История изобретения и развития электродвигателя

Середина XIX столетия ознаменовалась особенно крупными сдвигами в науке и технике. Происходит научно-техническая революция, и буквально на протяжении одного поколения стало обыденным и привычным то, что еще в начале прошлого века казалось мечтой, плодом безудержной фантазии.

Одно из важнейших достижений XIX столетия есть изобретение электродвигателя. Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды. Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия — от 65 до 80% для машин мощностью около 1 квт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить, что КПД других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30-40%.

Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешевой. К тому же, эта заслуга принадлежит русскому ученому Б.С. Якоби. Благодаря своей компактности, экономичности, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания, удобным мотором, он достаточно быстро вытеснил остальные виды двигателей.

В настоящее время жизнь человечества без электродвигателя трудно представляется. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — все это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Цель данной работы: изучить историю создания и проследить этапы развития электродвигателей.


Машины, в которых преобразование энергии происходит в результате явления электромагнитной индукции, называются электрическими. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин. Удивительно, но первый электродвигатель появился раньше двигателя внутреннего сгорания. Как это было…

5 стр., 2118 слов

Применение транспортирующих машин непрерывного действия

... готовой продукции. Применяемые в строительстве машины и установки непрерывного транспорта подразделяются на следующие группы: 1) ... работ и поточных технологических операций. Машины непрерывного действия характеризуются непрерывным перемещением насыпных или штучных грузов ... двигателя, расчет приводного и натяжного устройства и др. По степени подвижности транспортирующие машины ...

Большими недостатками прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и «дробления» полученной от нее энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Процесс вытеснения пара электричеством совершался параллельно с прогрессом методов генерирования и передачи электроэнергии на расстояние, с успехами в создании электродвигателей и в разработке рациональных систем электропривода.

Электрический привод обладал высоким КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно-поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.

Майкла Фарадея

Майкла фарадея 1

Рисунок 1 — Магнитоэлектрический генератор Фарадея («диск Фарадея»)

опыт Фарадея являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя

электромагнитнойиндукцией

ЭмилийЛенц

Эмилийленц 1

Рисунок 2-КатушкаЛенца

Исследование английского физика и опыты русского академика сыграли решающую роль в истории электродвигателя и развитии всего электромашиностроения в целом. Разработки теоретических предпосылок моментально дали толчок для создания первых электродвигателей и генераторов электрического тока.

Питер Барлоу

Питер барлоу 1

Рисунок 3 — Колесо Барлоу

Джозеф Генри

Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. В течение некоторого времени различные ученые пытались продолжить развивать тему двигателей качательного типа, но постепенно научное сообщество пришло к выводу, что более прогрессивным является схема двигателя с вращением якоря и качательные двигатели были окончательно забыты.

Таким образом, открытие законов электродинамики Ампером и законов электромагнитной индукции Фарадеем не только опровергли представления об отсутствии связи между механическими и электрическими явлениями природы, но и создали теоретические предпосылки возможностей получения механической работы за счет электрической энергии (электродвигатель).

Далее электрический двигатель выходит за стены научных лабораторий. Этот этап характеризуется практическим направлением конструкторов-изобретателей.

9 стр., 4078 слов

Двигатели постоянного тока: пуск, регулирование скорости, тормозные режимы

... в нем установится постоянный ток I. В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. ... в машине магнитное поле. Каждый полюс является электромагнитом, состоит из стального сердечника с полюсным наконечником (башмаком) и катушечной обмотки из изолированного медного провода. ...

постоянного тока

электрический индукция машина электромагнитный

Б.С. Якоби

Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора. Двигатель оснащен был двумя группами электромагнитов П-образной формы, одна из них располагалась на стационарной раме. Наконечники полюсов устроены были асимметрично, то есть, удлинены в одну сторону. Вал у двигателя состоял из двух параллельных дисков из латуни, которые соединялись четырьмя электромагнитами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Во время вращения вала против полюсов неподвижных электромагнитов проходили электромагниты подвижные. Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80-120 об/мин. В то время двигатель Якоби являлся важнейшим техническим достижением (рис. 4).

Джозеф генри 1

Рисунок 4 — Общий вид электродвигателя Якоби

В ноябре 1834 он представил Парижской академии наук сообщение об этом устройстве. Сообщение было прочитано на заседании Парижской академии в декабре 1834 г. и немедленно после этого опубликовано. Таким образом, известие об изобретении Б.С. Якоби очень скоро распространилось по всем странам. Однако, первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы.

Т. Девенпортом

Отдельно от конструкции с магнитами, на подставке, располагались медные пластины, разделенные посередине изоляцией. Обмотка электромагнитов была соединена последовательно, а ее концы имели пружинящие контакты. Электродвигатель приводился в движение за счет взаимодействия постоянных магнитов и электромагнитов, причем электромагниты изменяли свою полярность в соответствующие моменты, под воздействием энергии с коммутатора. В этой конструкции были некоторые прогрессивные идеи, на которые по-видимому, обратили внимание конструкторы электродвигателей, в том числе и Б.С. Якоби.

первое практическое применение

Испытания электродвигателей Якоби, установленного на боте обнаружили, что при питании электродвигателей током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой; вследствие этого была признана крайняя неэкономичность электродвигателей — на данном этапе развития электротехники. Необходимо отметить и то, что основным недостатком гальванических батарей является их малая энергоёмкость (т.е. малая мощность на единицу веса), вынуждавшая использовать очень большое число батарей, что для многих транспортных установок является неприемлемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов.

Таким образом, испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

  • применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
  • электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.

Из электрических двигателей (рис. 5), получивших практическое применение следует отметить двигатель французского инженера Фромана, применившего его в типографии. В то время большинство производственных операций в типографиях велось либо ручным способом, либо на машинах с ручным приводом. Появление крупных печатных машин потребовало привода от двигателя. Для одной крупной печатной машины, обычной для типографии того времени, работавшей к тому же периодически, а не в течение целого рабочего дня, проще было использовать электродвигатель. Электромагниты этого двигателя расположены по окружности (шесть пар, на рисунке верхние две пары сняты для того, чтобы лучше показать якорь двигателя с железными пластинами, притягиваемыми и отталкиваемыми электромагнитами).

15 стр., 7084 слов

Электродвигатели

... линейным проводам трехфазной сети. Роторы асинхронных электродвигателей выполняют двух видов: с короткозамкнутой и фазной обмотками. Первый вид двигателей называют асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а второй – асинхронными ...

Т девенпортом 1

Рисунок 5 — Общий вид электродвигателя Фромана

Все рассмотренные выше электродвигатели действовали на принципе взаимных притяжений и отталкиваний магнитов или электромагнитов. Они были снабжены якорями простейшей формы в виде стержня с обмоткой; такие стержневые якори являются явно полюсными. Этим электродвигателям были свойственны существенные недостатки. Наиболее серьезными из них являлись большие габариты машины при сравнительно малой мощности, большое магнитное рассеяние и низкий к. п. д. Кроме того, вращающий момент на валу таких электродвигателей отличался непостоянством и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было в большей или меньшей степени толчкообразным. При столь резких и частых изменениях вращающего момента на валу двигателя применение последнего в системе электропривода представлялось малоперспективным.

-е годы XIX в. принято считать третьим этапом в истории развития электродвигателей. Этот период характеризовался разработкой двигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и вращающим моментом с высокой постоянностью.

Антонио Пачинотти

Антонио пачинотти 1

Рисунок 6 — Модель электродвигателя Пачинотти

З.Т. Граммом

Итак, данный этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.

В 1888 году изобретатель из Югославии Тесла и итальянский физик Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. Их изобретение вызвало огромный интерес во всём мире, и было ознаменовано началом новой эпохи. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Уже в июне 1888 года фирма «Вестингауз Электрик Компании» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем году. Они были гораздо лучше и надежнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Все это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так и в рабочем режиме.

17 стр., 8347 слов

Обслуживание и ремонт электрических двигателей (ремонт синхронного двигателя)

... ремонта и обслуживания электрических машин (синхронного двигателя); 5. Определить меры по технике безопасности при ремонте электрических машин. При подготовке дипломной работы ... постоянного тока), могут быть выполнены массивными из конструкционной стали. [7, с. 6] статора и ротора. одномерными. двухмерные Рис. 2. Основные конструктивные исполнения электрических машин: а - асинхронная; ... На статоре и ...

Доливо-Добровольским

Первым важным новшеством, которое внес Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. Так, Феррарис, о котором упоминалось выше, создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом. Очень большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну).

С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь плохой проводник для магнитного потока статора и, КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало его магнитное сопротивление).

На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя).

Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.

Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора — неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства — выступающие полюса катушек на статоре создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы.

12 стр., 5771 слов

Асинхронный двигатель (2)

... и принцип работы Как уже было сказано ранее, основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором. Статор асинхронного двигателя с фазным ротором ... меньшим пусковым током и может использоваться с автоматическими системами запуска. В настоящее время, на долю асинхронных двигателей, в том числе и трехфазные асинхронные двигатели с ...

Первая задача была несложной — достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно — для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента — он требовал для своего питания шести проводов вместо четырех. Таким образом, система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как-нибудь по другому?

Доливо-Добровольский проводил бессонные ночи над схемами многофазных цепей, набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено. Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора так, как это показано на рисунке, и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, но при вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того, чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов. Иначе говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на 120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалась присуще еще одно чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов — в любой произвольно взятый момент времени сумма токов, текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени равна нулю. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!

Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции.

В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор. Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ, было огромным.

Для многих стало очевидно, что долгий тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы — обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру.

30 стр., 14588 слов

Расчет асинхронного электродвигателя

... комплекса знаний по расчету и эксплуатации наиболее распространенных асинхронных двигателей и схем управления ими, а также воспитание и развитие навыков самостоятельной работы и самостоятельного принятия решений. двигатель асинхронный электродвигатель ток 1. Выбор ...

Заключение

электрический индукция машина электромагнитный

Электрическая машина прошла длинный и сложный путь, прошел не один десяток лет, прежде чем их внедрили в производство повсеместно. Возможность преобразования электрической энергии в механическую впервые была установлена М. Фарадеем. В 1821 опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя. В то же время над конструированием электродвигателей работал и Джозеф Генри. В следующие годы (1833-1834) Э.X. Ленц дал глубокий анализ явлению электромагнитной индукции. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) — один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. До этого изобретения электрические двигатели имели механическую схему по типу паровой машины с возвратно-поступательным движением. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.).В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявнополюсным. В семидесятых годах была открыта возможность электромагнитного возбуждения и самовозбуждения машин, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Следующей ступенью явилось изобретение кольцевого, а затем барабанного якоря, что позволило осуществить промышленные модели. Питание электродвигателей стало производиться от электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался. В 1888 году Тесла и Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Вскоре двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским Доливо-Добровольским.

Сегодня электродвигатели используются повсеместно. Их можно найти в автомобилях и многих бытовых электроприборах. Хотя многие люди даже не представляют, как работают электродвигатели, их изобретение оказалось исключительно полезным.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/istoriya-razvitiya-elektrodvigateley/

1. Белкинд Л.Д. Первые конструкции электродвигателей постоянного тока. История энергетической техники/ Л.Д. Белкинди др. — М: Госэнергоиздат, 1960. — 664 с.

2. Дятчин Н.И. История развития техники: Учебное пособие/ Н.И. Дятчин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2001. — 320 с.

— Кулик Ю.А. Электрические машины / Ю.А. Кулик. — М.: Высшая школа, 1971. — 456 с.

— Рыжков К.В. 100 великих изобретений/ К.В. Рыжков. — М.: Вече, 1999. — 528 с.

— Харламова Т.Е. История науки и техники / Т.Е. Харламова. — Учебное пособие. — СПб.: СЗТУ, 2006. — 126 с.

— Шухардин С.В. Техника в ее историческом развитии / С.В. Шухардин, Н.К. Ламан, А.С. Федоров. — М.: Наука, 1979. — 416 с.