9.1. Перші електродвигуни

Нам вже відомі способи перетворення механічної енергії в електричну. Але і енергію елек тричного струму можна перетворити в енергію руху. Динамо машину, яка виробляє елек тричний струм, називають первинною машиною, або генератором, а пристрій, що приймає електричний струм і перетворює його в механічну енергію, називають вторин ною електричною машиною, або електродвигуном. При цьому перетворення електричної енергії в механічну, як і зворотне, відбувається не безпосередньо, а за рахунок явища електромагнетизму.

Вже досліди М. Фарадея, проведені ним ще в 1821 році, можна вважати наочною ілюстрацією принципової можливості побудови електродвигуна. Досліджуючи взаємодію провідників зі струмом і магніту, він показав, що електричний струм викликає обертання провідника навколо магніту або обертання магніту навколо провідника зі струмом.

У 1833 р. англійський учений У. Річчі створив прилад, в якому магнітне поле викликалося постійним нерухомим магнітом. Між його полюсами на вертикальній осі вміщувався електромагніт. Взаємодія полюсів постійного магніту і електромагніту приводила до обертання електромагніту навколо осі. Напрям струму періодично змінювався комутатором. Внаслідок своєї примітивної конструкції і незначної потужності електродвигун Річчі не міг одержати практичне застосування.

Перші пристрої для перетворення електричної енергії в механічну застосовувалися головним чином для отримання змінно-поворотного руху в так званих електричних переривачах. Основним елементом їх є вібруючий якір, що притягується електромагнітом під дією електричного струму і повертається назад за рахунок стиснення пружини при розриві електричного кола (мал. 9.1.). Такі пристрої набули достатньо широкого поширення у вигляді, наприклад, електричних дзвінків. Але значно цікавіше було перетворити електричну енергію в обертальну. Найпростішим способом цього можна досягти, прикріпивши до вібруючого якоря шатун, що діє на кривошип валу і викликає за допомогою коливань обертальний рух. Прикладом такої простої конструкції може служити електродвигун Грюеля (мал. 9.2).

Мал. 9.1. Автоматичний переривач Мал. 9.2. Електричний двигун Грюеля

Збільшуючи кількість електромагнітів, можна одержати значно більш плавний обертальний рух. Дві системи електромагнітів першим застосував російський учений Б.С. Якобі, який створив в травні 1834 р. електричний двигун (мал. 9.3) з обертальним рухом якоря, що діяв на принципі притягання і відштовхування між електромагнітами. Як джерело живлення електромагнітів використовувалася батарея гальванічних елементів, а для зміни полярності рухомих електромагнітів – комутатор.

У листопаді 1834 року Якобі подав до Паризької академії наук повідомлення про цей пристрій. Звістка про винахід Якобі дуже швидко розповсюдилася. Сам автор широко демонстрував цей електродвигун і піддавав його випробуванню для приведення в обертання різних механізмів.

Він виходив із законів і уявлень Ампера та Фарадея, доповнених власними дослідженнями, проведеними спільно з академіком Е. Ленцем наприкінці 1830-х років. У процесі вдосконалення двигуна Якобі об’єднав декілька електродвигунів в один агрегат, розташувавши нерухомі магніти та магніти, що обертаються, в одній площині, тобто пішов шляхом механічного з’єднання певного числа елементарних машин. При цьому збільшилися розміри електродвигуна у вертикальному напрямі, а це було зручно для створення дослідної суднової установки. У 1838 році Якобі побудував перший магніто-електричний двигун, що приводив в рух на річці Неві проти течії човен з чотирнадцятьма людьми на борту.

Одна з петербурзьких газет 1839 р. писала про випробування «електричного боту»: «...катер з дванадцятьма людьми, рухомий електромеханічною силою (у 3/4 к.с.), ходив декілька годин проти течії, при сильному зустрічному вітрі... Що б не було згодом, важливий крок вже зроблений, і Росії належить слава першого застосування теорії до практики». Випробування електродвигуна Якобі показали можливість практичного застосування електродвигунів, але водночас виявили, що при живленні їх струмом від гальванічних батарей (на боті Якобі спочатку було встановлено 320 гальванічних елементів) механічна енергія виходить дуже дорогою. Проведені досліди і теоретичне дослідження привели Б.С. Якобі до дуже важливого висновку: застосування електродвигунів знаходиться в прямій залежності від здешевлення електроенергії, тобто від створення генератора, економічнішого, ніж гальванічні батареї.

Мал. 9.3. Електричний двигун Якобі

Всі електричні двигуни постійного струму, створені пізніше, були по суті лише удосконаленням електродвигуна Якобі.

Наприкінці XIX – на початку XX століття винахідники в багатьох країнах намагалися удосконалювати систему отримання, передачі, перетворення електрики в механічну роботу і пристосувати її для переміщення і підняття вантажів, освітлення вулиць та іншого. В Європі та в Америці найбільшого поширення набули електродвигуни малої і середньої потужності, які використовувались в основному для міського електротранспорту і в легкій (наприклад швейній і текстильній) промисловості.

Мал. 9.4. Відділення електродвигунів постійного струму на заводі Шуккерта в Нюрнберзі

Мал. 9.5. Електродвигун постійного струму виробництва «Німецьких електричних заводів» в Ахені

Мал. 9.6. Потужний електродвигун постійного струму швейцарської фірми «Ерлікон»

На мал. 9.4 представлено загальний вигляд цеху з виробництва електродвигунів постійного струму на заводі Шуккерта в Нюрнберзі. Такі електродвигуни наприкінці XIX століття з розвитком центральних електричних станцій масово встановлювалися на крупних заводах Європи і повністю витіснили дорогі та ненадійні ремінний або ланцюговий приводи. Лідером з виробництва електродвигунів постійного струму в Німеччині були «Німецькі електричні заводи» в Ахені. Завдяки своїй надійності та компактності ці електродвигуни набули значного поширення (мал. 9.5).

Порівняно з іншими типами двигунів електродвигун мав такі важливі переваги, що дуже швидко став встановлюватися скрізь, де тільки була можлива доставка електричного струму. Перш за все він відрізнявся легкістю установки, простотою обслуговування і відносною компактністю порівняно з іншими типами двигунів (наприклад газомоторами) аналогічної потужності. Електродвигуни малої і середньої потужності не вимагали могутніх фундаментів і могли встановлюватися прямо на підлозі або навіть на стінних кронштейнах. Крім того, при кваліфікованому обслуговуванні експлуатація їх була практично безпечна.

Наприкінці XIX століття в Швейцарії серія електродвигунів середньої і великої потужності вироблялася на фірмі «Ерлікон». При цьому на електродвигунах потужністю до 100 к.с. застосовувався якір Грамма, а на потужних – до 250 к.с. і більше – багатополюсний якір (мал. 9.6). В Америці великого поширення набули електродвигуни невеликої потужності, наприклад двигуни конструкції Франка Спрага (мал. 9.7).

Необхідно відзначити, що на початку ХХ століття історія практичного використання електричних двигунів не досягла ще і 15-річного віку, але темпи і масовість їх застосування були дуже значними. Цьому сприяло інтенсивне будівництво центральних міських електричних станцій і широко розгалужених розподільних електричних мереж, а також безперечні переваги електродвигунів порівняно з паровими машинами і газомоторами такої самої потужності.

Що стосується обслуговування, то воно обмежувалося тільки змащуванням підшипників і правильною установкою щіток. Крім того, з розвитком масового застосування електричних двигунів центральні міські електричні станції, що працювали в основному в темний час доби для цілей електричного освітлення, дістали можливість значно раціональніше використовувати потужності своїх генераторів, виробляючи електричну енергію в денний час для живлення численних електродвигунів. Наприклад, Берлінська центральна електростанція, створена в 1884 р. спочатку для забезпечення електричного освітлення, на кінець 1892 р. забезпечувала електричною енергією 156 електродвигунів постійного струму загальною потужністю в 525 к.с. Наступного року станція забезпечувала електроенергією вже 311 електродвигунів потужністю в 1070 к.с., а до 1898 р. загальна потужність рухового навантаження склала вже 15400 к.с., або 11400 кВт, до яких потрібно додати ще 2100 кВт рухового навантаження електричних залізниць.

Мал. 9.7. Американський електродвигун середньої потужності конструкції Спрага

Мал. 9.8. Типографський друкарський верстат з електричним приводом Мал. 9.9. Електродвигуни в машинному залі заводу

Мал. 9.10. Сушильна центрифуга з електричним приводом

Мал. 9.11. Електричний відцентровий насос з двигуном Кертінга

Мал. 9.12. Токарний верстат з електроприводом.

Прихід ХХ століття ознаменувався масовим використанням електроприводу постійного струму в різних галузях промисловості. На мал. 9.8 показаний друкарський верстат з електричним приводом, а на мал. 9.9 – загальний вигляд машинного залу заводу зі встановленими електричними двигунами.

Одна з безперечних переваг використання електричних двигунів полягає в можливості підвищення коефіцієнта корисної дії механізму при відмові від використання неефективних і ненадійних ремінних і ланцюгових передач і переході на прямий електричний привід. Особливо значною ця перевага стає при необхідності використання високооборотного приводу. На мал. 9.10 показана сушильна центрифуга з електричним приводом виробництва «Німецьких заводів» в Ахені, а на мал. 9.11 – електричний відцентровий насос з двигуном Кертінга. Така конструкція знайшла широке застосування при розробці промислових і пожежних помп, тобто систем для перекачування води.

Мал. 9.13. Електричний ворот Мал. 9.14. Електричний ліфт

У промислових і житлових будівлях широко використовувалися вентилятори з електричним приводом. Застосування електроприводу знайшлося і при виробництві різних верстатів, машин і підйомних механізмів. На мал. 9.12 показаний токарний верстат з електроприводом, а на мал. 9.13 – електричний ворот, що використовувався в різних підйомних пристроях, наприклад в ліфтах (мал. 9.14) або при влаштуванні транспортувальних механізмів (мал. 9.15). На мал. 9.16 показано загальний вигляд портового крану вантажопідйомністю 150 тонн з електроприводом.

Мал. 9.15. Завантаження корабля за допомогою електричного транспортеру

З області домашнього застосування можна відзначити електроприводні швейну, свердлувальну і навіть зуболікарську машини.

Мал. 9.16. Портовий кран вантажопідйомністю 150 тонн з електроприводом