Мир электричества - Анатолий Томилин

Сегодня кажется, что очень просто заменить постоянные магниты уже хорошо известными электромагнитами. Но так думаем мы в XXI веке.

Идею подобной машины примерно в одно и то же время выдвинули немецкий полковой врач Вильгельм Зинстеден, предложивший питать обмотки возбуждения от гальванической батареи, и, независимо от него, датский судебный чиновник Серено Хиорт, изобретатель-любитель. Датчанин, соединив генератор с самовозбуждением и электромагнитный двигатель, заявил, что так может получиться нечто вроде вечного двигателя. Его идею едва не подняли на смех. Еще в 1775 году Парижская академия наук постановила никогда не рассматривать проекты вечных двигателей, объявив их химерой.

Один из первых электрогенераторов с самовозбуждением

В 1856 году к возможности создать генератор с самовозбуждением пришел профессор Пештского университета и действительный член Венгерской академии наук Иштван Аньош Йёдлик. Через три года ему удалось построить действующую модель такого генератора. Но работа носила слишком академический характер да и была, возможно, несколько преждевременной.

Но само предложение построить генератор с электромагнитными обмотками звучало весьма заманчиво на фоне несовершенных постоянных магнитов. И проблема самовозбуждения привлекла внимание конструкторов.

В 1866 году в Манчестере был построен электрогенератор с электромагнитами, заменившими постоянные магниты. Обмотки самовозбуждения питались током от маленькой магнитоэлектрической машины.

Постепенно принцип самовозбуждения завоевывал изобретательскую мысль в разных странах. И чем больше изобретателей занимались конструированием этих машин, тем больше споров и судебных процессов разгоралось вокруг проблем приоритета.

Эрнст Вернер фон Сименс (1816–1892)

В середине XIX столетия в Германии заработало крупное электротехническое объединение, которое начинало с выпуска телеграфных аппаратов и немудреных деталей к ним, а затем, когда во главе предприятия встал талантливый изобретатель и предприниматель Эрнст Вернер фон Сименс, занялось изготовлением различного электротехнического оборудования.

Эрнст Вернер фон Сименс был старшим из четырех братьев-инженеров, внесших существенный вклад в новую отрасль электротехнической промышленности.

Эрнст получил образование в артиллерийской инженерной школе в Берлине и до 1849 года служил в германской армии. Именно там впервые проявилась его изобретательская жилка. И в двадцать пять лет Эрнст Вернер получил привилегию на способ гальванического золочения и серебрения. Для реализации изобретения он в компании с товарищем основывает в Берлине свой первый завод. Дела инженера-предпринимателя Эрнста Вернера фон Сименса пошли весьма успешно. В 1843 году Сименс отправляет двадцатилетнего брата Карла Вильгельма, также инженера, в Англию для организации там отделения берлинского предприятия. Затем к Карлу Сименсу присоединяются и остальные братья – Ганс и Фридрих, также получившие инженерное образование в Германии. Став со временем самостоятельными предпринимателями, все они отличались смелой изобретательской мыслью и предпринимательской хваткой.

В 1844 году правительство командировало Эрнста Вернера фон Сименса в артиллерийские мастерские для совершенствования взрывной техники. Затем его ввели в состав комиссии по строительству телеграфных линий в Пруссии. Это послужило толчком для целого ряда его изобретений, в частности, широко распространенной машины для изолирования проводов гуттаперчей. Вместе с механиком Иоганном Георгом Гальске Сименс основал в Берлине еще один завод по производству телеграфных аппаратов. За последующие годы телеграфные линии фирмы «Сименс и Гальске» связали многие города не только Западной Европы, но и России.

Кольцевой якорь и коллектор Грамма

Обладая прекрасным чутьем, старший Сименс сразу оценивает значение принципа самовозбуждения для электрических машин и создает один из первых подобных генераторов. Он закрепляет за собой право на изобретение и распоряжается, чтобы его брат Карл Вильгельм взял английский патент. В письме брату он пишет: «…машина будет готова через несколько дней. Сделай и ты изыскания, чтобы Уайльд, который также близок к той же цели, не опередил нас. Магнитное электричество сделается дешевым, станет доступным и применимым для освещения, гальванометаллургии и т. д., и даже малые электромагнитные машины, получающие силу от больших, станут весьма полезны.

Берлин, 4 декабря 1866 г.»

И месяц спустя «английский» Сименс представляет в Королевское общество доклад о новом принципе конструирования электрогенераторов.

Барабанный якорь фирмы «Сименс и Гальске»

17 января 1867 года от имени Эрнста Вернера Сименса профессор Магнус читает в Берлинской академии наук доклад о принципе самовозбуждения. В целях закрепления приоритета Сименс дает новому принципу название динамоэлектрического, а самовозбуждающийся генератор называет динамо-машиной. Название приживается, и скоро вообще все генераторы постоянного тока начинают называть «динамо». Сименс всячески торопит сборку первого генератора. До него доходят сведения, что почти одновременно патенты на динамо-машины получили и несколько изобретателей в Англии, где еще в 1863 году интересную конструкцию предложил Генри Уайльд. П-образный электромагнит его генератора питался от отдельного небольшого электромагнитного возбудителя.

Динамо-машина Грамма с кольцевым якорем

Динамо-машина фирмы «Сименс и Гальске» с барабанным якорем

Чтобы представить себе гонку новых изобретений, напомним, что на том же заседании члены Королевского общества выслушали еще один доклад на электротехническую тему. Их коллега Чарлз Уитстон профессор физики Лондонского Королевского колледжа рассказал о параллельном соединении обмоток электромагнитов с цепью якоря. Позже такой генератор получит название шунтовой машины и будет признан более совершенным, но это произойдет лишь лет через десять…

Одним из недостатков первых электрических машин являлась сильная пульсация вырабатываемого тока и быстрый перегрев. Не свободен был от этих недостатков и генератор Сименса и Гальске с двух-Т-образным якорем. Сименс понимал это и поставил перед своими сотрудниками задачу усовершенствовать конструкцию якоря.

В то время во Франции на заводе уже знакомой нам «Компании Альянс» работал столяром Зекоб Теофил Грамм. Занимался он работами по изготовлению электрогенераторов для питания осветительных установок и был, как выяснилось позже, весьма предприимчивым человеком. В июне 1870 года вместе с техником той же фирмы Эрдлем Луи Шарлем д'Ивернуа Грамм выправил патент на генератор с самовозбуждением, имеющий кольцевой якорь, но без зубцов. На кольцевой сердечник наматывалась замкнутая обмотка, соединенная с коллекторными пластинами.

Слово «коллектор» взято из латыни и означает «собиратель». Коллектор электрической машины не что иное, как совокупность изолированных друг от друга пластин, расположенных на якоре машины. Пластины присоединены к катушкам обмоток ротора, и по ним скользят токосъемные щетки, обеспечивая неподвижный контакт с подвижным якорем.

Машина Грамма оказалась весьма удачной. Пульсация вырабатываемого тока стала меньше. Кроме того, изобретатель писал, что сердечник якоря может быть сплошным, а может набираться из отдельных проволок, что уменьшит потери мощности на его нагревание. Эти преимущества были настолько явными, что вскоре динамо-машины Грамма сильно потеснили на рынке генераторы других типов.

Чтобы выдержать конкуренцию новых генераторов Грамма, Сименсу следовало внести в свою конструкцию какие-то усовершенствования, но так, чтобы оградить себя от патентных исков. Это удалось сделать главному инженеру его фирмы Фридриху Гефнер-Альтенеку. Известно, что чем большая поверхность якоря проходит под полюсом электромагнита, тем индукционный ток в нем больше. Гефнер-Альтенек вытянул кольцо Грамма в цилиндр, сделал его в виде барабана, внес еще некоторые изменения, и… предприятие «Сименс и Гальске» приступило к выпуску новых «собственных» генераторов.

Серьезной проблемой для электротехников являлось конструирование магнитной цепи электрической машины. Большинство делали ее «на глазок». Никаких методов расчета не существовало. Но использование большого количества железа означало значительные потери на нагрев вихревыми токами. А если железа оказывалось мало – страдал магнитный поток.

Александр Григорьевич Столетов (1839–1896)

В 1872 году доцент Московского университета Александр Григорьевич Столетов представил для защиты докторскую диссертацию «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Работая в лаборатории Густава Кирхгофа в Гейдельберге и у Вильгельма Вебера в Геттингене, Столетов проделал множество опытов. В 1872 году он впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля магнитная восприимчивость железа сначала возрастает, а потом начинает уменьшаться, и снял кривую магнитной проницаемости ферромагнетика (так называемую «кривую Столетова»).