Начало исследования процессов в электрических машинах

В начальный период конструирования электромашинных генераторов уже было известно, что э. д. с. индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур тока, поэтому увеличения э. д. с. в машинах пытались достигнуть путем увеличения скорости якоря.

Тщательные измерения показали, что ток, даваемый генератором, при неизменном сопротивлении нагрузки сначала растет почти строго пропорционально скорости машины, а затем линейная зависимость все более заметно нарушается. Это неожиданное обстоятельство пытались объяснить тем, что при быстром изменении магнитного поля сталь не успевает намагнититься (гипотеза В. Вебера).

В 1845 г. изучением этого вопроса занялся Э. X. Ленц. Исследования, проведенные с машиной Штерера, привели его в 1847 г. к чрезвычайно важным для развития электрических машин выводам. Он показал, что ток нагрузки, протекающий по обмотке якоря, создает магнитный поток, который взаимодействует с основным магнитным потоком. В результате этого основной магнитный поток ослабляется, а нейтральная линия машины сдвигается в сторону вращения якоря.

Таким образом, Ленц совершенно правильно описал то явление, которое впоследствии получило название реакции якоря. Следует отметить, что к представлениям о реакции якоря подходил за год до этого Б. С. Якоби, но исследованием этого явления он не занимался.

Важным практическим результатом исследования Ленцем реакций якоря было его предложение смещать щетки по направлению вращения так, чтобы они были установлены на действительной нейтральной линии. Говоря современным языком, Ленц впервые предложил смещать щетки с геометрической нейтрали на физическую. В машине «Альянс» было уже использовано это предложение: токосъемные ролики (щетки), перемещались под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который в свою очередь был связан с валом машины.

В 1840 г. Б. С. Якоби была выполнена одна из первых работ по теории электрических машин, основное содержание которой сводилось к выяснению энергетической сущности процессов. В этой же работе Якоби описал открытое им явление обратной э. д. с.

Существенным вкладом в развитие электрической машины было исследование Зинстеденом сердечников якорей, на основании которого он пришел к выводу о целесообразности замены массивных стержней пучками тонкой стальной проволоки. Это прогрессивное предложение, направленное на уменьшение потерь от вихревых токов, в то время в практике электромашиностроения не привилось, и до 70-х годов продолжали строить машины с массивными сердечниками.

Первый математический анализ работы машины с самовозбуждением дал Дж. К. Максвелл. В работе, опубликованной в 1867 г., Максвелл, между прочим, впервые ввел понятие о постоянной времени в цепях электрической машины.

Исключительно важное значение для развития электромашиностроения имели исследования свойств мягкого железа и разработка методов расчета магнитной цепи.

Основополагающие исследования, касающиеся намагничивания мягкого железа, принадлежат профессору Московского университета А. Г. Столетову. В 1871 г. в Московском математическом обществе А. Г. Столетов сообщил о работе, составившей предмет его докторской диссертации, в которой была глубоко исследована зависимость коэффициента восприимчивости от намагниченности железа (этот коэффициент Столетов называл «функцией намагничения»).

Проведя множество чрезвычайно тонких экспериментов с намагничиванием замкнутого железного кольца. Столетов установил, что коэффициент восприимчивости с увеличением намагниченности растет, достигает максимума, а затем убывает. Метод исследования, разработанный Столетовым, положен в основу современных методов изучения магнитных свойств стали.

Практическое значение своих исследований правильно оценил А. Г. Столетов, указав, что знание свойств железа при его намагничивании столь же важно для электромашиностроения, как знание свойств водяного пара для построения паровых машин. Своевременность появления труда Столетова становится очевидной, если вспомнить, что эта работа была опубликована в 1871 г., т. е. спустя всего 1 год после построения первых машин Грамма.

Изучение магнитных свойств железа было продолжено многими учеными в 70—80-х годах. Так, в 1880 г. Э. Варбургом было открыто явление гистерезиса, и начались .исследования потерь в железе при размагничивании (Т. Юинг, Ч. П. Штейнметц).

Большое значение для проектирования электрических машин и аппаратов имели работы Дж. Гопктнсона, который в начале 80-х годов сформулировал так называемый закон Ома для магнитной цепи.

Гопкинсон впервые предложил при расчете электрической машины или электромагнитного аппарата разбивать их магнитную цепь на ряд участков, каждый из которых имеет постоянную магнитную проницаемость и сечение и представил закон Ома для магнитной цепи.

На базе работ Гопкинсона был разработан метод расчета магнитной цепи, который полностью сохранил свое значение до настоящего времени.

На основании теоретических исследований, выполненных в 70-х годах, удалось перейти от грубой эмпирики к осмысленному, достаточно строгому проектированию электрических машин, аппаратов и приборов. Прежде всего это выразилось в совершенствовании форм магнитопроводов и, следовательно, в уменьшении магнитного рассеяния и снижении потерь. Машина постоянного тока, в частности, к 1890 г. получила такую конфигурацию магнитопровода, которая не отличается от современной.

Белькинд Л. Д. Веселовский О. Н. и др. История энергетической техники