Электродвигатели. — Попытки применить электричество как двигательную силу были сделаны еще в начале прошлого столетия. Так, после того как (1821 г.) Фарадеем было открыто явление вращения магнитов вокруг проводников с токами и наоборот, Sturgeons и Barlow построили прибор, состоявший из звездообразного металлического колеса, которое вращалось между полюсами подковообразного магнита при пропускании тока через колесо и ртуть, в которую последовательно погружались зубцы колеса (1823 г.). В 1824 и 1825 гг. Араго показал, что если под или над магнитной стрелкой расположить металлический диск и начать вращать этот последний, то магнитная стрелка будет также вращаться с такой же приблизительно скоростью, как и диск. Якоби в 1834 г. применил устроенный им электромагнитный двигатель для электрической лодки. Ritchie в 1836 г. нашел, что электрические машины Pixii и Saxton можно превратить в двигатели, если в их обмотки послать переменный ток. В 1845 г. Froment построил двигатель, состоявший из колеса с железными (или стальными), насаженными по окружности, лопатками, которые то притягивались, то отталкивались поочередно менявшими полюса электромагнитами. Однако все эти Э., в виду многих недостатков и несовершенств, не получили почти никакого применения на практике. Лишь после того, как Граммом и Вернером Сименсом были выработаны промышленные типы динамо-машин и после того, как (1873 г.) Fantaine на венской выставке показал возможность превращать динамо-машину в Э., техники обратили серьезное внимание на применение Э. в промышленности. Так как каждая динамо-машина постоянного тока может работать как Э., если в якорь такой динамо послать постоянный ток, то естественно, что с усовершенствованием конструкции динамо-машин постоянного тока параллельно расширялись область и масштаб применения Э. постоянного тока, тем более, что в первый период промышленного развития электротехники постоянный ток играл наиболее видную роль. Можно сказать, что до конца 80-х годов прошлого столетия единственным практическим Э. был Э. постоянного тока и, благодаря таким прекрасным качествам как легкий пуск в ход с нагрузкой, простота регулировки, возможность плавно изменять скорость, быстрая остановка, электрический двигатель стал серьезным конкуррентом других механических двигателей. Удобства, представляемые электричеством как двигательной силой, настолько стали рельефны, что, когда преимущества переменного тока при распределении электрической энергии на более значительные расстояния стали неоспоримыми, техники тотчас же сделали попытку применить для промышленных целей Э. переменного тока. Однако первые же шаги в этом направлении были неудачны: пришлось наткнуться на ряд явлений, которые положительно обесценивали динамо-машину переменного тока при её превращении в электродвигатель; но техники не падали духом, и надежды на лучшее будущее их не обманули: в 1885 г. гениальный итальянский ученый электрик Галилео Феррарис (Galileo Ferraris) показал, как практически при посредстве переменного тока можно создать вращающееся магнитное поле и как этим последним можно воспользоваться для получения электродвигателя переменного тока, мало уступающего по своим качествам Э. постоянного тока. Независимо от Феррариса, Николай Тесла (в Америке) предложил аналогичный тип Э., основанных на вращающемся магнитном поле (патенты от 1887 по 1891 гг.). Наш соотечественник Доливо-Добровольский в 1888 году построил (в Германии) Э. трехфазного тока с замкнутым якорем и после некоторых усовершенствований применил его (в 1891 г.) для осуществления первой электрической передачи силы на большое расстояние (между Франкфуртом и Лауфеном). С тех пор Э., «взяв мощно с места», неудержимо пошел вперед по пути разнообразных применений техники к промышленности, проник в мастерские, типографии, заводы, вытесняя ременную, канатную и другие передачи, упрощая механические приспособления станков, стал поднимать тяжести, приводить в действие лебедки, краны, вращать пушки, заменил конную и паровую тягу в городах, и уже недалеко то время, когда по длинным железнодорожным магистралям нас будут нести из одного города в другой поезда со скоростью 200 верст в час! В настоящее время все Э. можно разделить на две крупные категории, Э. постоянного тока и Э. переменного тока. Мы опишем вкратце наиболее известные и применяемые типы как тех, так и других Э., и постараемся в возможно доступной форме изложить как их теорию, так и способы их регулировки и действия.
Э. постоянного тока. Всякая динамо-машина постоянного тока может быть превращена в электродвигатель, т. е. если мы щетки или внешние зажимы динамо-машины соединим с источником постоянного тока, то она начнет вращаться, как двигатель. Таким образом, электродвигатель и динамо постоянного тока по конструкции совершенно одинаковы за исключением некоторых деталей, о которых мы ниже в соответственном месте упомянем. Следовательно, подобно динамо-машинам (см. Динамо-машины) мы будем различать: по способу возбуждения, Э. с независимым возбуждением, Э. с последовательным возбуждением (сериес-Э.), шунт-Э. и компаунд-Э. (Э. со смешанным возбуждением); по типу якоря, Э. типа кольца Грамма, Э. с барабанным якорем и дисковые Э.; точно также по числу полюсов электромагнитов мы будем иметь двухполюсные и многополюсные Э. Для выяснения, почему динамо-машина постоянного тока будет непрерывно вращаться, когда мы через её якорь и обмотки электромагнитов пустим постоянный ток от какого-либо источника, представим себе самый простой тип динамо-машины. Пусть для простоты электромагниты возбуждаются отдельно, в обмотки же якоря мы будем посылать ток независимо от электромагнитов; пусть якорь типа кольца Грамма (фиг. 1).
Магнитный поток, возбуждаемый электромагнитами, как известно, пройдет по кольцу от северного полюса N к южному S, разветвляясь на 2 части, причем этот поток будет искривлен вследствие того, что железное кольцо якоря при пропускании через его обмотки тока (через посредство щеток и коллектора) станет также магнитом и будет давать свой магнитный поток, который, складываясь с потоком электромагнитов, и произведет показанное на фиг. 1 пунктиром искривление силовых линий общего потока. Щетки на коллекторе установим по линии ММ′, проходящей через те части потока, где силовые линии расположены наиболее густо. Ток от полюса + направится к щетке р, затем у соответствующей пластинки коллектора разделится на два тока, один из которых направится по одной половине обмоток, а другой по другой половине, симметричной первой по отношению к линии ММ′; распределение токов показано на фигуре стрелками. На основании закона Максвелла (см. Электромагнетизм), проводник с током, в виде замкнутого контура, помещенный в магнитное поле, будет перемещаться так, чтобы своей южной стороной (т. е. стороной, смотря на которую ток будет казаться идущим по часовой стрелке) встретит наибольшее число силовых линий. Таким образом, все спирали 1, 2, 3, 4 будут стремиться переместиться к М′, где их южные стороны встретят наиболее густой поток, точно так же все спирали 5, 6, 7, 8 будут стремиться перемещаться к М, где также их южные стороны встретят наиболее густой поток. Отсюда видно, что, благодаря такому стремлению спиралей 1, 2, 3, 4 и 5, 6, 7, 8, все кольцо будет стремиться повернуться по направлению показанных стрелок. Так как, благодаря коллектору, все время, при каком угодно положении якоря, обмотки этого последнего будут разделены на две части линией ММ′ и щетками рр′, то при каком угодно положении якоря половина обмоток его будет стремиться переместиться по направлению стрелки f; а другая половина по направлению стрелки f′, а следовательно, пока через якорь будет проходить ток и пока электромагниты будут возбуждены, якорь будет непрерывно вращаться. Из сказанного следует, что совокупность обмоток 1, 2, 3, 4 создает силу F, a совокупность обмоток 5, 6, 7, 8 — силу F′ при чем F = F′ (ибо все обмотки одинаковы и магнитные потоки в обеих половинах кольца распределены одинаково по отношению к обмоткам). Таким образом, на якорь будет действовать пара сил (FF′). Произведение одной из сил на плечо OK называется моментом пары этих сил или вращающим моментом. Ясно, что чем сильнее магнитный поток и сила проходящего через обмотки тока, тем больше будет вращающий поток; он будет также тем больше, чем больше будет обмоток в каждой половине якоря. Следовательно, вращающий момент данного Э. будет пропорционален произведению тока, проходящего через обмотки якоря, на магнитный поток, пронизывающий якорь. Поэтому, обозначая через i ток, пронизывающий обмотки якоря, и через Ф магнитный поток, проходящий в каждой половине якоря, мы можем написать для вращающего момента M следующую формулу:
М = k Ф i (I),
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от числа обмоток на якоре и размеров этого последнего.
Это одна из основных формул Э. постоянного тока. Кроме вращающего момента, весьма важно знать, какую работу в единицу времени (в одну секунду) способен произвести данный двигатель. Как известно из механики, если данное тело вращается под действием пары сил, момент которой — М, то работа, производимая в секунду этою парой сил, пропорциональна произведению момента M на число оборотов в секунду вращающегося тела. Таким образом, если n — число оборотов в секунду якоря, то работа в секунду, производимая якорем двигателя, будет:
T1 = k′ M n,
где k′ — коэффициент пропорциональности
или, имея в виду, что M = = k. Ф. i,
T1 = k′ k n Ф i.
Соединяя коэффициенты k′,k в один, получим:
Т1 = А n Ф i (II).
Это — 2-я основная формула Э. постоянного тока. Когда якорь электродвигателя вращается, то через обмотки его в каждый момент будет проходить то или другое число силовых линий магнитного потока, аналогично тому, что происходит в динамо-машинах; следовательно, на основании закона индукции в этих обмотках будет индуктироваться электродвижущая сила, которая, как и в динамо-машинах, будет пропорциональна произведению: N n Ф, где N — число спиралей (витков проволоки) якоря, n — число оборотов якоря в секунду, Ф — магнитный поток, пронизывающий якорь. Эта электродвижущая сила будет направлена против тока, входящего в якорь и вращающего этот последний, ибо на основании закона Ленца (см. Электромагнитная индукция, Электромагнетизм) в замкнутом проводнике, перемещающемся в данном магнитном поле, индуктируется ток, сопротивляющийся перемещению, которое имеет место; следовательно, в данном случае в якоре будет возникать электродвижущая сила, стремящаяся создать ток, который воспрепятствовал бы данному вращению, т. е. который был бы противоположного направления по сравнению с током, входящим в якорь. Эта электродвижущая сила называется противо-электродвижущей силой электродвигателя. Нетрудно показать, что работа, производимая электродвигателем, пропорциональна произведению силы тока, входящего в якорь на противо-электродвижущую силу, индуктируемую в этом последнем. Действительно, пусть I — сила тока, входящего у щетки p (фиг. 1) и выходящего у щетки р′. Этот ток в якоре разделится на две части, так что через каждый виток проволоки якоря будет проходить ток i = I/2. Но мы уже показали, что работа, производимая электродвигателем, выражается формулой:
T1 = А n Ф i,
следовательно:
T1 = А n Ф I/2 = А′ n Ф. I.
Ясно, что А′ пропорционально числу витков проволоки на якоре, следовательно, полагая А′ = А″ N, где N — число витков проволоки, мы получим:
T1 = А″ N n Ф I (III).
Но противо-электродвижущая сила е пропорциональна произведению N n Ф, полагая, следовательно, е = N n Ф, получим:
T1 = А″ е I.
А″ будет зависеть от выбора единиц работы, электродвижущей силы е и силы тока. Если е выражено в вольтах, i в амперах, а Т1 в ваттах, то мы можем написать:
T1 = e I (IV).
Предположим, что у щеток p, p′ напряжение равно Е; это напряжение создает ток I, входящий в якорь электродвигателя; пусть r p — r сопротивление этого последнего. Работа, затрачиваемая в секунду на основании общего закона работы тока (см. Электродинамика), равна произведению напряжения E на силу тока I; эта работа в электродвигателе будет, во-1-х, расходоваться на нагревание его обмоток, каковое нагревание будет I2 r (по закону Джоуля), во-2-х, на работу, производимую электродвигателем и равную, как мы показали выше, произведению eI. [1]
Таким образом, мы будем иметь:
E I = e I + r I2 ,
откуда:
E = e + r I,
а следовательно:
e = E — r I, (V),
I = (E — e)/r (VI).
Первая формула показывает, что противо-электродвижущая сила равна напряжению у щеток минус падение напряжения r i в якоре, а вторая формула показывает, что сила тока, которую берет Э., равна разности напряжения у щеток и противо-электродвижущей силы, разделенной на сопротивление якоря. Так как противо-электродвижущая сила е пропорциональна произведению п N Ф, т. е. между прочим пропорциональна числу оборотов n якоря в секунду, то при пуске в ход, когда скорость якоря равна нулю, е тоже будет равна нулю, а, следовательно, при пуске в ход сила тока, входящего в якорь, будет I0 = E/r. Этот ток может быть очень большим и настолько нагреть обмотки якоря, что эти последние расплавятся, а изоляция их сгорит. Приведем пример: пусть E = 100 вольт (двигатель включен в 100-вольтовую цепь), пусть сопротивление якоря равно 0,5 ома и Э. расчитан на нормальную работу в 20 ампер. При пуске в ход сила тока будет:
I0 = 100/0,5 = 200 ампер.
Следовательно, через якорь электродвигателя пойдет ток в 10 раз больше нормального, обмотки его могут не выдержать и, если не расплавятся, то нагреются настолько, что вся изоляция испортится, после чего произойдет короткое замыкание в якоре и ток пойдет еще более сильный, и тогда уже расплавит все обмотки. В виду этого при пуске в ход электродвигателя включают между зажимами сети и якорем электродвигателя реостат такого сопротивления, чтобы через якорь прошел ток, превышающий нормальный не более чем в 2, 3 и максимум в 4 раза. Установив основные формулы, мы теперь перейдем к исследованию работы и способа управления Э. постоянного тока.
Шунт-электродвигатели. Пусть а, а′ (фиг. 2) зажимы ( + ) и (—) данной сети, в которую мы хотим включить наш Э.
Якорь А включается последовательно с реостатом R между а и а′, от которых ответвляется также через реостат r шунтовая обмотка электромагнитов s. Предположим, как это имеет место на практике, что напряжение узажимов а, а′ поддерживается постоянным и равно Е, тогда, если сопротивление реостата r и
обмотки электромагнитов s, то сила тока в шунте будет:
,
а сила тока в якоре:
,
где R — сопротивление реостата R, r — сопротивление якоря, е — противо-электродвижущая сила. При нормальной работе реостаты R и r выключены и, следовательно, в таком случае мы будем иметь:
,
.
Так как Е величина постоянная, то при нормальной работе ток is в шунте будет величиной постоянной, а следовательно, будет постоянным и магнитный поток Ф электромагнитов. Тогда на основании формулы (I) легко видеть, что вращающий момент M будет зависеть только от силы тока I в якоре двигателя; предположим, что нагрузка двигателя увеличилась в 2 раза, необходимо, чтобы и вращающий момент увеличился в 2 раза, а следовательно, необходимо, чтобы в якорь пошел ток в 2 раза больший (ибо магнитный поток остается постоянным). Посмотрим, что делается при этом со скоростью двигателя. Возьмем численный пример. Пусть сопротивление якоря равно 0,1 ома и при нормальной нагрузке двигатель берет 50 ампер, пусть напряжение у зажимов сети Е = 100 вольт, тогда сила тока в якоре будет:
или ,
откуда противо-электродвижущая сила е1 = 100 — 5 = 95 вольт. Предположим теперь, что нагрузка увеличилась в 2 раза, тогда для увеличения вращающего момента в 2 раза при постоянном магнитном потоке необходимо, чтобы сила тока в якоре увеличилась в 2 раза, т. е. стала равной 100 амперам; тогда мы будем иметь:
,
откуда е2 = 90 вольт.
Но противо-электродвижущая сила пропорциональна произведению N n Ф, где N число витков проволоки на якоре; n число оборотов якоря в секунду (скорость якоря); Ф магнитный поток, пронизывающий якорь; так как в данном случае Ф — величина постоянная, N для данного двигателя тоже величина постоянная, то противо-электродвижущая сила будет пропорциональна скорости или, наоборот, скорость двигателя будет пропорциональна противо-электродвижущей силе. Но при нормальной нагрузке эта последняя была 95 вольт, а при вдвое большей она стала 90 вольт, следовательно, скорость двигателя при увеличении нагрузки вдвое уменьшилась только в
95/90 = 1,055 раз.
Этот пример уже показывает, каким ценным свойством обладают шунт-Э.: их скорость весьма мало изменяется при значительных изменениях нагрузки. Не трудно также показать, что, регулируя реостат r шунта, мы можем привести скорость к первоначальному значению. Действительно, для этого стоит только уменьшить магнитный поток, включив в шунт s реостат r и уменьшив тем самым силу тока is, идущего на возбуждение электромагнитов. В самом деле, покажем, что, уменьшая магнитный поток, мы можем увеличить скорость электродвигателя при одной и той же нагрузке. Предположим, что, согласно предыдущему, двигатель для данной нагрузки брал 100 ампер, тогда, как мы нашли выше, его противо-электродвижущая сила была 90 вольт, а магнитный поток электромагнитов был некоторой величиной Ф. Тогда вращающий момент M = k Ф I = k Ф 100. Допустим, что мы уменьшили магнитный поток в 1,5 раза, так как нагрузка осталась той же самой, то и вращающий момент должен остаться без изменения, следовательно, сила тока, идущая в якорь, должна измениться так, чтобы мы имели:
,
откуда = 150 ампер.
Но тогда противо-электродвижущая сила на основании формулы (V) будет:
,
= = 85 вольт.
Но, с другой стороны:
,
где — новая скорость, а = , следовательно:
,
Раньше же , при этом = 85 вольт, = 90 вольт, откуда:
90 =
85 = ,
а следовательно:
,
откуда:
и .
Отсюда следует, что при уменьшении магнитного потока в 1,5 раза скорость увеличилась в 1,4 раза. Однако, при уменьшении магнитного потока увеличивается одновременно и сила тока в якоре, поэтому увеличивать скорость при одной и той же нагрузке можно лишь до известных пределов без вреда для обмоток якоря. На основании приведенных выше примеров ясно, что шунт-Э. хороши для работы при постоянной скорости, регулировка же скорости в больших пределах неудобна. Для перемены направления хода стоит только переменить направление тока в якоре. Для остановки Э. выключают якорь, уменьшая постепенно силу тока путем включения реостата R. Постоянное уменьшение тока в якоре перед выключением этого последнего делается для того, чтобы при размыкании не получались сильные искры. Однако после размыкания цепи якоря, этот последний вследствие инерции продолжает вращаться; вот почему, когда требуется быстрая остановка двигателя, прибегают к особому приспособлению, заключающемуся в том, что после выключения якоря этот последний замыкается накоротко, тогда двигатель начинает работать как динамо-машина и его живая сила поглощается на производство тока в замкнутом накоротко (или через реостат) якоре. На фиг. 3 показана схема включения с таким приспособлением.
Рычаг L при положении на пластинке S и D замыкает якорь через щетки p p′ накоротко. При положении на M и D, якорь включен в сеть (между А и А′) через весь реостат R, при положении рычага на N и D одна секция реостата выключена и т. д., при положении рычага на О и D весь реостат R выключен; это соответствует нормальной работе двигателя.
Э. с последовательным возбуждением (сериес-Э.).
Обмотки S электромагнитов таких двигателей включаются в сеть последовательно с якорем (фиг. 4), при пуске в ход, кроме того, включается реостат R. Следовательно, возбуждение электромагнитов не будет постоянным, а будет изменяться в зависимости от тока, потребляемого двигателем (ибо этот ток будет также проходить через электромагниты). Таким образом, магнитный поток, пронизывающий обмотки якоря, будет изменяться вместе с током, потребляемым двигателем; вследствие этого скорость сериес-двигателя будет изменяться гораздо больше, чем в шунтовом двигателе при изменении нагрузки. Действительно, пусть 0В (фиг. 5) кривая, выражающая изменения магнитного потока в зависимости от силы проходящего через обмотки электромагнитов тока.
Предположим, что Э. работает при нагрузке, требущей для него силу тока в 50 ампер; этой силе тока будет соответствовать магнитный поток ob1 (фиг. 5). Предположим теперь, что нагрузка увеличилась в 2 раза, определим, какой потребуется для двигателя при этой новой нагрузке ток. Мы уже показали, что вращающий момент пропорционален произведению ФI, таким образом, для тока в 50 ампер вращающий момент будет пропорционален произведению оа1 x ob1 (где оа1 = 50 амп., оb1 = магнитному потоку Ф1, соответствующему току oa1), иначе говоря, вращающий момент будет пропорционален площади оа1b1В1. При вдвое большей нагрузке вращающий момент должен быть в 2 раза больше, следовательно, ему будет соответствовать такой ток oa2 (фиг. 5) и магнитный поток ob2, при которых площадь оа2b2В2 должна быть в 2 раза больше предыдущей площади oa1b1B1. На данном чертеже оа2 = приблизительно 75 ампер. Пусть напряжение Е у зажимов сети а, а′ (фиг. 4) равно 100 вольтам и пусть сопротивление якоря вместе c электромагнитами равно 0,2 ома. Если е противо-электродвижущая сила в якоре, I сила тока, входящая в этот последний, r сопротивление якоря, s сопротивление электромагнитов, то, принимая во внимание, что якорь и электромагниты включены последовательно, нетрудно видеть, что:
откуда . Следовательно, когда двигатель будет брать ток в 50 ампер, то
,
ибо = 100 вольт, = 0,2 ома,
откуда: = 90 вольт.
Во втором случае, когда двигатель возьмет 75 ампер:
= 100 — 0,2 x 75 = 85 вольт. Но мы имеем:
,
где — число витков проволоки якоря, — число оборотов в секунду в 1-м случае, ' — число оборотов в секунду во 2-м случае, ( и —соответствующие токам в 50 и в 75 ампер магнитные потоки и равные по чертежу (фиг. 5) отрезкам и . Таким образом, с одной стороны, мы имеем:
, а с другой:
но по чертежу = приблизительно 0,74, следовательно:
а так как , то
, откуда = приблизит. 1,27; итак, скорость двигателя при увеличении нагрузки в 2 раза уменьшилась против скорости в 1,27 раза. Этот пример показывает, что в сериес-Э. скорость изменяется, при изменении нагрузки, значительно больше, чем в шунт-Э., и это происходит оттого, что с увеличением или уменьшением нагрузки увеличивается или уменьшается не только ток в якоре, но и магнитный поток. Скорость сериес-электродвигателя можно регулировать также путем уменьшения или увеличения магнитного потока; при уменьшении этого последнего скорость увеличивается, при увеличении же его скорость уменьшается. Однако в шунтовом Э. изменение магнитного потока производится весьма просто введением реостата в шунтовую обмотку, при этом затрата энергии на нагревание реостата ничтожна, ибо в шунт идет всегда небольшой ток. Если же мы включим в сериес-электродвигатель последовательно с электромагнитами реостат, то через этот последний будет проходить весь ток, потребный для двигателя, потеря на нагревание в реостате будет значительной, да, кроме того, введение реостата будет уменьшать ток в якоре двигателя, а следовательно, будет уменьшаться вращающий момент, и может случиться, что двигатель не только замедлит ход (вместо того, чтобы увеличить скорость), но и остановится. Вот почему для изменения магнитн. потока с целью регулировки скорости реостат включают параллельно с электромагнитами или, как говорят, шунтируют реостатом обмотки электромагнитов.
На фиг. 6 показана схема включения такого реостата: R — реостат для пуска в ход, r — реостат для регулировки скорости, он ответвляется от обмоток S электромагнитов. По мере уменьшения сопротивления r, через него будет отвлекаться от электромагнитов все больший и больший ток, а в эти последние будет поступать все меньший и меньший ток, следовательно, по мере уменьшения сопротивления r магнитный поток в электромагнитах будет уменьшаться. Наоборот, когда r будет увеличиваться, магнитный поток в электромагнитах будет увеличиваться. Затрата энергии на нагревание реостата r тут будет меньше, чем при последовательном включении его, ибо в данном случае через реостат идет только часть тока, поступающего в якорь двигателя; кроме того, этот ток по мере уменьшения сопротивления r (т. е. при уменьшении магнитного потока) будет увеличиваться, ибо тогда сопротивление электромагнитов и реостата r будет уменьшаться, следовательно, все сопротивление (комбинированное сопротивление электромагнитов и реостата r + сопротивление якоря) между зажимами а, а′ будет уменьшаться, что и будет способствовать увеличению тока. Итак, применяя предыдущий способ регулировки, мы будем одновременно с уменьшением магнитного потока увеличивать силу тока в якоре, что будет способствовать при одной и той же нагрузке быстрому увеличению скорости, а при увеличивающейся нагрузке быстрому приведению скорости к первоначальному её значению. Регулировку скорости сериес-электродвигателя можно производить еще при меньшей затрате энергии на нагревание, можно вовсе обойтись без реостата.
С этой целью обмотки электромагнитов делят на несколько частей (фиг. 7) и концы этих частей А1, A2, А3, Е1, Е2, E3 подводят к контактам А1, A2, А3, Е1, Е2, E3, нажимающих на поверхность барабана, на которой расположены пластинки (фиг. 8) такого вида, что при прохождении их под контактами А1 А2 А3 Е1Е2 Е3 могут быть осуществлены следующие соединения: 1) при положении контактов по линии 1 (поверхность барабана представлена в развернутом виде) все три обмотки электромагнитов соединены последовательно, тогда магнитный поток будет наибольший, а скорость наименьшей; 2) при положении контактов по линии 2, обмотка s1 замкнута пластинкой а накоротко, ибо оба контакта А1 и Е1 концов этой обмотки находятся на этой пластинке, ток будет проходить последовательно только через обмотки S2 и S3, контакты которых Е2 соединены с А3, т. е. конец S2 соединен с началом S3 через пластинку d; 3) при положении по линии 3 обмотка S1 будет совсем выведена из цепи; 4) при положении по линии 4 обмотки S1 и S2 будут соединены параллельно, а обмотка S3 с ними последовательно; 5) при положении по линии 5 обмотка S3 будет замкнута на короткое, а S1 S2 соединены параллельно; 6) при положении по линии 6 обмотка S3 совсем выключена, S1, S2 остаются включенными параллельно; 7) при положении по линии 7 все три обмотки включены параллельно. При положении 2 магнитный поток меньше, чем при положении 1, при положении 3 он остается тем же самым, это положение называется переходным и служит для подготовки включения обмотки S1 параллельно с S2 (положение 4), в положении 4 магнитный поток становится еще меньше, в положении 5 он продолжает уменьшаться, положение 6 опять является переходным положением, в положении 7 магнитный поток будет наименьшим. Таким образом, наибольшая скорость двигателя будет соответствовать положению 7 барабана. Описанный выше коммутатор называется контролером и разобранный способ регулировки применяется для электрических трамваев. Компаунд-электродвигатели. Мы уже видели, что скорость шунт-электродвигателя можно поддерживать постоянной, изменяя шунтовым реостатом магнитный поток: когда скорость увеличивается, мы ее можем уменьшить, увеличивая магнитный поток, и наоборот. Если мы устроим так, чтобы входящий в якорь ток, соответственно увеличению и уменьшению нагрузки электродвигателя, ослаблял или усиливал магнитный поток, то тем самым мы достигнем автоматической регулировки скорости, иначе говоря, такой двигатель будет работать при постоянной скорости, несмотря на изменения нагрузки. Этого можно достигнуть, если мы электромагниты, кроме шунтовой обмотки, снабдим еще толстой обмоткою, включенной последовательно с якорем (как в сериес-Э.), и витки этой обмотки намотаем так, чтобы создаваемый ими магнитный поток был противоположен потоку, возбуждаемому шунтовой обмоткой. Тогда, при увеличении нагрузки, сила тока в якоре будет увеличиваться, следовательно, вместе с ним будет увеличиваться противоположный поток, который будет ослаблять главный шунтовый поток; в результате получится ослабленный магнитный поток, благодаря чему скорость увеличится и поднимется до нормальной; при уменьшении нагрузки сила тока в якоре уменьшится, уменьшится и противодействующий поток, в результате получится усиление против нормального, магнитного потока, скорость уменьшится до нормальной и т. д. Таким образом, компаунд-Э. служат для переменной работы при строго постоянной скорости. Однако такого рода двигатели редко применяются в виду того, что скорость шунт-Э. весьма мало меняется и нет надобности на практике в большем постоянстве скорости, чем то получается в шунтовых двигателях. Теперь мы скажем несколько слов о коэффициенте полезного действия рассмотренных нами Э. Аналогично динамо-машинам, для Э. различают два коэффициента полезного действия: электрический коэффициент и промышленный коэффициент (также электрическая отдача и промышленная отдача). Электрическим коэффициентом называют отношение энергии, развиваемой в секунду в якоре, к энергии, доставляемой в единицу времени двигателю у его зажимов. Промышленным коэффициентом называют отношение механической энергии, развиваемой в единицу времени на оси или, как говорят, на шкиву двигателя, к электрической энергии, доставляемой ему в единицу времени у его зажимов. Возьмем сначала шунт-электродвигатель. Пусть Е — напряжение у зажимов (откуда поступает ток из сети), I — ток, входящий в якорь, r — сопротивление якоря, s —сопротивление шунтовой обмотки. Обозначим через is ток в шунте. Энергия, доставляемая в секунду в якорь, будет EI, в шунт — Е is, энергия, развиваемая в якоре электродвигателя, будет: eI, где е — противо-электродвижущая сила. Полная энергия, доставляемая двигателю, будет:
,
следовательно, электрический коэффициент полезного действия будет:
,
но
,
поэтому можно еще написать:
.
Промышленный коэффициент выразится отношением:
,
где Р — механическая энергия в секунду на шкиву двигателя. Если мы обозначим через потери на трение, через , потери на токи Фуко и гистерезис, то будем иметь:
,
откуда ,
но ,
следовательно,
,
и промышленный коэффициент полезного действия будет:
.
Для сериес-электродвигателя мы будем иметь, сохраняя те же обозначения:
.
Энергия, доставляемая двигателю в секунду, будет EI, электрический коэффициент полезного действия будет:
.
Далее:
,
,
но ,
откуда:
.
Для компаунд-электродвигателя мы будем иметь, обозначая сопротивление шунтовой обмотки через , а последовательной обмотки электромагнитов через :
,
.
Этим мы закончим об Э. постоянного тока. Конструктивных деталей мы приводить не будем, так как Э. постоянного тока суть те же динамо и конструкция тех и других тожественна. Разница только в том, что щетки в Э., по преимуществу, применяют угольные и их не переставляют, а большею частью закрепляют на теоретической нейтральной линии, т. е. на линии, проходящей посредине между полюсами перпендикулярно к линии этих последних. Все соображения, приведенные нами для двухполюсных Э., остаются в силе и для многополюсных. Из Э., применяемых для специальных целей, укажем на трамвайные Э., с конструкцией и особенностями которых читатель может познакомиться в отделе Электрические железные дороги.
Э. переменного тока. В настоящее время Э. переменного тока подразделяют на следующие группы: 1) синхронные двигатели (простого и многофазного тока), 2) индукционные двигатели (простого и многофазного тока) без коллектора-коммутатора, 3) индукционные двигатели с коллектором-коммутатором, 4) кондукционные двигатели, 5) реакционные двигатели. Прежде чем перейти к описанию этих двигателей, считаем необходимым сказать несколько слов о так называемом вращающемся магнитном поле и о способах получения этого последнего, так как в дальнейшем нам неоднократно придется ссылаться на свойства этого поля. Если мы возьмем двухполюсный магнит NS (фиг. 9), то между полюсами его, как известно, образуется магнитный поток, силовые линии которого замыкаются от N к S; если мы начнем вращать этот магнит вокруг оси оо′, то вместе с ним будет вращаться и магнитный поток NS; мы получим таким образом между полюсами магнита вращающийся магнитный поток или вращающееся магнитное поле.
Такой вращающийся магнитный поток можно получить, не прибегая к механическому вращению, как это сейчас мы покажем на двух примерах. Возьмем железное кольцо (фиг. 10) и намотаем на него две обмотки аа′ и bb′, как это показано на чертеже.
Через аа′ пропустим переменный ток вида I (фиг. 11), а через обмотки bb′ такой же ток, но разнящийся по фазе от первого на 1/4 периода или, как говорят, на 90°, т. е. ток, изображенный кривою II. Эти два тока создадут внутри кольца вращающийся магнитный поток.
Действительно, рассмотрим сначала момент. когда ток I равен нулю, а второй II имеет наибольшее отрицательное значением (момент, соответствующий пунктирной линии 1,1′ на фиг. 11); условимся принимать направление тока за положительное, когда он входит у начала 1 или 2 (фиг. 10) той или другой обмотки. В этот момент, следовательно, в обмотках аа′ тока не будет, а в обмотках bb′ он пройдет по направлению, показанному стрелками (т. е. у 2 он будет не входить, а выходить, а у 2′ входит, ибо он отрицательный). Тогда по правилу Ампера (см. Электромагнетизм) у концов обмоток bb′ образуются полюсы северные n с той стороны, смотря на которые ток будет казаться идущим по направлению против часовой стрелки; силовые линии, исходящие из полюсов n, оттолкнутся, как это показано на фиг. 10, и образуют внутри кольца магнитный поток p1p′1. Возьмем теперь момент 2 2′ (фиг. 11), когда ток I и ток II равны, но прямо противоположны (I — положительный, а II — отрицательный), их направления в обмотках a a′ и bb′ показаны стрелками на фиг. 10. Тогда на концах обмоток, согласно правилу Ампера, образуются полюсы n и s, как это показано на той же фигуре. Так как за полюсом s обмотки b следует полюс n обмотки а′, за полюсом n обмотки b′ —полюс s обмотки а, то b и а′ создадут вместе один общий поток, а обмотки b′a другой общий поток и оба эти потока, отталкиваясь между пп и ss, создадут внутри кольца поток р2р2′, положение этого потока от предыдущего (фиг. 10) будет разниться на 45°, иначе говоря, в момент 2 2′ (фиг. 10) поток в кольце повернулся на 45°, но между моментом 1 1′ и 2 2′ прошло времени 1/8 периода, следовательно, через 1/8 периода токов поток в кольце повернулся на 1/8 оборота; не трудно путем таких же рассуждений показать, что через следующую 1/8 периода (соответственно положению 3 3′ фиг. 11) в кольце получится поток, который будет отличаться от второго потока (фиг. 10) еще на 45°, т. е. поток в кольце повернется еще на 1/8 оборота, а всего от начала на 1/4 оборота и т. д., в конце периода (положением 9 9′, фиг. 11) поток в кольце повернулся на полный оборот, в следующий период произойдет то же самое, таким образом, внутри кольца от токов I и II получится непрерывно вращающийся магнитный поток, подобный тому, который мы получили механическим вращением магнита. Такой же вращающийся магнитный поток мы получим внутри кольца, если на этом последнем мы поместим три обмотки а, b, c (фиг. 12) и, соединив их звездой или треугольником, как это показано на чертеже, пропустим через эти обмотки трехфазный ток, т. е. три тока I, II, III, (фиг. 13), разнящиеся по фазе на 1/3 периода или 120°.
Путем таких же рассуждений, как и раньше, т. е. рассматривая направление токов в обмотках соответственно моментам 1 1′, 2 2′, 3 3′ и т. д., мы найдем, что соответственно этим моментам магнитный поток в кольце будет поворачиваться на 1/12, 2/12 и т. д. оборота. Обмотки а b с можно соединить также трехугольником, как это показано рядом на фиг. 12. Перейдем теперь к описанию принципа устройства и действия электродвигателей переменного тока.
Синхронные электродвигатели. Возьмем двухполюсную машину переменного тока; пусть электромагниты её неподвижны, а якорь вращается. Электромагниты, питаемые постоянным током (см. Динамо-машины), создадут в якоре неподвижный постоянный магнитный поток. Пропустим через обмотки якоря простой переменный ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным потоком, создает в каждой обмотке якоря вращающее усилие, которое, как и в двигателях постоянного тока, будет стремиться вращать якорь. Рассмотрим одну из обмоток якоря. В первую половину периода ток положителен и вращающее усилие будет одного направления. Предположим сначала, что якорь будет вращаться с такой же скоростью, с какой изменяется пропускаемый в него ток, т. е. за полупериод тока якорь повернется на полоборота, а за целый период тока якорь повернется на полный оборот; проследим за вращением обмотки якоря. За первую половину периода ток остается положительным, вращающее усилие в обмотке будет одного направления; если бы ток продолжал оставаться того же направления, то при переходе обмотки якоря по другую сторону нейтральной линии, т. е. линии, проходящей перпендикулярно к полюсам электромагнитов посредине между этими полюсами (мы рассматриваем двухполюсную машину), вращающее усилие переменило бы направление; в этом не трудно убедиться, взяв, например, якорь типа кольца Грамма и проследив перемещение одной из его спиралей при вращении кольца между двумя полюсами N и S; тогда, применяя правило Максвелла, как это мы делали, разбирая теорию электродвигателей постоянного тока (согласно этому правилу спираль или контур тока стремится перемещаться так, чтобы своей южной стороной встретить наибольшее число силовых линий), мы нашли бы, что при переходе спирали во 2-ю половину, т. е. по другую сторону нейтральной линии, вращающее усилие изменит направление. Но если якорь машины, как это мы предположили, вращается с такой же скоростью, с какой изменяется ток, то после того, как обмотка якоря сделает полоборота, одновременно и ток изменит направление, а потому вращающее усилие останется того же направления, как и раньше, а, следовательно, якорь будет продолжать вращаться в том же направлении; когда обмотка якоря сделает вторую половину оборота, ток снова переменить направление и начнет снова изменяться, как и раньше, вращающее усилие опять сохранит то же направление, и т. д.; так будет до тех пор, пока якорь будет вращаться с такой же скоростью, как изменяется ток. Но допустим теперь, что якорь стал вращаться быстрее (например, электродвигатель не нагружен, идет холостым ходом, тогда создаваемое в якоре вращающее усилие будет ускорять его вращение), иначе говоря, якорь начнет уже совершать вторую половину оборота, а ток еще не переменил направления, тогда, как мы заметили выше, появится вращающее усилие противоположного первоначальному направления и это усилие будет существовать до тех пор, пока ток не переменит направление; таким образом на некоторый момент при втором полуобороте якоря явится противодействующее первоначальному вращению усилие, вследствие этого якорь пойдет медленнее. Это усилие повторится и при следующем полуобороте, ибо ток не успеет переменить направление в то время, как обмотка якоря перейдет через нейтральную линию, следовательно, с каждым полуоборотом якорь будет замедлять вращение, пока его скорость не сравняется со скоростью изменения тока. Отсюда мы видим, что если якорь вращается почему-либо быстрее, чем изменяется ток, то скорость якоря автоматически стремится сравняться со скоростью изменения тока; поэтому то такого рода двигатели называются синхронными. Посмотрим теперь, что будет, когда якорь начнет вращаться почему либо медленнее, чем изменяется ток. Тогда произойдет следующее: ток успеет уже перемнить направление, а обмотка якоря еще не сделала первого полуоборота, т. е. не прошла через нейтральную линию; вследствие этого вращающее усилие переменит направление и будет стремиться вращать якорь в обратном направлении, т. е. будет тормозить его, и до тех пор, пока обмотка якоря не перейдет через нейтральную линию. То же получится при втором полуобороте; вследствие этого якорь еще более замедлит ход и при втором обороте якоря тормозящее усилие будет действовать еще большее время, якорь еще замедлит ход и т. д., с каждым оборотом тормозящее усилие будет действовать более и более продолжительное время, якорь будет постепенно замедлять ход и, наконец, остановится. Из сказанного следует, что описанный выше двигатель будет только тогда вращаться, когда якорю его предварительно сообщена по крайней мере такая же скорость, как и скорость изменения тока. Следовательно, для пуска в ход двигатель необходимо предварительно пустить в ход и, конечно, без нагрузки, со скоростью несколько большей, чем скорость изменения тока, затем его нагрузить; после этого он пойдет нормальным ходом, если нагрузка соответствует развиваемому вращающему усилию; если же двигатель перегружен, то он замедлит ход и остановится. При увеличении нагрузки двигателя необходимо регулировать его возбуждение (силу постоянного тока в электромагнитах), чтобы путем увеличения магнитного потока увеличить соответственно его вращающее усилие. Таким образом, мы видим, что синхронный двигатель простого переменного тока не может брать с места при нагрузке, его необходимо предварительно развернуть при холостом ходе; нельзя его также чрезмерно перегружать, ибо он может остановиться; кроме того, этот двигатель будет, как бы ни уменьшалась нагрузка, всегда идти с одной и той же скоростью (скоростью синхронизма). В этом заключается единственное преимущество синхронного двигателя. Но зато уже нет никакой возможности изменять скорость хода. Эта последняя будет зависеть от числа полюсов двигателя подобно тому, как частота переменного тока (число периодов в секунду) в динамо-машинах зависит от числа полюсов. Так, если машина 2-полюсная, то одному обороту машины соответствует полный период тока, следовательно, если машина делает 50 оборотов в секунду или 3000 оборотов в минуту, то частота тока будет 50 в секунду, в 4-полюсной машине частота в 50 периодов в секунду получится при 1500 оборотах машины в минуту и т. д. Точно также, если в якорь двухполюсного двигателя мы будем посылать переменный ток частотой 50 периодов в секунду, то такой двигатель будет делать 3000 оборотов в минуту; если же тот же ток мы пошлем в якорь 4-полюсного двигателя, то этот двигатель будет делать 1500 оборотов в минуту, а 6-ти полюсный двигатель — 1000 оборотов и т. д. Синхронные Э. простого переменного тока вследствие указанных выше недостатков (пуск в ход вхолостую, остановка двигателя при перегрузке, невозможность изменения скорости) применяются весьма мало на практике. Само собой разумеется, что якорь можно оставить неподвижным, а сделать подвижными электромагниты; тогда при пропускании через якорь переменного тока будут вращаться электромагниты. Возьмем теперь динамо-машину трехфазного тока и для простоты предположим, что якорь такой машины неподвижен, а электромагниты могут вращаться. И возьмем сначала двухполюсную машину. Обмотка якоря состоит из трех групп обмоток, в каждую из которых пропустим три тока, разнящиеся по фазе на 1/3 периода (на 120°), иначе говоря, пропустим в якорь трехфазный ток. Тогда, как мы это уже показали, внутри якоря создастся вращающейся магнитный поток, скорость вращения которого будет равна скорости изменения тока. Этот магнитный поток при своем вращении будет увлекать электромагниты, ибо эти последние будут стремиться установиться так, чтобы линия полюсов N—S совпала с направлением силовых линий потока, а так как этот последний все время вращается, то и электромагниты будут следовать за ним.
Силы, действующие на полюсы электромагнита, будут параллельны магнитному потоку (фиг. 14); момент этих сил, т. е. произведение одной из них на расстояние ab между ними, будет тем больше, чем больше будет плечо ab, т. е. чем больше будет угол между линией полюсов N—S и направлением ФФ′ магнитного потока. Следовательно, если двигатель нагружен, то соответственно этой нагрузке будет тот или другой угол между N—S и ФФ″. Электромагнит будет вращаться с такой же скоростью, как и магнитный поток. Действительно, если его скорость меньше, то вследствие постепенного отставания от магнитного потока угол между этим последним и осью электромагнита увеличится, вследствие чего увеличится и вращающий момент, тогда электромагниты ускорят ход; если их скорость станет больше, то предыдущй угол уменьшится, вращающий момент станет меньше, скорость уменьшится и т. д., словом, электромагниты будут вращаться с одной и той же скоростью, соответствующей скорости вращающегося магнитного потока якоря, т. е. скорости изменения переменного тока. Вот почему такие двигатели называются также синхронными. Преимущество синхронного трехфазного двигателя над синхронным двигателем однофазным (простого переменного тока) заключается в том, что при случайном замедлении хода он не останавливается, а автоматически поднимает скорость до нормальной, как это мы пояснили выше; при перегрузке его вращающий момент автоматически увеличивается, однако, до известных лишь пределов; действительно, наибольший вращающий момент будет тогда, когда угол между осью электромагнита и вращающего магнитного потока будет прямым, ибо тогда плечо ab будет наибольшим (см. фиг. 14), следовательно, если нагрузка превзойдет этот вращающий момент, то двигатель начнет замедлять ход. Вращающий момент можно увеличить путем увеличения возбуждения электромагнитов, ибо вращающее усилие, очевидно, пропорционально произведению вращающегося магнитного потока на магнитный поток, создаваемый электромагнитами. Посмотрим теперь, что произойдет при пуске в ход такого двигателя с нагрузкой. В первый момент электромагниты останутся неподвижными, вращающийся же магнитный поток будет сначала с осью полюсов образовывать все больший и больший угол, вращающий момент начнет возрастать, но вследствие кратковременности не успеет повернуть электромагниты. Когда угол сделается больше 90°, вращающий момент начнет уменьшаться, затем, когда угол сделается больше 180° (фиг. 15), вращающий момент переменит знак и будет действовать в противоположную сторону вплоть до увеличения угла до 360°, за второй оборот произойдет то же самое.
Таким образом, электромагнит NS будет подвергаться попеременно повороту то в одну, то в другую сторону, будет как бы качаться. Для того, чтобы этого качания не было, необходимо, чтобы угол между осью электромагнита и вращающимся потоком не превосходил 180°, следовательно, необходимо электромагниту предварительно сообщить такую скорость, при которой он не мог бы в течение некоторого времени (до приобретения нормальной скорости) отстать от вращающегося потока на угол больше 180°. Из сказанного следует, что синхронный двигатель трехфазного тока необходимо предварительно пускать в ход без нагрузки. Если мы возьмем четырехполюсную машину трехфазного тока и пустим в её якорь трехфазный ток, то она пойдет со скоростью в 2 раза меньшей, чем двухполюсная машина при той же частоте тока, шестиполюсная пойдет со скоростью в 3 раза меньше, и т. д.
2) Индукционные двигатели. Этого рода двигатели могут быть для простого (однофазного) и для многофазного токов. Рассмотрим сначала Э. для простого переменного тока. Представим себе кольцо типа Грамма и расположим на нем 2 обмотки а а′, соединенный между собой так, чтобы при пропускании через них тока в каком-либо направлении в кольце по средней линии А А′ образовались два полюса N и S (фиг. 16), благодаря чему внутри кольца получится магнитный поток, показанный толстыми пунктирными линиями.
Внутри этого кольца поместим железный цилиндр с намотанными и замкнутыми на себя витками проволоки, как это показано отдельно на фиг. 17 для двух витков.
Если через обмотки а и b мы пропустим переменный ток, то полюсы N и S кольца будут поочередно менять положение, следовательно, получится переменный магнитный поток, силовые линии которого будут пронизывать витки проволоки цилиндра С, вследствие этого в каждом из этих оборотов будет индуктироваться переменный ток, который будет взаимодействовать с магнитным потоком. Однако, если цилиндр C будет находиться в покое, то, как показывает теория, общее взаимодействие всех индуктируемых токов с магнитным потоком сведется к нулю и цилиндр С не двинется с места. Но если мы этому последнему сообщим некоторое вращение, то тотчас, вследствие вышеупомянутого взаимодействия, появится вращающее усилие, которое будет сначала увеличиваться с увеличением скорости вращения якоря С, затем, по мере того как эта скорость будет приближаться к скорости синхронизма, т. е. к скорости изменения посылаемого в обмотки а a′ переменного тока, вращающий момент снова начинает падать и при достижении скорости синхронизма станет равным нулю. Отсюда следует, что при некоторой скорости вращающий момент приобретает наибольшее значение, т. е. становится максимумом. Приведенные выше соображения показывают, что такой двигатель необходимо предварительно пустить в ход вхолостую, т. е. без нагрузки, и сообщить ему скорость, близкую к синхронизму, и тогда уже его нагружать; действительно, если при таких условиях мы нагрузили двигатель и если нагрузка больше соответствующей сообщенной двигателю скорости, то двигатель начнет замедлять ход, но его вращающий момент начнет увеличиваться, ибо максимум вращающего момента соответствует меньшей, чем данная двигателю, скорость, и, когда этот момент достигнет величины, равной нагрузке + вредные сопротивления двигателя, то этот последний начнет вращаться равномерно, его движение, как говорят, установится. Для предварительного пуска в ход прибегают к особому искусственному приспособлению, заключающемуся в следующем: кроме обмоток аа′ на кольце располагают еще обмотки bb′ по линии AA′ (фиг. 16), эти обмотки ответвляют от зажимов главного тока и соединяют их между собой так, чтобы от них по линии BB′ получились полюсы NS′. Кроме того, в цепь этих обмоток включают катушку w с самоиндукцией, благодаря которой ток в этой цепи будет разниться по фазе от тока, проходящего через обмотки аа′. Но тогда два тока, разнящиеся по фазе, при посредстве обмоток аа′ и bb′ как мы это выяснили раньше, создадут внутри кольца вращающийся магнитный поток, который, индуктируя ток в коротко замкнутых оборотах проволоки цилиндра С, создает вращающееся усилие, достаточное для приведения во вращение якоря С на холостом ходу. Ниже, при разборе трехфазных электродвигателей, мы покажем, как возникает вращающее усилие от вращающего магнитного потока, пронизывающего ряд замкнутых контуров проволоки. Заканчивая об однофазных индукционных электродвигателях, заметим, что такого рода двигатели при разных нагрузках будут вращаться с разными скоростями, но всегда меньшими, чем скорость синхронизма; вот почему такие двигатели называются асинхронными (т. е. не синхронными). Кольцо с обмотками аа′, bb′ остается неподвижным и поэтому называется статором, а якорь С, приводимый во вращение, именуют ротором. Вспомогательные обмотки bb′ выключаются тотчас после нагрузки или даже перед нагрузкой двигателя и при дальнейшей работе этого последнего остаются все время выключенными. Наиболее совершенными электродвигателями переменного тока являются индукционные двигатели трехфазного тока. Принцип их заключается в следующем.
Поместим в магнитном поле NS (фиг. 18) замкнутый контур abcd, могущий вращаться вокруг оси оо′, и представим себе, что магнитный поток NS вращается равномерно с некоторой скоростью, например со скоростью N оборотов в секунду, вокруг оси оо′. Тогда в каждое мгновение контур abcd будет пронизываться переменным числом силовых линий, а следовательно, на основании законов индукции (см. Индукция), в этом контуре будет индуктироваться переменная электродвижущая сила, которая даст начало переменному току в цепи контура. Этот ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным потоком, создает вращающееся усилие, благодаря которому контур начнет вращаться так же, т. е. будет как бы увлекаться магнитным потоком. Предположим, что на оси оо′ насажен шкив, к которому приложена некоторая нагрузка. Контур пойдет ровным ходом, когда момент создаваемого в нем вращающегося усилия будет равен моменту нагрузки + моменту вредных сопротивлений (трения и других потерь); для простоты рассуждений мы будем под нагрузкой подразумевать как фактическую нагрузку, так и вредные сопротивления. Покажем теперь, что при нагрузке скорость контура должна быть меньше скорости вращающегося магнитного потока. Действительно, если бы скорость контура была равна скорости магнитного потока, то относительное положение контура и магнитного потока во время вращения оставалось бы одним и тем же и через контур все время проходило бы одно и то же число силовых линий, следовательно, в контуре индуктируемый ток был бы все время равен нулю, а тогда не было бы и вращающегося усилия, которое является результатом взаимодействия тока и магнитного потока. Если же скорость контура будет меньше, чем скорость магнитного потока, например, если она будет n, то все будет происходить так, как если бы контур оставался неподвижным, а магнитный поток вращался бы со скоростью N—n, а тогда в контуре будет индуктироваться ток, величина которого будет в прямой зависимости от N—n. Следовательно, чем больше нагрузка двигателя, тем больше должен быть индуктируемый в контуре ток, т. е. тем больше должна быть разность N—n, т. е. тем меньше должна быть скорость п; при холостом ходе n будет весьма близко к N. Строго говоря, в результате придется рассматривать не только вращающийся поток NS, но и поток, порождаемый током контура; таким образом, в каждый момент у нас будут складываться два предыдущие потока и дадут как бы один равнодействующий магнитный поток, взаимодействие которого с индуктируемым в контуре током и создает вращающее усилие. Теоретические исследования показывают, что упомянутый равнодействующий поток тем меньше, чем больше индуктируемый в контуре ток, а этот последний тем больше, чем разность скоростей N—n больше. Следовательно, при пуске в ход, когда контур неподвижен, n = 0, а, следовательно, разность N—n будет наибольшей и индуктируемый ток будет наибольшим, а равнодействующий поток будет наименьшим; точно также, когда ток в контуре будет наименьшим (т. е. когда скорость n будет наибольшей), равнодействующий поток будет наименьшим, а так как вращающее усилие зависит от произведения равнодействующего потока на индуктируемый ток в контуре, то ясно, что наибольшим вращающее усилие будет для некоторой средней скорости (между нулем и её наибольшим значением). Таким образом, при пуске в ход вращающее усилие может оказаться слабым и двигатель может не взять с места при нагрузке. Но можно вращающее усилие при пуске в ход искусственно увеличить. Для этого, согласно выше сказанному, стоит только уменьшить индуктируемый ток с целью увеличить равнодействующий магнитный поток настолько, чтобы произведение тока на этот поток оказалось наибольшим, тогда и вращающее усилие при пуске в ход получится наибольшим; а уменьшение тока можно произвести, включив в контур при пуске в ход добавочное сопротивление. Так на практике и поступают: при пуске в ход в обмотки ротора вводят добавочное сопротивление, которое выключают, когда двигатель разойдется. Итак, индукционный трехфазный двигатель может брать с места при нагрузке, затем скорость его всегда меньше скорости вращающегося магнитного потока, т. е. скорости изменения переменного тока, создающего вращающийся поток, или как мы говорили, меньше скорости синхронизма. Вот почему и этот двигатель называется асинхронным. Отношение (N—n)/N называется скольжением (также коэффициентом скольжения). Обмотки, через которые пропускается трехфазный ток и которые дают вращающий магнитный поток, навиваются на кольцо типа Грамма и соединяются звездой или трехугольником, как это мы показали уже раньше (см. фиг. 12). Это кольцо с обмотками, аналогично однофазному индукционному двигателю, называется статором. Все выше приведенные нами рассуждения относились к одному замкнутому контуру, но все сказанное останется в силе, если мы возьмем ряд замкнутых контуров, навитых на цилиндр, как это мы показали для однофазного индукционного двигателя (см. фиг. 17). Сердечники ротора, на который навиваются в индукционных двигателях замкнутые контуры, делаются из железа для лучшей проницаемости магнитного потока; для избежания же токов Фуко, которые могут индуктироваться в массе сердечника от вращающегося (в трехфазных двигателях) и от переменного (в однофазных двигателях) магнитного потока, этот сердечник изготовляют из кружков листового железа, разделяемых друг от друга легкой изоляцией (папиросной бумогой или слоем лака). Коротко замкнутую обмотку ротора можно осуществить еще и следующим образом: ряд медных изолированных стержней, уложенных по железному сердечнику или в желобах этого последнего, соединяют с обоих концов медными кольцами, получается, таким образом, как бы круглая клетка, обхватывающая железную массу сердечника.
На фиг. 19 изображена такая клетка, вставляемая в железный сердечник. Если обмотки статора устроены наподобие обмоток якоря многополюсных трехфазных динамо-машин, то контуры ротора соединяют также в группы соответственно числу многополюсных обмоток статора.
На фиг. 20 показано такое соединение стержней 1, 2, 3...... с лицевой стороны, таким образом, стержни 1—4 образуют один замкнутый контур, стержни 4—7 другой и т. д. Наконец, из стержней ротора составляют три обмотки, которые соединяют либо звездой, либо трехугольником, большей же частью звездой, причем свободные концы подводят к кольцам, между которыми включают реостат для пуска в ход.
На фиг. 21 показана схема предыдущих соединений. а, b, с представляют обмотки статора, в которые впускается трехфазный ток, а′, b′ с′ — обмотки ротора, свободные концы которых подходят к кольцам, между которыми включен трехфазный реостат для пуска в ход. Индукционные Э. трехфазного тока уступают Э. постоянного тока существенным образом в одном, это в невозможности простыми средствами регулировать плавно их скорость. Эту регулировку можно производить: 1) путем группировки фазных обмоток статора так, чтобы получать двухполюсное, четырехполюсное, щестиполюсное и т. д. вращающееся магнитное поле (для этого группируют обмотки так, как в двухполюсных, четырехполюсных, шестиполюсных и т. д. динамо-машинах трехфазного тока), тогда скорости ротора будут последовательно уменьшаться в 2, 3 и т. д. раза, а следовательно, будут изменяться скачком; 2) путем включения в обмотки ротора сопротивления, аналогично пуску в ход (см. фиг. 21). Первый способ приводит к устройству весьма сложного контролера (коммутатора), а второй способ влечет за собой бесполезную трату энергии на нагревание реостатов. Перемена направления хода ротора достигается переключением двух из фазовых обмоток статора с одного фазного провода на другой, например, обмотки а на провод 2, а обмотки b на провод 1 (фиг. 21).
3) Индукционные двигатели с коллектором. Как мы уже показали выше, однофазные индукционные двигатели развивают вращающее усилие только после предварительного пуска в ход, причем их можно нагружать только после сообщения им при холостом ходе скорости, близкой к синхронизму. Снабдим ротор такого двигателя коллектором (таким же, как и в двигателях или динамо-машинах постоянного тока) и соединим обмотки этого ротора с пластинками коллектора совершенно так же, как и в якоре динамо-машин постоянного тока; на коллекторе установим щетки, две, четыре и т. д. в зависимости от числа полюсов, получаемых в статоре, затем замкнем щетки либо накоротко, либо через сопротивления, которые можно затем выключать. Индуктируемый в обмотках ротора ток будет замыкаться через щетки коллектора, благодаря чему в самом начале вращения получится сильное вращающее усилие и двигатель можно нагрузить, не доводя его скорости до синхронизма. Когда его ход установится, то обмотки ротора замыкают накоротко помимо коллектора и он тогда продолжает работать как обыкновенный индукционный однофазный двигатель. Наиболее удачным типом такого двигателя с коллектором является двигатель Макса Дери, конструируемый австрийским электрическим обществом Унион.
4) Кондукционные двигатели. Возьмем электродвигатель с последовательным возбуждением постоянного тока и пропустим через него сначала ток одного направления. Тогда, как мы знаем, в якоре его получится вращающее усилие определенного направления. Переменим затем направлением тока; так как этот последний проходит одновременно и через якорь, и через электромагниты, то сразу переменится направление тока, как в якоре, так и в электромагнитах, а следовательно, направление вращающего усилия не изменится. Отсюда следует, что если через такой двигатель мы будем пропускать переменный ток, то вращающее усилие будет все время одного и того же направления и двигатель будет работать так же, как и при постоянном токе; однако, вследствие сравнительно большой самоиндукции электромагнитов, на коллекторе будут получаться сильные искры, и кажущееся сопротивление двигателя может достигнуть значительной величины; впрочем, в настоящее время предложены способы уменьшения вредного влияния самоиндукции таких двигателей; об этих способах мы распространяться не будем, тем более, что подобного рода двигатели не получили пока что применения на практике. Их называют кондукционными в отличие от индукционных потому, что переменный ток пропускается одновременно и через статор, и через ротор.
5) Реакционные двигатели. Если мы ротор индукционного трехфазного Э. лишим совершенно его обмоток, оставив железный сердечник, то этот последний будет продолжать вращаться вследствие двух причин: а) вследствие взаимодействия индуктируемых в нем токов Фуко, б) вследствие гистерезиса. Но если даже этот сердечник будет из кружков железа, изолированных друг от друга, вследствие чего токи Фуко будут крайне ничтожны, то и в этом случае ротор будет вращаться благодаря явлению гистерезиса, т. е. благодаря тому, что изменения намагничивания сердечника будут запаздывать по отношению к изменению числа пронизывающих ротор силовых линий вращающегося магнитного потока статора. На этом принципе были попытки устройства Э. переменного тока, но, несмотря на крайнюю простоту их конструкции (роторы совсем без обмоток), они не получили распространения на практике. Для малых сил применяют двигатели, роторы которых представляют собой железный сердечник, вложенный в медный цилиндр, причем вращающее усилие создается, главным образом, токами Фуко, индуктируемыми в этой медной оболочке, частью, конечно, помогает и гистерезис.
Литература. Ресслер, «Э. постоянного тока»; его же, «Э. переменного тока» (перевод с немецкого); Свенторжецкий, «Э. постоянного тока»; «Школа современного электротехника, динамо-машины и Э. однофазных и многофазных переменных токов» (перевод с немецкого); Blondel, «Moteurs synchrones à courants alternatifs»; Berkitz, «Laductionsmotoren»; Niethammer und Schulz, «Elektromotoren und elektrische Arbeitsübertragung»; Schulz, «Elektromotoren».
- ↑ Кроме того будет происходить затрата на нагревание от токов Фуко и гистерезиса в якоре, но мы этой затратой будем пренебрегать, так как она незначительна в хороших электродвигателях.