Жанр: Энциклопедия
Сто великих изобретений
...ля промышленной
стационарной установки. Устройство его видно из рисунка Здесь Р - бак для
бензина, из которого при помощи запорного клапана р через трубу пропускалось
столько бензина к прибору для испарения его АВ, что А всегда оставался наполненным примерно на 2/3. В - это лампа, которая наполнялась первой, еще до
попадания бензина в А Из лампы В через трубку с клапаном V бензин подводился к горелке, находившейся в оболочке L; он вытекал тонкой струйкой из
узкого наконечника горелки и благодаря высокой температуре горелки сейчас же
испарялся. Пламя горело вокруг платинового зажигателя и накаляло его. В приборе для испарения А пары бензина образовывались при просасывании через
бензин подогретого воздуха. Пары эти смешивались с воздухом в регулировочном кране Н, и таким образом получалась горючая газовая смесь. При ходе поршня вниз он всасывал эту смесь, при обратном ходе сжимал ее в пространстве,)
предназначенном для сжатия. В то время, когда поршень находился в верхней)
мертвой точке, распределительный механизм открывал накаленный платиновый^
зажигатель, заряд взрывался, и газообразные продукты горения давили на поршень. Для образования паров бензина воздух, как отмечалось выше, должен был
предварительно нагреваться. Это достигалось тем, что воздух перед поступлением в испаритель проходил через кожух горелки.
Для пуска двигателя, по наполнении бензином А и В, сперва открывали кран
горелки V и в течение одной или двух минут извне нагревали трубки горелки.
Так добивались температуры, при которой бензин начинал испаряться. Когда
зажигатель накалялся докрасна, открывали клапан V и вращали двигатель вручную при помощи специальной рукояти (на рисунке она внизу); после нескольких оборотов происходил первый взрыв в рабочем цилиндре; затем двигатель
приходил в движение Рабочий цилиндр, как и у газовых двигателей, окружала
оболочка, через которую протекала вода для охлаждения из водопровода или от
небольшого насоса Q, который приводился в движение самим двигателем.
Из приведенного описания видно, что процесс испарения жидкого топлива в
первых бензиновых двигателях заставлял желать лучшего. Поэтому настоящую
революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки (хотя независимо от него и
даже несколько раньше ту же конструкцию карбюратора разработал друг и соратник Даймлера Майбах). Позже Банки приобрел большую известность своими
выдающимися изобретениями в области гидравлических турбин. Но, еще будучи
молодым человеком, он в 1893 году взял патент на карбюратор с жиклером (форсункой), который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от
своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распы
Константин РЫЖОВ 229
лять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием
тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через
дозирующий жиклер, а постоянство состава смеси
достигалась за счет поддержания постоянного уровня
бензина в карбюраторе Жиклер выполнялся в виде
одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха Для
поддержания напора был предусмотрен маленький
бачок с поплавком, который поддерживал уровень
Рис 57-6 Карбюратор
на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.
Таким образом, карбюратор состоял из двух частей' поплавковой камеры 1 и
смесительной камеры 2. В камеру 1 топливо свободно поступало из бака по трубке 3 и держалось на одном уровне поплавком 4, который поднимался вместе с
уровнем топлива и при наполнении, с помощью рычага 5, спускал иглу 6 и тем
закрывал доступ топливу. Из камеры 1 топливо свободно протекало в камеру 2 и
останавливалось в жиклере 7 на одном уровне с камерой 1 Камера 2 снизу имела
отверстие, сообщавшееся с наружным воздухом, а
вверху - с всасывающим клапаном двигателя.
Количество доставляемой в цилиндр смеси регулировалось поворачиванием дросселя (заслонки) 8.
При всасывающем ходе поршня воздух устремлялся снизу в камеру смешения и засасывал из жиклера топливо, распыляя и испаряя его.
Первые двигатели внутреннего сгорания были
одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить
мощность двигателя, обычно увеличивали объем
цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX
столетия стали распространяться четырехцилиндровые. Последние устраивались таким образом, что в
каждом из цилиндров четырехтактный цикл был
двинут на один ход поршня. Благодаря этому достигалась хорошая равномерность вращения коленчатого вала.
В отличие от прежнего вала, коленчатый вал,
как это видно на рисунке, состоял из отдельных ^ ^ ^ ^ ^^_
колен-кривошипов, которые с помощью шатунов ^ ^ коленчатом валу один
°ь?ли связаны с отдельными поршнями. С одной поршень опускается, друстороны вал принимал движение от поршней и гой - поднимается
230
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
преобразовывал возвратно-поступательное движение во вращательное, а с другой - управлял движением поршней, которые благодаря этому двигались вперед и назад в точно установленные моменты, то есть одновременно во всех цилиндрах проходили по одному рабочему такту. Все эти такты чередовались через
равные промежутки времени. '
58. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение
промышленного электродвигателя. Этот
компактный, экономичный, удобный
мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, Bbrrecjj
нив другие виды двигателей отовсюдуЯ
куда только можно было доставить элек
трический ток. Большими недостатка'
ми прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудностьД
передачи и "дробления" полученной отШ
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. Электрический привод не имел
этих изъянов: он 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.
Рис. 58-1. Электродвигатель Якоби
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 (четыре
П-образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме. Их полюсные
наконечники были устроены асимметрично - удлинены в одну сторону. Вал
Константин РЫЖОВ
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
Рис. 58-2. Схема простейшего s-.wmapoдвигателя постоянного тока
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. Принцип
работы этого двигателя поясняет приведенная ниже схема. (Для простоты количество полюсов - подвижных и неподвижных - здесь уменьшено вдвое. Суть
от этого не меняется.)
Положим, что в данный момент подвижные электромагниты занимают положение, указанное на рисунке, то есть против каждого полюса неподвижных магнитов стоит одноименный полюс подвижного; при этом каждый неподвижный
электромагнит будет отталкивать противоположный магнит барабана и притягивать близлежащий с противоположным полюсом. Если бы полюса неподвижных
магнитов не были асимметричны, такое устройство не могло бы работать, так как
действие различных магнитов уравновешивало бы друг друга. Но благодаря выступу полюсных наконечников неподвижных магнитов каждый из них притягивает ближайший по направлению вращения часовой стрелки слабее, чем другой,
из-за этого первый приближается к нему, а последний удаляется. Через четверть
оборота (в двигателе Якоби - через одну восьмую) один против другого будут
находиться разноименные полюса, но в этот момент коммутатор меняет направление тока в подвижных магнитах, и один против другого будут опять одноименные полюса, как и в начале движения. Вследствие этого подвижные магниты опять получают толчок к тому же направлению, и так без конца, пока остается
замкнутым ток.
Коммутатор представлял собой очень важную и глубоко продуманную часть
Двигателя. Он состоял из четырех металлических колец, установленных на валу и
232 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза, которые соответствовали 1/8 части окружности. Вырезы были заполнены изолирующими деревянными вкладышами; каждое кольцо было смещено на 45 градусов по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг, представлявший
собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий-сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи (соединения с ртутью были наиболее распространенными в то время контактными устройствами).
Диски, насаженные на вал двигателя, вращались вместе с ним. По ободу
диска скользили металлические рычаги, которые, попадая на непроводящую
часть диска, прерывали электрическую цепь, а при соприкосновении с металлом -замыкали ее. Расположение дисков было такое, что в тот момент, когда
встречались разноименные полюса, контактные рычажки переходили через грань
дерево-металл и этим меняли направление в обмотке электромагнитов. Таким
образом, при каждом повороте кольца четыре раза разрывалась электрическая
цепь.
Как уже отмечалось, 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. Понятно, впрочем, что все эти опыты имели чисто демонстрационный характер - 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, о которых мы будем говорить в следующих главах, двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в производстве электромоторы, работающие на переменном токе, к рассмотрению которых мы теперь переходим.
Сила и направление переменного тока, как мы помним, не являются постоянными. Сила его сначала
и ^\=-1 возрастает от нуля до какой^сП то максимальной величины и
вновь убывает до нуля, затем
ток меняет свое направление,
возрастает до какого-то отрицательного максимума и
вновь убывает до нуля. (Время, за которое величина тока
меняется от одного положительного максимума до другого, называют периодом колебания тока.) Этот процесс
Рис. 58-3. Коммутатор Якоби: 1-4 - металлические кольца; 5 - скользящий контактный рычаг; 6 - батарея
Константин РЫЖОВ 233
повторяется с большой частотой. (Например, в осветительной сети ток в 1 секунду течет пятьдесят раз в одну сторону и
пятьдесят раз в противоположную.) Как
такое поведение тока будет отражаться
на работе электродвигателя? Прежде всего надо отметить, что направление вращения электродвигателя не зависит от
направления тока, потому что при перемене тока изменится полярность не только в якоре, но одновременно в обмотках, отчего притяжение и отталкивание
продолжают действовать в ту же сторону, что и раньше. Из этого как будто бы
должно следовать, что для двигателя совершенно безразлично, каким током постоянным или переменным - он пи
Рис. 58-4. Принцип синхронного двигателя переменного тока
тается. Однако это не так. При частом перемагничивании электромагнитов (несколько десятков раз в секунду) в них возникают вихревые токи, которые замедляют вращение якоря и сильно разогревают его. Мощность электромотора резко
снижается, и в конце концов он выходит из строя. Для переменного тока необходима особая конструкция двигателя. Изобретатели не сразу смогли найти ее. Прежде
всего была разработана модель так называемого синхронного двигателя переменного тока. Один из первых таких двигателей построил в 1841 году Чарльз Уитстон.
Устройство синхронного двигателя можно пояснить рисунком. Предположим, что неподвижная часть двигателя (статор) выполнена в виде восьмиполюсного венецеобразного электромагнита, расположенные попеременно полюса которого обозначаются по их полярности буквами N и S. Между ними вращается
якорь (или ротор) в виде звездообразного колеса, восемь спиц которого представляют собой постоянные магниты. Их неизменные полюса обозначим буквами п и s. Положим, что через электромагнит пропускается переменный ток. Тогда концы сердечников электромагнита будут попеременно менять свою полярность. Представим себе, что в какой-то момент против каждого полюса электромагнита статора расположен одноименный полюс ротора. Толкнем колесо и сообщим ему такую скорость, при которой каждая спица п пройдет расстояние между
двумя соседними сердечниками N и S в промежуток времени, равный тому, в
течение которого эти сердечники сохраняют свою полярность неизменной, то
/есть в период времени, равный половине периода переменного тока, питающего
электромагниты. При таких условиях во все время движения спицы от сердечника N до сердечника S все сердечники перемагнитятся, отчего при дальнейшем
своем движении спица опять будет испытывать отталкивание со стороны сердечника, оставшегося позади, и притяжение со стороны сердечника, к которому она
приближается.
234 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Работавший по этому принципу синхронный
двигатель состоял из кольцеобразного многополюсного магнита, полярность которого менялась
под действием переменного тока, и из звездообразного постоянного электромагнита, который был
насажен на вал и вращался описанным выше образом. Для возбуждения этого постоянного электромагнита требовался постоянный ток, который
преобразовывался посредством коммутатора из рабочего переменного. У коммутатора было и другое
назначение: он использовался для пуска двигателя, ведь для поддержания вращения ротора синхронного двигателя ему требовалось сообщить определенную начальную скорость При включении
через цепь сначала пускался постоянный ток, благодаря чему двигатель начинал работать как двигатель постоянного тока и приходил в движение.
До тех пор, пока двигатель не набрал требуемой
скорости, коммутатор переменял направление в
движущихся электромагнитах. При достижении
скорости, соответствовавшей синхронному ходу,
у подвижного магнита полюса уже не менялись, и двигатель начинал работать
как синхронный двигатель переменного тока.
Рис. 58-5. Кружок Арго
Описанная система обладала большими недостатками, кроме того, что синхронный двигатель требовал для своего запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и другой изъян - при перегрузке синхронность его хода нару-А
шалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливал-|
ся. Поэтому синхронные двигатели не получили широкого распространения.)
Подлинная революция в электротехнике произошла только после изобретения!
асинхронного (или индукционного) двигателя.
Действие асинхронного двигателя будет понятно из следующей демонстрации, которую провел в 1824 году известный французский физик Арго.
Пусть подковообразный магнит NS приводится рукой в быстрое вращение
вокруг вертикальной оси. Над полюсами установлена стеклянная пластина, под
c c й c c
О [о- -О^О' гfQ"-Q'a"s)\QГ О I 0х
(J) ф Q ф ф
Рис. 58-6
Константин РЫЖОВ 235
держивающая острие, на которое насажен
медный кружок. При вращении магнита
индукционные токи, наводимые в кружке,
и образованное ими магнитное поле будут
взаимодействовать с нижним магнитом, и
кружок начнет вращаться в ту же сторону,
что и нижний магнит.
Именно это явление используется в асинхронном двигателе. Только вместо вращающегося постоянного магнита в нем применяются несколько неподвижных электромагнитов, которые включаются, выключаются
и меняют свою полярность в определенной
последовательности. Поясним сказанное следующим примером.
Предположим, что I, II, III и IV (на
нижнем рисунке) - 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
Рис 58- 7 Индукционный двигатель
с вращающимися магнитными полюсами Бейли
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, как это видно на самом верхнем, последнем рисунке, 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
236 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
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
(на рисунке, который приведен ниже, второй ток отстает от первого на четверть
периода, то есть в тот момент, когда сила первого тока максимальна, сила второго тока равна нулю, а когда сила первого тока равна нулю, сила второго - максимальна). 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 (рис. а). Теперь
представим, что катушку 1 обтекает ток ?р а катушку 2 - ток ?, причем ? опережает ?^ по фазе на четверть периода. Это, как мы уже говорили, означает, что ток
?, достигает положительного максимума в тот момент, когда сила тока ? равна
нулю (рис. б). Если мы мысленнб 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
Рис 58-8. Образование вращающегося магнитного поля
Константин РЫЖОВ 237
(рис в). В начальный момент времени (t==0) ток в первой катушке равен нулю, а
во второй проходит через отрицательный максимум (направление тока на рисунке 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) При этом магнитная стрелка
займет положение, указанное на первой схеме. В момент t, токи ?, и ?^ равны друг
другу, но один имеет положительное направление, а другой - отрицательное.
Магнитная стрелка займет положение, указанное на второй схеме. В момент t^
величина тока ?, нисходит до нуля, а ток ?, 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, как это видно из рисунка,
многофазные системы тока требуют большого количества проводов. Если двигагель, работающий на обычном переменном (однофазном) токе, требует всего
Двух подводящих проводов, то работающий на двухфазном - уже четырех, на
трехфазном - шести и т. д. Концы каж
Дой катушки были выведены на кольца, рис. 58-9. Схема двухфазного генераРасположенные на валу генератора. Ро- тора и двухфазного двигателя Теслы
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
тор 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 188
...Закладка в соц.сетях
