Ещё студентом Никола Тесла видел в лаборатории динамо-машину Грамма: щётки тёрлись о вращающийся коллектор и сыпали искрами, металл выгорал.
Преподаватели уверяли, что без этого скользящего контакта мотор не построить. Тесла придумал, как обойтись вовсе без него - заставить вращаться не железо, а само магнитное поле.
Первый рабочий образец он собрал в Страсбурге в 1883-м, патент получил в 1888-м, а права продал Вестингаузу за 65 000 долларов.
Как идея дошла до промышленного вида
Доделал идею до промышленного вида Михаил Доливо-Добровольский, русский инженер, работавший в Германии. В 1889 году он собрал трёхфазный двигатель с тем самым ротором-"клеткой", а в 1891-м прогнал ток по проводам на 175 км, от Лауффена до Франкфурта, и запитал целую выставку.
Работает он так: три обмотки в неподвижной части гонят магнитное поле по кругу, а ротор тянется за ним следом. Ротор всегда чуть отстаёт, на пару процентов, оттого мотор и зовут асинхронным, несинхронным с полем.
Заводы он захватил мгновенно. Насосы, вентиляторы, станки, краны - всё это до сих пор крутят такие моторы, 9 из 10 промышленных двигателей в мире именно асинхронные.
Один-единственный изъян
Скорость асинхронника намертво привязана к частоте тока. При наших 50 Гц он крутит ровно 3000 оборотов в минуту, и ни оборотом меньше, если не терять силу. А частоту во всей сети задаёт энергосистема разом, под одну машину её не подкрутишь.
Дошло до того, что одно время частоту подгоняли как раз под мотор: у Вестингауза его сперва кормили током 133 Гц, но он раскручивался слишком сильно, и частоту сбросили до 60 Гц. На этих 60 Гц Америка и западная Япония работают до сих пор.
Сменить обороты прямо в машине можно было только одним трюком - переключить число полюсов в обмотке. Давал он лишь пару готовых ступеней, скажем, 3000 и 1500 оборотов, а не плавный ход от нуля и выше.
Заводскому насосу хватало с лихвой: он весь день молотит на одной скорости. А трамвай трогается, разгоняется, ползёт к остановке, тормозит, стоит и снова рвёт с места, и так сотни раз за смену. Асинхронник так не умел. Умел его соперник.
Почему век возил пассажиров худший мотор
Коллекторный двигатель постоянного тока регулируется до смешного просто: добавил напряжения - закрутился быстрее, убавил - сбросил обороты. С места тянет мощно, тяжёлый вагон стронет без труда.
Первый в мире электропоезд Сименса в Берлине в 1879 году бегал именно на таком моторе - тогда асинхронника ещё на свете не было. Транспорт родился на коллекторном двигателе и держался за него потом сто лет.
Платили за это сполна. Щётки стирались и просили замены, коллектор искрил, в худшем случае по нему проходил круговой огонь - сплошная дуга через все пластины, после которой мотор шёл в ремонт.
Дороже всего обходился сам разгон. Чтобы пустить вагон медленно, лишнее напряжение гасили на пусковых сопротивлениях, попросту переводя часть электричества в тепло.
Грелись они так, что на трамваях "Татра" их обдували отдельным вентилятором. На троллейбусах ЗиУ-9 это тепло пустили в дело: зимой горячий воздух от сопротивлений заслонкой заворачивали в салон, а летом сбрасывали наружу.
Как электроника вернула мотору корону
Перелом начался с тиристора, мощного электронного ключа, который появился к концу 1950-х. На его основе собрали импульсные системы, заменившие прожорливые реостаты: ток к мотору стали подавать короткими порциями, а не гасить лишнее в нагревателях. Токийское метро на такой схеме уже в 1960-х экономило 25-30% энергии.
Но щётки и коллектор тиристор не убирал - он лишь экономнее кормил тот же старый мотор. Убрал их преобразователь частоты. Этот ящик выпрямляет ток из сети в постоянный, а потом нарезает из него переменный любой частоты, какая нужна.
Именно этого асинхроннику не хватало целый век: теперь его скорость можно задавать как угодно, плавно и точно, меняя частоту на выходе. Когда в 1980-х подоспели транзисторы IGBT, а в 1990-х - микропроцессоры с широтно-импульсным управлением, такой блок стал дешёвым и компактным.
Первый электровоз на асинхронных моторах с возвратом энергии в сеть, немецкий серии 120, пошёл по рельсам в 1979 году.
Опытный электровоз ВЛ80а с асинхронными моторами построили ещё в 1971-м, но полупроводники тех лет не держали нагрузку и быстро сдавали.
В 1992 году асинхронный привод поставили на опытный вагон метро "Яуза", и сгубила его мелочь на сборке: тиристоры низшего класса по документам провели как сортом выше. В приводе они продержались недолго и начали отказывать один за другим.
Асинхронную схему сняли, а вагон доделали на обычных коллекторных моторах. Своего надёжного тиристорного управления для электровозов в СССР, а потом и в России, так и не сделали - ставили либо чужое, либо коллекторные моторы по старинке.
Где асинхронник работает сегодня
Сегодня асинхронник стоит почти всюду, где раньше ему не было места. Новые электровозы, трамваи "Витязь" и "Львёнок", вагоны метро, электробусы - всё это тянут моторы без щёток и коллекторов, а скоростью командует электроника.
Первые машины фирмы, названной в честь Теслы, ездили именно на его двигателе: Roadster, Model S, Model X - все на трёхфазном асинхроннике.
В более новых Model 3 и Model Y главным сделали уже другой мотор, с постоянными магнитами, а асинхронный оставили помощником на передней оси.
Освободил мотор от розетки инженер Алан Коккони, собравший около 1990 года компактный преобразователь для электромобиля, и его наработки фирма взяла для своего первого Родстера.
В фирменном знаке Tesla - стилизованный срез того самого ротора, медной "клетки", которую Тесла нарисовал в 1888 году.