.

1822, Барлоу

Английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.

1825, Араго

Французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.

Читайте также:  Срок поверки трансформатора тока ттэ

1825, Стёрджен

Британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, в 1825 изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.

1827, Йедлик

Венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов.

1831, Фарадей

Английский физик, Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.

1831, Генри

Американский физик, Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

1832, Пикси

Генератор постоянного тока Пикси

Француз, Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Устройство состояло из двух катушек индуктивности с железным сердечником напротив которых располагался вращающийся магнит подковообразной формы, который приводился в движение вращением рычага. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.

Электродвигатель Стёрджена

1833, Стёрджен

Британский физик, Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в Марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.

1833, Ленц

В начале в электромеханике разграничивали магнито-электрические машины (электрические генераторы) и электро-магнитные машины (электрические двигатели). Российский физик (немецкого происхождения), Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.

Первые реальные электрические двигатели

Май 1834, Якоби

Электродвигатель Якоби

Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.

Источник



Electric revolution

В октябрьском номере «Энерговектора» за 2016 г. мы рассказывали об истории создания двигателей постоянного тока и первых удачных опытах их применения более ста лет назад. Это был настоящий прорыв в электротехнике и вообще практическом применении электроэнергии. Однако вскоре у двигателя постоянного тока появился сильный конкурент – двигатель, работающий на переменном токе, который, как известно, уже к середине ХХ века выиграл борьбу за мировое лидерство. Об истории создания нового двигателя и причинах его успеха мы расскажем сегодня.

Передача энергии

В конце XIX века электрические двигатели постоянного тока приобретали всё большую популярность в промышленном производстве. Но уже в те годы зачастую возникала ситуация, когда крупные электростанции (особенно ГЭС) располагались за сотни километров от потребителей. И перед электротехниками остро встал вопрос о передаче электрической энергии на большие расстояния с минимальными потерями.

Было установлено, что потери в линии можно уменьшить за счёт увеличения сечения провода либо повышения напряжения. Первые проекты по применению провода большого сечения показали, что этот путь экономически невыгодный и фактически труднореализуемый. Так, в 1876 г. немецкий промышленник Вернер Сименс, посетив Ниагарский водопад, высоко оценил возможности его использования в энергетике. Но, по расчётам Сименса, для передачи энергии от водопада на расстояние 50 км требовалась линия с медным проводом, который должен иметь диаметр не менее 75 мм. Конечно, позволить себе потратить столько недешёвой меди промышленники не могли.

Гораздо более выгодным казался второй путь: увеличение напряжения в линии. Опыты, например, французского физика Марселя Депре (1882–1885 гг.), показывали, что, повышая напряжение (в его опытах до 6 кВ), можно значительно увеличить КПД линии, но для этого нужно было строить генераторы высокого напряжения, которые постоянно перегревались и выходили из строя. Кроме того, конечные потребители не могли использовать высокое напряжение. Для его понижения до сотни вольт приходилось строить сложную преобразовательную систему «высоковольтный мотор – низковольтный генератор». При этом потери ещё сильнее возрастали, в результате передача электроэнергии на большие расстояния становилась бессмысленной.

Работая над этой проблемой, к середине 1880-х годов электротехники установили, что легче изготовить высоковольтный генератор переменного напряжения, чем постоянного. Более того, необходимое для экономичной передачи высокое напряжение имеет смысл получать даже не в самой динамо-машине, а с помощью отдельного повышающего трансформатора (изобретённого в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым), что значительно проще и эффективнее. При этом на конце линии электропередачи устанавливался понижающий трансформатор. Однако в этом случае возникала необходимость в применении выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный, которые по тем временам были непростыми и обладали большими потерям. Так возникла насущная потребность в изобретении двигателя, способного работать на переменном токе.

Тесла и Феррарис

За работу по созданию такого двигателя одновременно принялись изобретатели со всего мира. Опыты Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г.), Бредли (1887 г.), Ф. Хазельвандера (1887 г.) и многих других изобретателей были интересны, но ни один из них не мог удовлетворить нужды промышленности: электродвигатели получались либо громоздкими и неэкономичными, либо сложными и ненадёжными.

Читайте также:  Формула расчета силы тока из квт


Двухфазный электродвигатель Теслы

В 1888 г. произошёл долгожданный научный прорыв: независимо друг от друга сербский физик-изобретатель Никола Тесла и итальянский физик Галилео Феррарис научно описали явление вращающегося электромагнитного поля в современном его понимании. Однако Феррарис в своём докладе сделал ошибочный вывод о нецелесообразности применения переменных многофазных токов, главным образом из-за низкого КПД электрических установок (по его расчётам, не более 50%), и не стал продолжать исследования в этом направлении, тогда как Тесла видел будущее электротехники именно за переменным током.

В том же 1888 г. Тесла, исходя из принципа вращения магнитного поля, создал сложную систему, состоявшуюся из генератора, линии проводной связи и самого двигателя переменного тока. Стоит отметить, что еще в 1887 г. Тесла теоретически описал все возможные случаи сдвига фаз и получил патент на многофазные электрические машины с вращающимися полями. В своих опытах он остановился на двухфазном варианте со сдвигом фаз 90°, но обрисовал возможность внедрения машин и с большим числом фаз. Кроме того, Тесла также получил патенты на системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока.

Уже в июне 1888 г. компания Westinghouse Electric купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели по сравнению с ранее созданными были более надёжными и эффективными, но, тем не менее, имели и значительные недостатки. Выступающие полюса статора с сосредоточенной обмоткой, большое магнитное сопротивление, необходимость использования четырёх проводов – всё это ухудшало характеристики машины и удорожало сооружение линий электропередачи. Неудачным оказался и выбор двухфазной системы, хотя сам Тесла считал её оптимальной среди всех возможных многофазных систем.

Две фазы или три?

Двухфазные асинхронные двигатели и электрогенераторы Теслы, несмотря на ряд недостатков, получили достаточно широкое распространение в США. В 1895 г. на основе двухфазных генераторов и двухфазной системы электропередачи была построена Ниагарская ГЭС, которая на тот момент была крупнейшей в мире (её мощность составляла 50 тыс. л. с.). Однако со временем из экономических и технических соображений американцы полностью заменили двухфазные системы на трёхфазные, наибольшая заслуга в разработке которых среди учёных и инженеров разных стран принадлежит русскому электротехнику Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому.


Трёхфазный электродвигатель Доливо-Добровольского

М. О. Доливо-Добровольский в своих разработках взял за основу двигатель Теслы и усовершенствовал его, используя вместо двух обмоток три сдвинутые на 120° обмотки переменного тока. В 1888 г. он построил свой первый трёхфазный генератор переменного тока мощностью около 3 кВт, от которого привёл в действие трёхфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма и ротором в виде сплошного медного цилиндра.

В 1889 г. конструкция двигателя была значительно улучшена. На этот раз в качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24 полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Н. Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки – разместил их в пазах по всей окружности статора, добившись более удачного распределения магнитного поля. Ротор же был выполнен в виде цилиндра с обмотками по типу «беличьего колеса». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали значительно больше. Опытная установка поражала всех электротехников весьма небольшими размерами для своей мощности.

Меньше проводов

Исследуя свойства трёхфазной системы, Михаил Осипович доказал, что в любой момент времени сумма токов системы равна нулю (при исправном оборудовании. – Прим. ред.), и поэтому для передачи энергии к электродвигателю достаточно трёх проводов, что позволяло при прочих равных условиях экономить четверть меди по сравнению с двухфазной цепью. Одновременно М. О. Доливо-Добровольский исследовал соединения звездой и треугольником, экспериментировал с токами различных напряжений и с машинами, имеющими разное число пар полюсов, разработал все элементы классических трёхфазных цепей переменного тока: трёхфазные трансформаторы, пусковые реостаты, измерительные приборы, схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником.

По своим техническим показателям электродвигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы и были настолько удачны, что практически не претерпели существенных изменений до настоящего момента.

Конкуренция между системами постоянного и переменного тока на Западе, получив оригинальное название «войны токов», продолжалась вплоть до ноября 2007 г., когда энергосистема Нью-Йорка была окончательно переведена на переменный ток. Он предоставляет энергетикам несколько существенных преимуществ, таких как простота передачи энергии на большие расстояния, возможность лёгкой трансформации напряжения, более надёжная и простая конструкция генератора и электродвигателя. И именно поэтому сегодня подавляющее большинство потребителей использует для своих нужд переменный ток, а трёхфазная система переменного тока и трехфазные электродвигатели, доказав свою высокую эффективность, получили массовое распространение во всём мире.

Источник