100 великих изобретений

Предположим, что I, II, III и IV — это четыре полюса двух электромагнитов, между которыми помещена металлическая стрелка. Под действием магнитного поля она намагничивается и становится вдоль линий магнитного поля электромагнитов, выходящих, как известно, из их северного полюса и входящих в южный. Все четыре полюса расположены по окружности на одном расстоянии друг от друга. Сперва ток подводится к II и III. Стрелка остается неподвижной по средней оси магнитных силовых линий. Затем подводится ток ко второму электромагниту. При этом одноименные полюса будут находиться рядом. Теперь средняя направляющая силовых линий магнитов пройдет от середины расстояния между I и II к середине между III и IV, и стрелка повернется на 45 градусов. Отключим первый электромагнит и оставим активными только полюса II и IV. Силовые линии будут направлены от III к IV, вследствие чего стрелка повернется еще на 45 градусов. Снова включим первый электромагнит, но поменяем при этом движение тока, так что полярность первого магнита изменится — стрелка повернется еще на 45 градусов. После отключения второго электромагнита стрелка переместится еще на 45 градусов, то есть совершит полуоборот. Легко понять, как заставить ее совершить вторую половину круга.

Описанное нами устройство в основных чертах соответствует двигателю Бейли, изобретенному в 1879 году. Бейли устроил два электромагнита с четырьмя крестообразно расположенными полюсами, которые он мог намагничивать с помощью выключателя. Над полюсами он установил медный кружок, подвешенный на острие. Изменяя полярности магнита, включая и выключая их, он заставил кружок вращаться точно так же, как это происходило в опыте Арго. Идея подобного двигателя чрезвычайно интересна, так как в отличие от двигателей постоянного тока или синхронных электромоторов, здесь не надо подводить ток к ротору. Однако в той форме, в которой его создал Бейли, асинхронный двигатель еще не мог иметь применения: переключение электромагнитов в нем происходило под действием сложного коллектора, и, кроме того, он имел очень низкий КПД. Но до того чтобы этот тип электромотора получил право на жизнь, оставался только шаг, и он был сделан после появления техники многофазных токов. Собственно, многофазные токи и получили применение, прежде всего благодаря электродвигателям. Чтобы понять, что такое, к примеру, двухфазный ток, представим себе два независимых друг от друга проводника, в которых протекают два совершенно одинаковых переменных тока. Единственная разница между ними заключается в том, что они не одновременно достигают своих максимумов. Про такие токи говорят, что они сдвинуты друг относительно друга по фазе, а если эти токи подводятся к одному электроприбору, говорят, что тот питается двухфазным током. Соответственно, может быть трехфазный ток (если питание прибора происходит от трех одинаковых токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе), четырехфазный ток и т.д. Долгое время в технике использовался только обычный переменный ток (который по аналогии с многофазными токами стали называть однофазным). Но потом оказалось, что многофазные токи в некоторых случаях гораздо удобнее однофазного.

В 1888 г. итальянский физик Феррарис и югославский изобретатель Тесла (работавший в США) открыли явление вращающегося электромагнитного поля. Сущность его заключалась в следующем. Возьмем две катушки, состоящие из одинакового числа витков изолированного провода, и разместим их взаимно перпендикулярно так, чтобы одна катушка входила в другую. Теперь представим, что катушку 1 обтекает ток i1 а катушку 2 — ток i2, причем i1 опережает i2 по фазе на четверть периода. Это, как мы уже говорили, означает, что ток i1, достигает положительного максимума в тот момент, когда сила тока i2 равна нулю. Если мы мысленно разрежем катушки пополам горизонтальной плоскостью и будем смотреть на них сверху, то увидим сечения четырех сторон обеих катушек. Поместим между ними магнитную стрелку и будем наблюдать за ее движением. Катушки, через которые протекает переменный ток, как известно, являются электромагнитами. Их магнитное поле будет взаимодействовать со стрелкой, поворачивая ее. Рассмотрим теперь положение магнитной стрелки, ось которой совпадает с вертикальной осью катушек в различные моменты времени. В начальный момент времени (t=0) ток в первой катушке равен нулю, а во второй проходит через отрицательный максимум (направление тока будем обозначать так, как это делается в электротехнике — точкой и крестиком; крестик означает, что ток направляется от наблюдателя за плоскость чертежа, а точка — что ток направляется к наблюдателю). В момент t1 токи i1 и i2 равны друг другу, но один имеет положительное направление, а другой — отрицательное. В момент t2 величина тока i2, нисходит до нуля, а ток i1 достигает максимума. Стрелка при этом повернется еще на 1/8 оборота. Прослеживая подобным образом развитие процесса, мы заметим, что по окончании периода изменений одного из токов магнитная стрелка завершит полный оборот вокруг оси. Дальше процесс повторяется. Следовательно, при помощи двух катушек, питаемых двумя токами, сдвинутыми друг относительно друга по фазе на четверть периода, можно получить тот же эффект перемены магнитных полюсов, которого добился в своем двигателе Бейли, но здесь это получается намного проще, без всякого коммутатора и без использования скользящих контактов, поскольку перемагничиванием управляет сам ток. Описанный эффект получил в электротехнике название равномерно вращающегося магнитного поля. На его основе Тесла сконструировал первый в истории двухфазный асинхронный двигатель. Он вообще был первым, кто стал экспериментировать с многофазными токами и успешно разрешил проблему генерирования таких токов.

Поскольку получить двухфазный ток из однофазного было непросто, Тесла построил специальный генератор, который сразу давал два тока с разностью фаз в 90 градусов (то есть с отставанием на четверть периода). В этом генераторе между полюсами магнита вращались две взаимно перпендикулярные катушки. В то время, когда витки одной катушки находились под полюсами и индуцирующийся в них ток был максимальным, витки другой катушки находились между полюсами (на нейтральной линии) и электродвижущая сила в них была равна нулю. Следовательно, два тока, генерируемые в этих катушках, были тоже сдвинуты по фазе относительно друг друга на четверть периода. Аналогичным способом можно было получить трехфазный ток (используя три катушки под углом 60 градусов друг к другу), но Тесла считал наиболее экономичной двухфазную систему. В самом деле, многофазные системы тока требуют большого количества проводов. Если двигатель, работающий на обычном переменном (однофазном) токе, требует всего двух подводящих проводов, то работающий на двухфазном — уже четырех, на трехфазном — шести и т.д. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора. Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя (то есть не имеющих никакой связи с внешней электрической цепью) катушек.

Изобретение Теслы знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе живейший интерес во всем мире. Уже в июне 1888 году фирма «Вестингауз Электрик Компани» 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.

Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским. Исключенный в 1881 году по политическим мотивам из Рижского политехнического института, Доливо-Добровольский уехал в Германию. Здесь он закончил Дармштадтское высшее техническое училище и с 1887 года начал работу в крупной германской электротехнической фирме АЭГ. 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. (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), а в просверленные по периферии последнего каналы стал закладывать медные стержни (что уменьшало электрическое 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 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. 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. На листах бумаги он набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, совершенно неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено.

Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, то 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 оказалось 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.

Например, в момент времени t1 ток i2 проходит через положительный максимум, а значения токов i1 и i3, имеющих отрицательное значение, достигают половины максимума и сумма их равна току i2. Это означает, что в любой момент времени один из проводов системы передает в одном направлении такое же количество тока, какое два других вместе передают в противоположном направлении. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!

Чтобы пояснить этот чрезвычайно важный момент, обратимся к воображаемой схеме. Представим себе, что через круг, вращающийся вокруг своего центра, проходят три соединенных между собой проводника, в которых протекают три переменных тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. При своем вращении каждый проводник находится то на положительной, то на отрицательной части круга, причем при переходе из одной части в другую ток меняет свое направление. Эта система вполне обеспечивает нормальное протекание (циркуляцию) токов. В самом деле, в некоторый момент времени проводники I и II оказываются соединенными параллельно, а III отводит от них ток. Некоторое время спустя II переходит на ту же сторону, где находится III; теперь уже II и III работают параллельно, а I как общий отводящий ток провод. Далее III переходит на ту сторону, где еще находится I; теперь II отводит то количество, что III и I подводят вместе. Затем I переходит на ту сторону, где еще находится II, и т.д.

В приведенном примере ничего не говорилось об источниках тока. Как мы помним, этим источником является трехфазный генератор. Изобразим обмотки генератора в виде трех катушек. Для того чтобы протекание тока происходило описанным нами способом, эти катушки могут быть включены в цепь двояким образом. Мы можем, к примеру, разместить их на трех сторонах треугольника, допустим левого; таким образом, вместо трех его сторон мы получим три катушки I, II и III, в которых индуцируются токи со смещением фаз на 1/3 периода. Мы можем также переместить точки приложения электродвижущих сил и на концы параллельных проводников. Если мы поместим здесь наши катушки, то получим другое соединение. Треугольники, служащие теперь лишь проводящими соединениями для трех левых концов катушек, могут быть стянуты в одну точку. Эти соединения, из которых первое называется «треугольником», а второе — «звездой», широко применяются как в двигателях, так и в генераторах.