Доброго времени суток. В предыдущей статье мы рассматривали конструкции электродвигателей постоянного тока. Однако, у электросетей постоянного тока имелся значительный недостаток. Постоянный ток нельзя было передавать на значительное расстояние.
Эта проблема была решена только после появления систем переменного тока. Разумеется, это потребовало разработки электродвигателей переменного тока. В этой статье будет рассмотрен процесс создания и разобраны основные конструкции таких электродвигателей.
Электродвигатель Уитсона
Уже в 1841 году английский изобретатель Чарльз Уитсон предложил конструкцию первого однофазного двигателя переменного тока. Его особенностью было то, что он запускался как двигатель переменного тока, при помощи разгонного универсального двигателя.
После того как скорость вращения ротора совпадала со скоростью вращения магнитного поля питающего напряжения, двигатель переходил на переменный ток и работал как синхронный двигатель. Конструкция имела существенный недостаток — при превышении нагрузки, синхронность терялась, и двигатель останавливался.
Рассмотрим подробнее конструкцию.
Статор (1) состоит из 6 электромагнитов, установленных неподвижно. Ротор (2) состоит из медного диска, на котором закреплены три постоянных магнита подковообразной формы. На рисунке полярность постоянных магнитов ротора обозначена латинскими буквами N и S (3), а полярность электромагнитов статора обозначена как n и s.
При повороте ротора против часовой стрелки на 60° произойдёт переключение полярности полюсов электромагнитов статора, что приведёт к тому, что ротор повернётся ещё на 60°.
Соответственно, для работы двигателя необходимо, чтобы переключение электромагнитов статора происходило синхронно с частотой вращения ротора. Благодаря этому обстоятельству, такие двигатели стали называть синхронными, а само магнитное поле, которое изменяется синхронно с ротором, то есть как бы шагает с ним, стали называть шагающим.
Впоследствии конструкция синхронных двигателей была улучшена, но основные проблемы, связанные с износом щёток, а также с искрением, которое было напрямую связано с износом, не были решены. Кстати, в современных двигателях подобные проблемы решают используюя индуктивное возбуждение. Для этого на роторе электродвигателя вместо контактных колец помещают дополнительную обмотку. Вокруг данной обмотки расположен дополнительный статор, на который и подаётся возбуждение.
Вращающееся магнитное поле
Все вышеописанные проблемы были решены только с появлением асинхронного двигателя, разработка которого стала возможна благодаря концепции вращающегося магнитного поля, практически предложенной в одно и то же время, в середине 1880 годов, учёными Н. Тесла и Г. Феррарисом.
Отличие вращающегося от шагающего магнитного поля, заключается в том, что вектор магнитного потока в статоре будет постоянным по величине, непрерывным, равномерным и вращаться синхронно. Если внутри статора окажется ротор из магнитного материала, он также будет вращаться синхронно с магнитным полем статора.
Опыт Араго
Важным моментом в разработке асинхронного двигателя стал опыт учёного Д. Араго, продемонстрированным им в 1824 году. Это явление он назвал «магнетизмом вращения». Опыт заключался в том, что магнитная стрелка компаса начинала отклоняться в сторону вращения, если металлический диск вращался над стрелкой или под ней. Эффект сохранялся, даже если диск был изготовлен из немагнитного металла, например, из меди.
Объяснить природу опыта смог М. Фарадей, после того как он открыл явление электромагнитной индукции 1831 году. Вращение стрелки происходило из-за появления в диске вихревых токов, которые были индуцированы вращающимся магнитным полем стрелки. Соответственно, эти вихревые токи приводили к созданию собственного магнитного поля, которое взаимодействовало с магнитным полем стрелки компаса.
Электродвигатель Феррариса
Для получения непрерывного магнитного поля должны выполняться два условия, которые были математически обоснованы в докладе Феррариса в 1888 году в Туринской академии наук.
Во-первых, двигатель должен иметь две независимые обмотки (фазы), у которых магнитные потоки, должны быть направлены перпендикулярно друг другу. Во-вторых, напряжения в двух фазах должны иметь сдвиг в 1/4 периода.
Для подтверждения своей теории Феррарис ещё в 1885 году изготовил двигатель, имевший мощность 3 Вт. Конструкция представляла собой статор (2), на котором были расположены четыре электромагнита, обмотки котрых были разделены на группы по фазам А и В. Разделение достигалось применением проводов разных диаметров, подобранных так, что при подключении одной фазы, создавался индуктивный сдвиг по фазам на 90°.
Ротор (1) данного двигателя представлял собой полый медный цилиндр, помещённый в центре статора (2). Буквами «А» и «В» обозначены полюса, или просто обмотки, сдвиг фаз тока в них обеспечивался проводом разного сечения.
Создатель двигателя был уверен, что промышленного применения у его изобретения нет, так как коэффициент полезного действия не превышал 50%. Поэтому он не стал его патентовать.
Разработку асинхронного двигателя проводил и Н. Тесла. В отличие от Феррариса он получил патент на своё изобретение в 1887 году, где он предлагал использовать напряжения, имевшие сдвиг по разным фазам, получаемые от генератора.
Электродвигатель Тесла
Именно Тесла удалось доказать, что для рационального применения, количество фаз должно быть две или больше. Впоследствии он создаёт различные модификации электродвигателей, а патенты на них продаёт известному американскому предпринимателю Вестингаузу.
Электродвигатель с короткозамкнутым ротором
Однако, современный вид асинхронные электродвигатели приобрели благодаря трудам учёного М. О. Доливо-Добровольского. Именно ему принадлежит идея выполнить ротор двигателя короткозамкнутым, в виде беличьей клетки.
Конструкция ротора представляла стальной цилиндр, в котором были выполнены каналы. В этих каналах были размещены медные стрежни, которые были электрически связаны между собой.
Также заслугой учёного была разработка трёхфазной сети переменного тока, где токи имели сдвиг по фазам в 120°. При этом было обосновано соединение фаз в треугольник или звезду.Такая система требовала для работы только три провода, что делало её наиболее экономически выгодной.
Это было доказано на практике в 1891 году, при проведении международной выставки во Франкфурте на Майне. Здесь впервые была организована передача электроэнергии на 175 км. Для этого использовалась гидроэлектростанция в Лауффене, выработанная электроэнергия которой повышалась, при помощи трансформатора и передавалась на Выставку по воздушной линии электропередач.
Затем, при помощи понижающего трансформатора, происходило понижение напряжения, которое использовалось для работы электродвигателя и для работы 1 тыс. ламп накаливания. В свою очередь, электродвигатель приводил в движение насос, который качал воду для декоративного водопада на Выставке.
Заключение
В данной статье были рассмотрены только основные этапы разработки и улучшения конструкции электродвигателей переменного тока. Разумеется, созданию как электродвигателя, так и современной системы передачи электроэнергии предшествовала напряжённая работа множества учёных. Однако, объём данной статьи не позволяет более подробно остановиться на них.
