Газовый и бензиновый двигатели

Паровой двигатель не до конца разрешил энергетическую проблему, находившуюся перед человечеством. предприятия и Небольшие мастерские, составлявшие в десятнадцатом веке солидную часть промышленного сектора, не всегда могли им воспользоваться. Дело в том, что мелкий паровой двигатель имел весьма низкий КПД (менее 10%).

Помимо этого, применение для того чтобы двигателя было связано с хлопотами и большими затратами. Чтобы запустить его в движение, нужно было разжечь пламя и навести пары. Кроме того в случае если машина была нужна лишь временами, ее все равно приходилось всегда держать под парами.

Для небольшой индустрии требовался двигатель маленькой силы, занимающий мало места, что возможно было бы включать и останавливать в любое время без продолжительной подготовки.

В первый раз мысль для того чтобы двигателя была предложена в начале XIX века.

В последний год XVIII века французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. Традиция приписывает его успех случайности — Лебон заметил, как вспыхнул газ, истекавший из поставленного на пламя сосуда с древесными опилками, и осознал, какую пользу возможно извлечь из этого явления. Во второй половине 90-ых годов XVIII века он взял патент на способ и использование получения светильного газа методом сухой перегонки древесины либо угля.

Это открытие имело огромное значение в первую очередь для развития техники освещения.

Весьма не так долго осталось ждать во Франции, а позже и в других государствах Европы газовые лампы стали удачно соперничать с дорогостоящими свечами. Но светильный газ годился не только для освещения. В 1801 году Лебон забрал патент на конструкцию газового двигателя.

Принцип действия данной автомобили основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением громадного количества теплоты. Продукты горения быстро расширялись, оказывая сильное давление на внешнюю среду. Создав соответствующие условия, возможно применять выделяющуюся энергию в интересах человека.

В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздушное пространство, а второй — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь действовала позже в рабочий цилиндр, где воспламенялась.

Двигатель был двойного действия, другими словами попеременно действовавшие рабочие камеры пребывали по обе стороны поршня.

По существу, Лебон +строил мысль о двигателе внутреннего сгорания, но в 1804 году он погиб, не успев воплотить в судьбу собственный изобретение. Но мысль его и в будущем завлекала к себе самое внимание. Вправду, принцип действия газового двигателя большое количество несложнее, чем паровой машины, поскольку тут горючее само конкретно создаёт давление на поршень, в то время как в паровом двигателе тепловая энергия сперва передается второму носителю — пару, что и делает нужную работу.

В последующие годы пара изобретателей из различных государств пробовали создать работоспособный двигатель на светильном газе. Но все эти попытки не стали причиной появлению на рынке двигателей, каковые имели возможность бы удачно соперничать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания в собственности бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару.

Трудясь на гальваническом заводе, Ленуар пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе возможно воспламенять посредством электрической искры, и решил выстроить двигатель на базе данной идеи.

Хозяин гальванической мастерской снабдил Ленуара деньгами, на каковые тот и выстроил в первой половине 60-ых годов девятнадцатого века собственный первый двигатель. И по внешнему виду, и по устройству он напоминал паровую машину. Двигатель был двойного действия.

Нижний золотник поочередно подавал газ и воздух в полости цилиндра, расположенные по различные стороны поршня.

Верхний золотник служил для выпускания отработанных газов. воздух и Газ подводились к золотнику по отдельным каналам. Всасывание смеси в каждую полость происходило приблизительно до половины хода, по окончании чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась электрической искрой.

Сгорая, она расширялась и действовала на поршень, создавая нужную работу. По окончании окончания реакции второй золотник информировал цилиндр с выхлопной трубкой. Тем временем происходило воспламенение смеси иначе поршня.

Он начинал двигаться назад, вытесняя отработанные газы.

Ленуар не сходу добился успеха. По окончании того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала очень мало и остановилась, поскольку из?за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал собственный двигатель, продумав совокупность водяного охлаждения.

Но вторая попытка запуска кроме этого закончилась неудачей из?за нехорошего хода поршня.

Ленуар дополнил собственную конструкцию совокупностью смазки. Лишь тогда двигатель начал работату.

По окончании объявления об этом изобретении мастерская начала получать заказы на новый двигатель, но работа его оставаласьнеудовлетворительной — совокупность зажигания довольно часто давала сбои, золотник без смазки не трудился, а наладить его удовлетворительную смазку при температуре 800 градусов так и не удалось. КПД двигателя чуть достигал 4%, он потреблял огромное количество смазки и газа. Однако двигатель скоро взял распространение.

Главными его клиентами стали мелкие фирмы (типографии, ремонтные мастерские и пр.), для которых паровые машины были через чур дороги и громоздки. В это же время двигатель Ленуара был несложен в эксплуатации, легок и имел маленькие габариты. В первой половине 60-ых годов девятнадцатого века было выпущено уже более 300 таких двигателей различной мощности.

Разбогатев, Ленуар прекратил трудиться над усовершенствованием собственной автомобили, и это предопределило ее судьбу — она была вытеснена с рынка более идеальным двигателем, созданным германским изобретателем Августом Отто. В первой половине 60-ых годов девятнадцатого века тот взял патент на собственную модель газового двигателя и в том же году заключил контракт с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Скоро была создана компания «Отто и Компания».

На первый взгляд, двигатель Отто воображал собой ход назад если сравнивать с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. На протяжении оси поршня к нему была прикреплена рейка, которая связана с валом.

Двигатель трудился следующим образом.

Поворачивающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в следствии чего под поршнем образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. После этого смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не обладали достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания.

Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало приблизительно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, количество газа возрастал и давление падало.

При подъеме поршня особый механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сперва под давлением газа, а позже по инерции поднимался , пока под ним не создавалось разряжение. Так, энергия сгоревшего горючего употреблялась в двигателе с большой полнотой.

В этом заключалась основная уникальная находка Отто. Рабочий движение поршня вниз начинался под действием давления, и по окончании того как давление в цилиндре достигало атмосферного, раскрывался выпускной вентиль, и поршень собственной массой вытеснял отработанные газы. Из?за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был существенно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, другими словами превосходил КПД самых лучших паровых автомобилей того времени.

самая сложной проблемой при таковой конструкции двигателя было создание механизма передачи перемещения рейки на вал. Для данной цели было изобретено особенное передаточное устройство с сухариками и шариками.

В то время, когда поршень с рейкой взлетал вверх, сухарики, охватывавшие вал собственными наклонными поверхностями, так взаимодействовали с шариками, что те не мешали перемещению рейки, но когда рейка начинала двигаться вниз, шарики скатывались по наклонной поверхности сухариков и хорошо прижимали их к валу, вынуждая его вращаться. Эта конструкция снабжала жизнеспособность двигателя.

Потому, что двигатели Отто были практически в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сходу стали пользоваться популярностью . В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто настойчиво трудился над усовершенствованием их конструкции.

Скоро зубчатую рейку заменила кривошипно?шатунная передача (многих смущал вид рейки, взлетавшей вверх в течение долей секунды, к тому же ее перемещение сопровождалось неприятным дребезжащим грохотом). Но самое значительное из его изобретений было сделано во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века, в то время, когда Отто забрал патент на новый двигатель с четырехтактным циклом. Данный цикл сейчас лежит в базе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.

Во всех более ранних газовых двигателях смесь газа и воздуха зажигалась в рабочем цилиндре при атмосферном давлении. Но воздействие взрыва было тем посильнее, чем давление было больше. Следовательно, при сжимании смеси взрыв должен был быть более сильным. В новом газовом двигателе Отто газ сжимался до 2, 5 либо 3 атм, благодаря чего двигатель стал меньше по размерам, а мощность его возросла.

Для помещения газовой смеси цилиндр на одной из собственных сторон был удлинен.

В то время, когда поршень доходил тут до собственного конечного положения, еще оставалось некое пространство, наполненное сжатой газовой смесью. Именно поэтому произошло создавать взрыв при конечном положении поршня, в то время, когда он при перемене перемещения имеет нулевую скорость. При данной совокупности зажигания в мертвой точке удалось избежать ударов, толчков и сотрясений поршня о стены цилиндра, каковые были в прошлом двигателе.

Движение поршня был следующий. 1) При первом ходе поршня через открытый клапан и впускной клапан для впуска смеси всасывалась бедная газом смесь, складывавшаяся из 1/10 газа и 9/10 воздуха. 2) При обратном ходе поршня впускное отверстие закрывалось и всосанная смесь сжималась в цилиндре.

3) В конце этого хода в мертвой точке происходило развивающееся давление и воспламенение газообразных продуктов взрыва перемещало поршень. В начале третьего такта давление достигало 11 атм, а при расширении понижалось практически до 3 атм. 4) При вторичном обратном ходе поршня раскрывался выпускной клапан, и поршень вытеснял из цилиндра продукты горения.

В то время, когда он доходил до крайней точки, в цилиндре еще оставались кое-какие остатки продуктов горения, но они не мешали предстоящей работе двигателя. Напротив, их присутствие имело благоприятное действие — вместо взрыва происходило более ровное горение, отчего и движение поршня получался более ровным, без рывков, и двигатель возможно было использовать в том месте, где прежде это казалось недопустимым — к примеру, для перемещения ткацких станков и динамо?автомобилей.

В этом заключалось серьёзное преимущество двигателя Отто. Чтобы сделать вращение вала еще более равномерным, его снабжали массивным маховиком. Так как из четырех ходов поршня лишь один соответствовал нужной работе, и маховик должен был давать энергию для трех последующих ходов (либо, что то же самое, на протяжении 1, 5 оборотов), дабы трудящиеся автомобили имели возможность идти без замедления хода.

Воспламенение смеси производилось, как и прежде, открытым пламенем. Из?за кривошипно?шатунного соединения с валом взять расширение газа до атмосферного не удалось, и исходя из этого КПД двигателя пользовался спросом выше, чем у прошлых моделей, но он был самым высоким для тепловых двигателей того времени.

Четырехтактный цикл был самым громадным техническим достижением Отто. Но скоро обнаружилось, что за пара лет до его изобретения совершенно верно такой же принцип работы двигателя был обрисован французским инженером Бо де Рошем. Несколько французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счел их аргументы убедительными.

Права Отто, вытекавшие из его патента, были существенно сокращены, а также было отменено его монопольное право на четырехтактный цикл.

Отто болезненно переживал эту неудачу, в это же время дела его компании шли совсем хорошо. Не смотря на то, что соперники наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная долгим производством модель Отто все равно была лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей различной мощности.

Но то событие, что в качестве горючего употреблялся светильный газ, очень сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания.

Количество светильногазовых фабрик было незначительно кроме того в Европе, а в Российской Федерации их по большому счету было лишь два — в Петербурге и Москве.

Исходя из этого не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Кое-какие изобретатели пробовали применить в качестве газа пары жидкого горючего. Еще в первой половине 70-ых годов XIX века американец Брайтон пробовал применять в этом качестве керосин.

Но керосин не хорошо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту — бензину. Но чтобы двигатель на жидком горючем имел возможность удачно соперничать с газовым, нужно было создать особое устройство (потом оно начало называться карбюратором) для получения и испарения бензина горючей смеси его с воздухом Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.

Работоспособный бензиновый двигатель показался лишь десятью годами позднее. Изобретателем его был германский инженер Готлиб Даймлер. Много лет он трудился в компании Отто и являлся членом ее правления.

В начале 80?х годов он внес предложение собственному шефу проект компактного бензинового двигателя, что возможно было бы применять на транспорте.

Отто (как в свое время Уатт в подобной обстановке) отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер совместно со своим другом Вильгельмом Майбахом принял храброе ответ — в первой половине 80-ых годов XIX века они ушли из компании Отто, купили маленькую мастерскую недалеко от Штутгарта и начали работату над собственным проектом.

Неприятность, находившаяся перед Даймлером и Майбахом была не из легких они решили создать двигатель, что не потребовал бы газогенератора, был бы весьма легким и компактным, но наряду с этим достаточно замечательным, дабы двигать экипаж. Повышение мощности Даймлер рассчитывал взять за счет повышения частоты вращения вала, но для этого нужно было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В первой половине 80-ых годов XIX века был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.

Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки. Тут P — бак для бензина, из которого при помощи запорного клапана p через трубу пропускалось столько бензина к прибору для испарения его AB, что A постоянно оставался наполненным приблизительно на 2/3.

B — это лампа, которая наполнялась первой, еще до попадания бензина в A. Из лампы B через трубку с клапаном V бензин подводился к горелке, пребывавшей в оболочке L; он вытекал узкой струйкой из узкого наконечника горелки и благодаря большой температуре горелки на данный момент же испарялся. Пламя горело около платинового зажигателя и накаляло его. В приборе для испарения A пары бензина образовывались при просасывании через бензин подогретого воздуха.

Пары эти смешивались с воздухом в регулировочном кране H, и так получалась горючая газовая смесь. При ходе поршня вниз он всасывал эту смесь, при обратном ходе сжимал ее в пространстве,) предназначенном для сжатия. В то время, в то время, когда поршень пребывал в верхней мертвой точке, распределительный механизм открывал накаленный платиновый зажигатель, заряд взрывался, и газообразные продукты горения давили на поршень.

Для образования паров бензина воздушное пространство, как отмечалось выше, должен был предварительно нагреваться. Это достигалось тем, что воздушное пространство перед поступлением в испаритель проходил через кожух горелки.

Для пуска двигателя, по наполнении бензином A и B, вначале открывали кран горелки V и в течение одной либо двух мин. извне нагревали трубки горелки. Так получали температуры, при которой бензин начинал испаряться. В то время, когда зажигатель накалялся докрасна, открывали клапан V и вращали двигатель вручную при помощи особой рукояти; по окончании нескольких оборотов происходил первый взрыв в рабочем цилиндре; после этого двигатель приходил в перемещение.

Рабочий цилиндр, как и у газовых двигателей, окружала оболочка, через которую протекала вода для охлаждения из водопровода либо от маленького насоса Q, что приводился в перемещение самим двигателем.

Из приведенного описания видно, что процесс испарения жидкого горючего в первых бензиновых двигателях был не на высоте. Исходя из этого настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки (не смотря на то, что независимо от него а также пара раньше ту же конструкцию карбюратора создал соратник и друг Даймлера Майбах).

Позднее Банки получил громадную известность собственными выдающимися изобретениями в области гидравлических турбин. Но, еще будучи молодым человеком, он в первой половине 90-ых годов девятнадцатого века забрал патент на карбюратор с жиклером (форсункой), что был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе.

Это снабжало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклер, а постоянство состава смеси достигалась за счет поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклер выполнялся в виде одного либо нескольких отверстий в трубке, размешавшейся перпендикулярно потоку воздуха.

Для поддержания напора был предусмотрен мелкий бачок с поплавком, что поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.

Так, карбюратор складывался из двух частей: поплавковой смесительной 1 камеры и камеры 2. В камеру 1 горючее вольно поступало из бака по трубке 3 и держалось на одном уровне поплавком 4, что поднимался вместе с уровнем горючего и при наполнении, посредством рычага 5, спускал иглу 6 и тем закрывал доступ горючему. Из камеры 1 горючее вольно протекало в камеру 2 и останавливалось в жиклере 7 на одном уровне с камерой 1. Камера 2 снизу имела отверстие, сообщавшееся с наружным воздухом, а вверху — с всасывающим клапаном двигателя. Количество доставляемой в цилиндр смеси регулировалось поворачиванием дросселя (заслонки) 8. При всасывающем ходе поршня воздушное пространство устремлялся снизу в камеру смешения и засасывал из жиклера горючее, распыляя и испаряя его.

Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, чтобы расширить мощность двигателя, в большинстве случаев увеличивали количество цилиндра. Позже этого начали добиваться повышением числа цилиндров. В конце XIX столетия показались двухцилиндровые двигатели, а В первую очередь XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые.

Последние устраивались так, что в каждом из цилиндров четырехтактный цикл был двинут на один движение поршня.

Именно поэтому достигалась хорошая равномерность вращения коленчатого вала.

В отличие от прошлого вала, коленчатый вал складывался из отдельных колен?кривошипов, каковые посредством шатунов были связаны с отдельными поршнями. С одной стороны вал принимал перемещение от поршней и преобразовывал возвратно?поступательное перемещение во вращательное, а с другой — руководил перемещением поршней, каковые именно поэтому двигались вперед и назад в совершенно верно установленные моменты, другими словами в один момент во всех цилиндрах проходили по одному рабочему такту. Все эти такты чередовались через равные промежутки времени.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Величайшим техническим достижением финиша XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Данный компактный, экономичный, эргономичный мотор скоро сделался одним из наиболее значимых элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда лишь возможно было доставить электрический ток. Серьёзными недочётами прошлой паровой машины постоянно оставались низкий КПД, и дробления и трудность «передачи» взятой от нее энергии.

В большинстве случаев одна громадная машина обслуживала пара десятков станков. Перемещение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим методом посредством бесконечных ремней и шкивов. Наряду с этим происходили огромные неоправданные утраты энергии.

Электрический привод не имел этих недостатков: он владел высоким КПД, потому, что с его вала возможно было прямо приобретать вращательное перемещение (в то время как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно?поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было существенно проще. Утраты наряду с этим появились минимальными, а производительность труда возрастала. Помимо этого, с внедрением электромоторов в первый раз стало возмможно не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на любой его узел.

Электрические двигатели показались еще во второй четверти XIX столетия, но прошло пара десятилетий, перед тем как создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство.

Один из первых идеальных электродвигателей, трудившихся от батареи постоянного тока, создал в первой половине 30-ых годов XIX века русский электротехник Якоби. Данный двигатель имел две группы П?образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П?образных электромагнита) размешалась на неподвижной раме. Их полюсные наконечники были устроены асимметрично — удлинены в одну сторону.

Вал двигателя воображал собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У последних полярности шли попеременно: то хорошая, то отрицательная.

К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, укрепленные на валу автомобили.

На вал двигателя был насажен коммутатор, что менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были кроме этого соединены последовательно, но направление тока в них изменялось восемь раз за один оборот вала.

Следовательно, полярность этих электромагнитов кроме этого изменялась восемь раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

Допустим, что подвижные электромагниты занимают положение, в котором против каждого полюса неподвижных магнитов стоит одноименный полюс подвижного; наряду с этим любой неподвижный электромагнит будет отталкивать противоположный магнит барабана и притягивать близлежащий с противоположным полюсом. Если бы полюса неподвижных магнитов не были асимметричны, такое устройство не имело возможности бы трудиться, поскольку воздействие разных магнитов уравновешивало бы друг друга.

Но благодаря выступу полюсных наконечников неподвижных магнитов любой из них притягивает ближайший по направлению вращения часовой стрелки не сильный, чем второй, из?за этого первый приближается к нему, а последний удаляется. Через четверть оборота (в двигателе Якоби — через одну восьмую) один против другого будут пребывать разноименные полюса, но сейчас коммутатор меняет направление тока в подвижных магнитах, и один против другого будут снова одноименные полюса, как и в начале перемещения. Благодаря этого подвижные магниты снова приобретают толчок к тому же направлению, и без того без финиша, пока остается замкнутым ток.

Коммутатор воображал собой крайне важную и глубоко продуманную часть двигателя. Он складывался из четырех железных колец, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза, каковые соответствовали 1/8 части окружности. Вырезы были заполнены изолирующими древесными вкладышами; каждое кольцо было смещено на 45 градусов по отношению к прошлому.

По окружности кольца скользил рычаг, представлявший собой необычную щетку; второй финиш рычага был загружён в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи (соединения с ртутью были самый распространенными в то время контактными устройствами).

Диски, насаженные на вал двигателя, вращались вместе с ним. По ободу диска скользили железные рычаги, каковые, попадая на непроводящую часть диска, прерывали электрическую цепь, а при соприкосновении с металлом — замыкали ее. Размещение дисков было такое, что в тот момент, в то время, когда виделись разноименные полюса, контактные рычажки переходили через грань дерево?металл и этим поменяли направление в обмотке электромагнитов.

Так, при каждом повороте кольца четыре раза разрывалась электрическая цепь.

Как уже отмечалось, двигатель Якоби для собственного времени был самым идеальным электротехническим устройством. В том же 1834 году подробное сообщение о правилах его работы было представлено Парижской академии наук. Во второй половине 30-ых годов девятнадцатого века Якоби усовершенствовал собственный электромотор и, установив его на гребном боте, с десятью спутниками совершил маленькое плавание по Неве со скоростью 4, 5 км/ч.

Источником тока ему служила замечательная батарея гальванических элементов.

Ясно, но, что все эти испытания имели чисто демонстрационный темперамент — до тех пор пока не был изобретен и внедрен в производство идеальный электрический генератор, электродвигатели не могли отыскать широкого применения, поскольку питать их от батареи было через чур дорого и невыгодно. Помимо этого, в силу различных обстоятельств, о которых мы будем говорить в следующих главах, двигатели постоянного тока взяли только ограниченное использование. Значительно более ключевую роль играются в производстве электромоторы, трудящиеся на переменном токе, к рассмотрению которых мы сейчас переходим.

Сила и направление переменного тока, как мы не забываем, не являются постоянными. Сила его сперва возрастает от нуля до какой?то большой величины и снова убывает до нуля, после этого ток меняет собственный направление, возрастает до какого именно?то отрицательного максимума и снова убывает до нуля. (Время, за которое величина тока изменяется от одного хорошего максимума до другого, именуют периодом колебания тока.) Данный процесс повторяется с громадной частотой. (К примеру, в осветительной сети ток в 1 секунду течет пятьдесят раз в одну сторону и пятьдесят раз в противоположную.) Как такое поведение тока будет отражаться на работе электродвигателя?

В первую очередь нужно подчернуть, что направление вращения электродвигателя не зависит от направления тока, по причине того, что при перемене тока изменится полярность не только в якоре, но в один момент в обмотках, отчего отталкивание и притяжение действуютв ту же сторону, что и раньше. Из этого как словно бы бы должно направляться, что для двигателя совсем безразлично, каким током постоянным либо переменным — он питается. Но это не верно.

При нередком перемагничивании электромагнитов (пара десятков раз в секунду) в них появляются вихревые токи, каковые замедляют вращение якоря и очень сильно разогревают его. Мощность электромотора быстро снижается, и в итоге он выходит из строя. Для переменного тока нужна особенная конструкция двигателя.

Изобретатели не сходу смогли отыскать ее. В первую очередь была создана модель так именуемого синхронного двигателя переменного тока.

Один из первых таких двигателей выстроил в первой половине 40-ых годов девятнадцатого века Чарльз Уитстон.

Предположим, что неподвижная часть двигателя (статор) выполнена в виде восьмиполюсного венецеобразного электромагнита, расположенные попеременно полюса которого обозначаются по их полярности буквами N и S. Между ними вращается якорь (либо ротор) в виде звездообразного колеса, восемь спиц которого являются постоянные магниты. Их неизменные полюса обозначим буквами n и s. Допустим, что через электромагнит пропускается переменный ток.

Тогда финиши сердечников электромагнита будут попеременно поменять собственную полярность. Представим себе, что в какой?то момент против каждого полюса электромагнита статора расположен одноименный полюс ротора.

Толкнем колесо и скажем ему такую скорость, при которой любая спица n пройдет расстояние между двумя соседними сердечниками N и S в временной отрезок, равный тому, за который эти сердечники сохраняют собственную полярность неизменной, другими словами во время времени, равный половине периода переменного тока, питающего электромагниты. При таких условиях во все время перемещения спицы от сердечника N до сердечника S все сердечники перемагнитятся, отчего при предстоящем собственном перемещении спица снова будет испытывать отталкивание со стороны сердечника, оставшегося сзади, и притяжение со стороны сердечника, к которому она приближается.

Трудившийся по этому принципу синхронный двигатель складывался из кольцеобразного многополюсного магнита, полярность которого изменялась под действием переменного тока, и из звездообразного постоянного электромагнита, что был насажен на вал и вращался обрисованным выше образом. Для возбуждения этого постоянного электромагнита требовался постоянный ток, что преобразовывался при помощи коммутатора из рабочего переменного.

У коммутатора было и второе назначение: он употреблялся для пуска двигателя, поскольку для поддержания вращения ротора синхронного двигателя ему требовалось сказать определенную начальную скорость. При включении через цепь сперва пускался постоянный ток, благодаря чему двигатель начинал трудиться как двигатель постоянного тока и приходил в перемещение. , пока двигатель не собрал требуемой скорости, коммутатор переменял направление в движущихся электромагнитах.

При достижении скорости, соответствовавшей синхронному ходу, у подвижного магнита полюса уже не изменялись, и двигатель начинал трудиться как синхронный двигатель переменного тока.

Обрисованная совокупность владела серьёзными недочётами, помимо этого, что синхронный двигатель потребовал для собственного запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и второй недостаток — при перегрузке синхронность его хода нарушалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливался. Исходя из этого синхронные двигатели не взяли широкого распространения. Настоящая революция в электротехнике случилась лишь по окончании изобретения асинхронного (либо индукционного) двигателя.

Воздействие асинхронного двигателя будет ясно из следующей демонстрации, которую провел в 1824 году узнаваемый французский физик Арго.

Пускай подковообразный магнит NS приводится рукой в стремительное вращение около вертикальной оси. Над полюсами установлена стеклянная пластина, поддерживающая острие, на которое насажен бронзовый кружок. При вращении магнита индукционные токи, наводимые в кружке, и образованное ими магнитное поле будут взаимодействовать с нижним магнитом, и кружок начнет вращаться в ту же сторону, что и нижний магнит.

Именно это явление употребляется в асинхронном двигателе. Лишь вместо вращающегося постоянного магнита в нем используются пара неподвижных электромагнитов, каковые включаются, выключаются и меняют собственную полярность в определенной последовательности. Поясним сообщённое следующим примером.

Предположим, что I, II, III и IV — это четыре полюса двух электромагнитов, между которыми помещена железная стрелка. Под действием магнитного поля она намагничивается и делается на протяжении линий магнитного поля электромагнитов, выходящих, как мы знаем, из их входящих и северного полюса в южный. Все четыре полюса расположены по окружности на одном расстоянии друг от друга.

Вначале ток подводится к II и III. Стрелка остается неподвижной по средней оси магнитных силовых линий. После этого подводится ток ко второму электромагниту.

Наряду с этим одноименные полюса будут пребывать рядом. Сейчас средняя направляющая силовых линий магнитов пройдет от середины расстояния между I и II к середине между III и IV, и стрелка повернется на 45 градусов. Отключим первый электромагнит и покинем активными лишь полюса II и IV.

Силовые линии будут направлены от III к IV, благодаря чего стрелка повернется еще на 45 градусов. Опять включим первый электромагнит, но поменяем наряду с этим перемещение тока, так что полярность первого магнита изменится — стрелка повернется еще на 45 градусов. По окончании отключения второго электромагнита стрелка переместится еще на 45 градусов, другими словами совершит полуоборот.

Легко понять, как вынудить ее совершить вторую половину круга.

Обрисованное нами устройство в общих чертах соответствует двигателю Бейли, изобретенному во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века. Бейли устроил два электромагнита с четырьмя крестообразно расположенными полюсами, каковые он имел возможность намагничивать посредством выключателя. Над полюсами он установил бронзовый кружок, подвешенный на острие.

Изменяя полярности магнита, включая и выключая их, он вынудил кружок вращаться совершенно верно так же, как это происходило в опыте Арго.

Мысль аналогичного двигателя очень занимательна, поскольку в отличие от двигателей постоянного тока либо синхронных электромоторов, тут не нужно подводить ток к ротору. Но в той форме, в которой его создал Бейли, асинхронный двигатель еще не мог иметь применения: переключение электромагнитов в нем происходило под действием сложного коллектора, и, помимо этого, он имел низкий КПД.

Но до того дабы данный тип электромотора взял право на судьбу, оставался лишь ход, и он был сделан по окончании появления техники многофазных токов. Фактически, многофазные токи и взяли использование, в первую очередь благодаря электродвигателям. Чтобы выяснить, что такое, например, двухфазный ток, представим себе два свободных друг от друга проводника, в которых протекают два совсем однообразных переменных тока.

Единственная отличие между ними содержится в том, что они не в один момент достигают собственных максимумов. Про такие токи говорят, что они перемещены относительно друг друга по фазе, а вдруг эти токи подводятся к одному электроприбору, говорят, что тот питается двухфазным током. Соответственно, возможно трехфазный ток (в случае если питание прибора происходит от трех однообразных токов, перемещённых относительно друг друга по фазе), четырехфазный ток и т.д.

Продолжительное время в технике употреблялся лишь простой переменный ток (что по аналогии с многофазными токами нарекли однофазным). Но позже оказалось, что многофазные токи в некоторых случаях значительно эргономичнее однофазного.

В 1888 г. итальянский физик Феррарис и югославский изобретатель Тесла (трудившийся в Соединенных Штатах) открыли явление вращающегося электромагнитного поля. Сущность его заключалась в следующем. Заберём две катушки, складывающиеся из однообразного числа витков изолированного провода, и разместим их взаимно перпендикулярно так, дабы одна катушка входила в другую.

Сейчас представим, что катушку 1 обтекает ток i1 а катушку 2 — ток i2, причем i1 опережает i2 по фазе на четверть периода.

Это, как мы уже говорили, свидетельствует, что ток i1, достигает хорошего максимума в тот момент, в то время, когда сила тока i2 равна нулю. В случае если мы в мыслях разрежем катушки пополам горизонтальной плоскостью и будем наблюдать на них сверху, то заметим сечения четырех сторон обеих катушек. Поместим между ними магнитную стрелку и будем следить за ее перемещением.

Катушки, через каковые протекает переменный ток, как мы знаем, являются электромагнитами.

Их магнитное поле будет взаимодействовать со стрелкой, поворачивая ее. Разглядим сейчас положение магнитной стрелки, ось которой сходится с вертикальной осью катушек в разные моменты времени.

В начальный момент времени (t=0) ток в первой катушке равен нулю, а во второй проходит через отрицательный максимум (направление тока будем обозначать так, как это делается в электротехнике — крестиком и точкой; крестик свидетельствует, что ток направляется от наблюдателя за плоскость чертежа, а точка — что ток направляется к наблюдателю). В момент t1 токи i1 и i2 равны друг другу, но один имеет хорошее направление, а второй — отрицательное.

В момент t2 величина тока i2, нисходит до нуля, а ток i1 достигает максимума. Стрелка наряду с этим повернется еще на 1/8 оборота. Прослеживая подобным образом развитие процесса, мы увидим, что по окончании периода трансформаций одного из токов магнитная стрелка завершит полный оборот около оси.

Дальше процесс повторяется.

Следовательно, при помощи двух катушек, питаемых двумя токами, перемещёнными относительно друг друга по фазе на четверть периода, возможно взять тот же эффект перемены магнитных полюсов, которого добился в собственном двигателе Бейли, но тут это получается существенно проще, без всякого коммутатора и без применения скользящих контактов, потому, что перемагничиванием руководит сам ток. Обрисованный эффект взял в электротехнике наименование равномерно вращающегося магнитного поля.

На его базе Тесла сконструировал первый в истории двухфазный асинхронный двигатель. Он по большому счету первенствовал , кто начал экспериментировать с многофазными токами и удачно разрешил проблему генерирования таких токов.

Потому, что взять двухфазный ток из однофазного было непросто, Тесла выстроил особый генератор, что сходу давал два тока с разностью фаз в 90 градусов (другими словами с отставанием на четверть периода)