История изобретения электродвигателя постоянного тока

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Санкт-Петербургский государственный  горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

 

Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых

 

 

 

Реферат

 

 

По дисциплине:   История горной науки

 

 

Тема: «История изобретения  электродвигателя постоянного тока»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. БТП-09       _______________      /Зимин А.С./

                                                                   (подпись)                                                 (Ф.И.О.)

 

 

 

 

Проверил:      __доцент __                _______________      /Толстунов С.А./

                                                 (должность)                                               (подпись)                                                   (Ф.И.О.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2009

Содержание:

1 Введение…………………………………………………………………………3

2 Первый этап развития электрических двигателей постоянного тока……….4

3 Электродвигатель Генри………………………………………………………..5

4 Биография Бориса Семеновича  Якоби………………………………………...6

5 Первый электродвигатели Якоби………………………………………………7

   5.1 Общий вид электродвигателя Якоби……………………………………....7

   5.2 Электродвигатель Якоби сдвоенного типа…………………………….….8

6 Электродвигатель Девенпорта…………………………………………………9

7 Новый двигатель Якоби 1838 г…………………………………………….…..9

8 Технико-экономические характеристики первых электродвигателей……..10

9 Практическое применение первых двигателей…………………………..…11

10 Альтернативные конструкции электродвигателей………………………....11

11 Электродвигатель Пачинотти………………………………………………..12

12 Описание работы и их использование………………………………………14

Выводы…………………………………………………………………………...15

Литература

1 Введение

Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство. Один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа располагалась на неподвижной раме. Их полюсные наконечники были устроены асимметрично - удлинены в одну сторону. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У последних полярности шли попеременно: то положительная, то отрицательная. К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал двигателя был насажен коммутатор, который менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них изменялось восемь раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также менялась восемь раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.[2]

Двигатель Якоби для своего времени  был самым совершенным электротехническим устройством. В том же 1834 году подробное сообщение о принципах его работы было представлено Парижской Академии наук.

В 1838 году Якоби усовершенствовал свой электромотор и, установив его на гребном боте, с десятью спутниками совершил небольшое плавание по Неве со скоростью 4,5 км/ч. Источником тока ему служила мощная батарея гальванических элементов.

До тех пор, пока не был изобретен и внедрен в производство совершенный электрический генератор, электродвигатели не могли найти широкого применения, так как питать их от батареи было слишком дорого и невыгодно. Кроме того, в силу разных причин двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в производстве электромоторы, работающие на переменном токе.[2,6]

2 Первый этап  развития электрических двигателей  постоянного тока

Начальный период развития электродвигателя (1821 — 1834 гг.) характеризуется созданием  физических приборов, демонстрирующих непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Первым таким прибором была установка Фарадея для демонстрации взаимного вращения магнитов и проводников с током. Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадей в 1821 г. установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или вызывать вращение магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.                                                           Возможность превращения электрической энергии в механическую была показана и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя.                                                                              Колесо Барлоу по принципу действия представляет собой униполярную электрическую машину, работающую в двигательном режиме: в результате взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов и тока, проходящего через оба медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, колеса начинают быстро вращаться. Легко определить (пользуясь, например, правилом левой руки), что оба колеса будут вращаться в одном и том же направлении.

Барлоу установил, что перемена контактов или перемена положения  полюсов магнитов немедленно вызывает перемену направления вращения колес. Колесо Барлоу не имело практического значения и остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором.[2,5]

3 Электродвигатель Генри

Характерным для первого этапа  развития электродвигателя примером, отражающим иное направление в создании конструктивных форм, является прибор американского физика Дж. Генри. Генри в 1831 г. опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой он описал построенный им электродвигатель.                                                                            

Это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных демонстраций, и сам изобретатель не придавал ему  серьезного значения.

В историческом аспекте электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае — качательного). Изменение полярности электромагнита за счет перемены направления протекающего по его обмотке тока приводило электромагнит в равномерное качательное движение.

В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний  в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 вт (по современным подсчетам).

Как на первом этапе, так и позднее  было предложено много конструкций  двигателей с качательным движением  якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря.[4]

 

 

4 Биография  Бориса Семеновича Якоби

Русский физик и электротехник  Борис Семенович (Мориц Герман) Якоби  родился 9 (21) сентября 1801 г. в Потсдаме (Германия). Его отец был личным банкиром короля Фридриха Вильгельма, младший брат - Карл Густав Якоби (1804-1851) в дальнейшем стал выдающимся немецким математиком. (Он один из создателей теории эллиптических функций, ему принадлежат открытия в области теории чисел, линейной                    алгебры и многих других разделах математики).

Образование Б.С. Якоби получил  в Гёттингенском университете, по желанию родителей получив специальность  архитектора. В 1835 году он стал профессором  гражданской архитектуры в Дерптском университете. Однако в Дерпте Б.С. Якоби пробыл недолго. У него кроме архитектуры была еще одна страсть - проводить опыты с электричеством. В мае 1834 года Якоби построил свою первую действующую модель электродвигателя, "магнитного аппарата", как называл он свой двигатель. В ноябре 1834 года он отправил в Парижскую Академию наук рукопись с описанием изобретенного им электродвигателя. 1 декабря о достижении Якоби было доложено на заседании Академии, а уже 3 декабря его записка была опубликована. Труды Б. Якоби в области "чистой и прикладной электрологии" нашли отклик в Петербурге в Академии наук, и в 1837 году он был командирован туда на "неопределённое время" для работы в комиссии по исследованию применений электромагнитов в движении машин. Приехав в Петербург, ученый остался в нем на всю жизнь.

Первым и самым замечательным  открытием Якоби в России стало  изобретение в 1838 году гальванопластики. (Гальванопластика - получение металлических  копий с металлического и неметаллического оригинала путем электролиза, т.е. разложения веществ при прохождении через них постоянного электрического тока.) И вскоре данное открытие получило признание во всем мире. В Петербурге было создано предприятие, которое делало с помощью гальванопластики барельефы и статуи для украшения Исаакиевского собора, Зимнего дворца, Большого театра в Москве, золотило листы кровли для куполов, производило медные копии с форм для печатания денег, а также географических карт, почтовых марок, художественных гравюр.[6]

 

 

5 Первый электродвигатели Якоби

Второй этап развития электрических  двигателей (1834 — 1860 гг.) характеризуется  преобладанием конструкций с  вращательным движением явнополюсного  якоря. Вращающий момент на валу таких  двигателей обычно был резко пульсирующим. Наиболее характерные и существенно важные работы по                                       конструированию электродвигателей этого рода принадлежат Б. С. Якоби.(рис.1)[3]

Рис.1 Электродвигатель Якоби

5.1 Электродвигатель Якоби (конструкция 1834)

Изучая конструкции электродвигателей своих предшественников, в которых было осуществлено возвратно-поступательное или качательное движение якоря, Якоби отозвался об одном из них, что «такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов», и что «его нельзя будет применять в большом масштабе с какой-нибудь экономической выгодой» - поэтому он направил свое внимание на построение более мощного электродвигателя с вращательным движением якоря.

В 1834 г. Якоби  построил и описал электродвигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П-образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме, а другая аналогичная группа — на вращающемся диске. В качестве источника тока для питания электромагнитов была применена батарея гальванических элементов. Для попеременного изменения полярности подвижных электромагнитов служил коммутатор.

Коммутатор представлял  собой чрезвычайно важную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он представлял собой четыре металлических кольца, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза, которые соответствовали одной восьмой части окружности. Вырезы были заполнены изолирующими вкладками; каждое кольцо было смещено на 45° по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг, представлявший собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд со ртутью, к которому подводились проводники от батареи (сосуды с ртутью являлись наиболее распространенными в то время контактными устройствами).

Таким образом, при  каждом обороте кольца 4 раза разрывалась  электрическая цепь, к электромагнитам  вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении.

Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.[5]

Первый электродвигатель, построенный  Якоби, мог поднимать груз весом 10—12 фунтов (т. е. примерно 4—5 кг) на высоту 1 фут (примерно 30 см) в секунду, что  составляло мощность около 15 вт. Желание увеличить мощность электродвигателя привело Б. С. Якоби к созданию конструкции электродвигателя сдвоенного типа.

5.2 Электродвигатель Якоби сдвоенного типа

Этот электродвигатель имел 24 неподвижных П-образных электромагнита и 12 подвижных стержневых электромагнитов, но действовал на том же принципе, что и первый его электродвигатель. Прогрессивным в этом варианте двигателя Якоби было то, что при подобной конструкции электродвигателя подшипники разгружались от аксиальных усилий, которые возникали в первом электродвигателе при совмещении осей подвижных и неподвижных электромагнитов.

Изменение конструкции, однако, не дало значительного увеличения мощности и не позволило применить электродвигатель на практике. Нужно было искать новое конструктивное решение, которое через несколько лет и было найдено Б. С. Якоби.

Первый свой электродвигатель Якоби  построил в мае 1834 г., а в ноябре того же года 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.[1,6]

6 Электродвигатель Девенпорта

В 1837 т. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. В этой конструкции были некоторые прогрессивные идеи, на которые по-видимому, обратили внимание конструкторы электродвигателей, в том числе и Б. С. Якоби.

Электродвигатель Девенпорта имел четыре горизонтальных крестообразно  расположенных электромагнита, укрепленных  на деревянном диске, жестко связанном  с вертикальным валом. Эти электромагниты были расположены внутри двух постоянных магнитов в форме полуокружностей, опирающихся на деревянное кольцо; магниты соприкасались одноименными полюсами и создавали кольцо с двумя полюсами: N и S.

На особой подставке были расположены  медные пластины, разделенные посередине изоляцией. К ним подводился ток от источника питания. Концы последовательной обмотки каждой пары электромагнитов имели пружинящие контакты. Взаимодействие электромагнитов и постоянных магнитов приводило электродвигатель в работу, причем полярность электромагнитов в соответствующие моменты изменялась при помощи мощи коммутатора.[4]

 

7 Новый двигатель Якоби 1838 г.

Двигатель Якоби конструкции 1838 г. представлял собой комбинацию 40 небольших электродвигателей, объединенных по 20 шт. на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине. Неподвижная часть каждого электродвигателя состояла из двух электромагнитов, изогнутых по дуге окружности и скрепленных между собой скобами из немагнитного материала; эти скобы привинчивались к деревянной станине. Каждый из таких электромагнитов занимал по длине четверть окружности кольца.

Подвижная часть отдельных электродвигателей  была составлена из четырех электромагнитов, расположенных крестообразно на специальной втулке. Для питания током обмоток электромагнитов на «электрическом боте» были установлены гальванические элементы.

Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами, аналогичными коммутатору  первого электродвигателя, описанному выше. Посредством конических шестерен вращение с вертикальных валов передавалось на горизонтальный, на котором укреплялись гребные колеса, расположенные по обоим бортам «электрического бота».

Знакомство с этой конструкцией электродвигателя показывает, что Б. С. Якоби пошел то пути механического соединения определенного числа элементарных машин. Эта работа Якоби отражала типичную для середины прошлого века тенденцию в развитии электрических машин, когда ученые, не найдя еще качественно новых решений, пытались удовлетворить потребности практики простым комбинированием большого числа существовавших машин.[4,6]

 

8 Технико-экономические характеристики первых электродвигателей

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, 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.

 

9 Практическое применение первых двигателей

Произведенные опыты, а также теоретическое  исследование электрической машины привели Якоби к очень важному  для практики выводу: разрешение вопроса  о более или менее широком применении электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, - т. е. от создания генератора тока более экономичного, чем гальванические батареи.

Однако и в тех условиях, когда  питание электродвигателей могло  осуществляться лишь при помощи гальванических элементов, на практике были случаи, когда выгоднее было устанавливать электродвигатель, чем агрегат для получения механической энергии от парового двигателя. Поэтому в 50-х и 60-х годах в некоторых отраслях производства электродвигатель иногда находил применение.

В качестве одного из примеров можно  указать 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.

В этих и аналогичных случаях  практики за рубежом имел некоторое распространение электродвигатель Французского электротехника П. Г. Фромана.[1,2]

10 Альтернативные конструкции электродвигателей

Некоторые из электродвигателей, построенных  в 40—60-х годах XIX в., действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид; получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатунно-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами. Таковы, например, электродвигателя Пейджа и Бурбуза.

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 явнополюсными. 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.

11 Электродвигатель Пачинотти

Третий этап в развитии электродвигателей  характеризовался разработкой конструкций  электродвигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении был сделан итальянским ученым, впоследствии профессором физики Болонского и Пизанского университетов Антонио Пачинотти.

Электродвигатель Пачинотти (1860 г.) (Рис.2) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращавшегося в магнитном поле электромагнитов. Главное значение работы Пачинотти состоит в том, что им был сделан дальнейший и притом весьма важный шаг на пути построения современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения и коллектор, по существу говоря, современного типа.

Рис.2. Модель электродвигателя Пачинотти 

Любопытно также отметить, что Пачинотти указал на возможность обращения своего двигателя в генератор. Однако, не зная о возможности применения самовозбуждения машины, он рекомендовал для использования машины в качестве генератора заменить электромагниты постоянными магнитами.

В 1863 г. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточно внимания, и изобретение  было на время забыто.

Несмотря на большой интерес  с принципиальной точки зрения, оно  не получило распространения, так как попрежнему не было еще экономичного генератора электрической энергии.

Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет. 3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.[6]  

 

 

 

 

 

 

12 Описание работы и их использование

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих  плавного регулирования частоты  вращения в широком диапазоне.

Свойства двигателя постоянного  тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения  и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Электрические машины постоянного  тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения.

Однако двигатели постоянного  тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область  их применения малый срок службы щеточного  устройства из-за наличия скользящего  контакта между щетками и коллектором.[3]

 

 

 

 

 

Выводы:

Достоинства:

1 Простота устройства и управления

2 Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя

Недостатки:

1 Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов,

2 Ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Изобретение электродвигателя постоянного  тока-  это великий вклад многих ученых, в особенности Бориса Семеновича Якоби, в развитие горнозаводского  дела и промышленности всего мира. Создание этих двигателей ускорили промышленную революцию и развитие стран Европы В будущем на основе электродвигателей постоянного тока были созданы более совершенные электродвигатели переменного тока, которые используются в современные дни.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

1 Брускин Д.Э. и др. Электрические машины.– М.: Высшая школа, 1981.

2 Д.А. Белкинд, О. Н. Веселовский, И. Я. Конфедератов, Я. А. Шнейберг История энергетической техники.- М., Л.: Госэнергоиздат, 1960.

3 Основные виды промышленного оборудования, электрооборудования и приборов/Под ред. Ю.А. Новак, Э.И. Иваницкой. – М.: Высшая школа,1986.

4 Товароведение промышленного оборудования: Учебное пособие. Часть 2. 
Электрическое оборудование и приборы. – СПб : Изд-во СПбУЭФ, 1993.

5 Электротехнический справочник: в 3-х т. Т.2. Электротехнические устройства/под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. 
Жукова и др. – 6-е изд.,испр. и доп. – М.:Энергоиздат, 1981.

6 Хадакевич  В.А. История развития электродвигателей.- М.: Госэнергоиздат, 1969.