Значение слова ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона

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). b80_470-0.jpg 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. \[Кроме того будет происходить затрата на нагревание от токов Фуко и гистерезиса в якоре, но мы этой затратой будем пренебрегать, так как она незначительна в хороших электродвигателях.\] 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. b80_472-0.jpg 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: is = E/(r + s), а сила тока в якоре: I = (E— e)/(R + r ), 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: is = Е/s, I = (E — e)/r. 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: I1 = (Е—е1)/r или 50 = (100 — е1)/0,1, 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: 100 = (E— е2)/r = (100 — е2)/0,1, 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: M = k (Ф/1,5) I' = k Ф 100, откуда I' = 150 ампер. Но тогда противо-электродвижущая сила на основании формулы (V) будет: e' = E — r I' = 100 — 0,1?150, е' = = 85 вольт. Но, с другой стороны: е' = п' N Ф, где п' — новая скорость, а Ф = Ф/1,5, следовательно: е' = п' N Ф/1,5, Раньше же e = п N Ф, при этом е' = 85 вольт, е = 90 вольт, откуда: 90 = п N Ф, 85 = п' N Ф/1,5, а следовательно: 90/85 = п 1,5/ п', откуда: п' = п (1,5 х 85)/90 и п'/n = (1,5 х 85)/90 = 1,4. 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. b80_473-1.jpg 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.). b80_473-2.jpg 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. b80_474-1.jpg 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: E = е + I (r + s) откуда е = Е — (r + s) I. Следовательно, когда двигатель будет брать ток в 50 ампер, то е1 100 — 0,2 x 50, ибо E = 100 вольт, r + s = 0,2 ома, откуда: е1 = 90 вольт. Во втором случае, когда двигатель возьмет 75 ампер: е1 = 100 — 0,2 x 75 = 85 вольт. Но мы имеем: е1 = N n1 Ф1 е2 = N n2 Ф2, где N — число витков проволоки якоря, п1 число оборотов в секунду в 1-м случае, n2 — число оборотов в секунду во 2-м случае, (Ф1 и Ф2 —соответствующие токам в 50 и в 75 ампер магнитные потоки и равные по чертежу (фиг. 5) отрезкам ob1 и ob2. Таким образом, с одной стороны, мы имеем: е12 = 90/85, а с другой: е12 = (N n1 Ф1)/(N n2 Ф2) = (n1Ф1)/ (n2 Ф2) = (n1 x ob1)/(n2 x ob2) но по чертежу ob/ob2 = приблизительно 0,74, следовательно: е12 = 0,74(n1/ n2) а так как е1/е = 90/85, то 0,74(n1/ n2) = 90/85, откуда (n1/n2) = 90/85 х 100/74 = приблизит. 1,27; итак, скорость п2 двигателя при увеличении нагрузки в 2 раза уменьшилась против скорости n1 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. b80_474-2.jpg 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. b80_475-0.jpg 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: E I = E is + e(I + is), следовательно, электрический коэффициент полезного действия будет: g /e = eI/E(I + is), но Е I = е I + I2r Eis = s is2, поэтому можно еще написать: g /e = eI/(eI + I2r + is2s). Промышленный коэффициент выразится отношением: g /i = P/E(I + is), где Р — механическая энергия в секунду на шкиву двигателя. Если мы обозначим через p1 потери на трение, через р2, потери на токи Фуко и гистерезис, то будем иметь: eI = P + p1 + р2, откуда P = e I — р1 — р2, но eI = EI I 2r, следовательно, P = EI — I2r — р1 — р2, и промышленный коэффициент полезного действия будет: g /i = (EI —I2r — p1 — р2)/ Е(I + is). Для сериес-электродвигателя мы будем иметь, сохраняя те же обозначения: EI + e I + I2(r + s). Энергия, доставляемая двигателю в секунду, будет EI, электрический коэффициент полезного действия будет: g /e = e I / EI = е/E = eI/ eI2(r + s). Далее: eI = P + p1 + p2, P = eI — p1 — p2, но eI = EI — I2(r + s), откуда: g /i = P/EI = (eI — p1 — p2 )/ EI = (EI — I2(r + s) — p1 — p2 )/EI. Для компаунд-электродвигателя мы будем иметь, обозначая сопротивление шунтовой обмотки через s, а последовательной обмотки электромагнитов через s': g /e = eI/ E(I + is) = eI/ \[eI + I2(r + s') + is2s \], g /i = P/ E(I + is) = \[EI — I2(r s'++ ) — p1 — p2 \]/ E(I + is). 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. b80_477-1.jpg 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. b80_477-2.jpg 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. b80_477-3.jpg 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 11' 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°. b80_477-4.jpg b80_478-0.jpg Путем таких же рассуждений, как и раньше, т. е. рассматривая направление токов в обмотках соответственно моментам 11', 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 ил

Брокгауз и Ефрон. Брокгауз и Евфрон, энциклопедический словарь.