ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
МЫШЦЫ СОВРЕМЕННОЙ ИНДУСТРИИ
«Смеется ли ребенок при виде игрушки, создает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге, дрожит ли девушка при первой мысли о любви — везде окончательным фактом является мышечное движение.
Миллиарды разнообразных, не имеющих, по-видимому, никакой родственной связи явлений сводятся на деятельность нескольких десятков мышц»...
Эта цитата взята из первого параграфа знаменитой книги И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга».
9-1. Клетки, производящие работу
Белковая молекула клетки мышцы построена из очень длинной цепи атомов водорода, азота, углерода. Атомы расположены зигзагом, цепочка сложена наподобие гармоники.
В ответ на одиночное раздражение мышца сокращается и сразу же вновь расслабляется. Это одиночное сокращение продолжается менее 0,1 сек. Но мышца при этом развивает большое усилие, большую мощность. Она способна поднять груз, превышающий ее собственный вес в 500 раз. Нет магнитов, способных совершить нечто подобное.
Взбегая быстро вверх по лестнице, человек может поднимать свой вес больше, чем на метр в секунду. При этом совершается работа более 75 килограммометров в секунду, т. е. развивается мощность более одной лошадиной силы. Но такое напряжение можно выдержать только в течение короткого времени. Считается, что при нормальной, неизнуряющей работе человек развивает в течение дня в среднем около 1/50 л. с.
В годы, когда Сеченов писал свою книгу (она вышла в 1863 г.), производство требовало от человека тяжелого физического труда. В настоящее время на каждого промышленного рабочего приходится мощность двигателей в несколько киловатт. Человек должен затрачивать силу мышц только на то, чтобы командовать и управлять своими механическими помощниками.
В начале нашего столетия на каждого промышленного рабочего в России приходилась мощность двигателей менее двух лошадиных сил. Более двух третей этой мощности поставляли механические источники энергии (пар, вода). Доля электрических двигателей была незначительна. В первую послевоенную пятилетку мощность, приходящаяся на каждого рабочего, превысила 5 лошадиных сил. Доля электродвигателей в этой мощности — свыше 90%.
9-2. Предки современных электродвигателей
В 1831 г. Михаил Фарадей изготовил из медной проволоки две катушки и соединил между собой их концы. Внутри одной катушки он подвесил на тонкой шелковинке магнитную стрелку. Когда он вблизи второй катушки быстро передвигал магнит, то стрелка внутри первой катушки вздрагивала и отклонялась.
Перемещение магнита поблизости от катушки наводит ток в ее проводниках. Ток проходит во вторую катушку и там создает магнитное поле, отклоняющее стрелку. Так объяснял Фарадей свой опыт.
В этом опыте в зародыше представлена вся современная схема электропередачи.
Катушка, в которой перемещение магнита возбуждает ток, — это прообраз генераторов на центральных электростанциях. Соединительные проводники — линии передачи, длина которых в наше время достигает часто сотен километров. Стрелка, вздрагивающая на шелковинке, — далекий предок современного электродвигателя.
В годы открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции единственным механическим двигателем была паровая машина, работающая с возвратно-поступательным движением поршня. Первые электродвигатели конструировались по ее образу и подобию. Известный инженер Роберт Стефенсон, построивший в 1857 г. вместе со своим отцом Георгом Стефенсоном знаменитый паровоз «Ракету», заявил на публичном докладе: «Не может быть и сомнения, что промышленное применение вольтаического электричества — в какой бы форме оно ни развивалось— вполне невозможно... Энергия, обнаруживаемая электромагнитом, распространяется на столь небольшое пространство, что не может быть полезна. Для наглядности сильный электромагнит можно было бы сравнить с паровой машиной, у которой при огромном поршне сделан крайне короткий ход последнего. Хорошо известно, что такое устройство весьма нежелательно».
Долгие десятилетия работали физики и инженеры, прежде чем электродвигатель принял свой современный вид.
9-3. Первое знакомство
Назначение электродвигателя — производить движения: вертеть, тянуть, толкать взад-вперед. В каждом электродвигателе есть подвижная часть. Иногда ее по старой памяти называют «якорь»: в первых электродвигателях подвижная часть походила на эту непременную принадлежность корабля.
Большинство современных электродвигателей создает вращательное движение. Подвижную часть их называют ротором — от латинского слова rotare — вращать.
Наука об электричестве знает два рода сил: электрические — между заряженными телами и магнитные — между проводниками с током. Все без исключения современные электродвигатели приводятся в движение магнитными силами. За стальной ротор электродвигателя цепляются и тянут его магнитные силовые линии. Эти электромагнитные силы создают токи, проходящие по обмоткам.
В разных типах электродвигателей электромагнитные силы действуют по-разному: одни электродвигатели всегда совершают неизменное число оборотов в минуту, как бы мы их ни грузили, и скорее остановятся или сгорят, чем сбавят свою скорость. Другие же, наоборот, совершенно плавно меняют свою скорость от нуля до многих тысяч.
Есть такое множество тонкостей в конструкциях, схемах, характеристиках электродвигателей, что в одном толстом томе их всех не описать.
9-4. Барабанный якорь
Роторы современных электродвигателей мало напоминают корабельный якорь. Это чаще всего барабаны, состоящие из дисков, нанизанных на вал.
Диски штампуются из специальной тонкой (0,3—0,5 мм) стали — электротехнической стали. Танкой папиросной бумагой или лаком диски изолируются один от другого. В пазы такого слоеного барабана укладывают обмотку.
Ротор вращается внутри неподвижной, или, как принято говорить, статичной части двигателя. Эта неподвижная часть называется «статор». На статоре помещается обмотка — ее так и называют «обмотка статора». Основание статора может быть выполнено из чугуна, из стали, а наружный кожух иногда для легкости делают из алюминия или алюминиевого сплава. Часто статор, как и ротор, изготовляют из отдельных тонких листов специальной стали, изолированных один от другого.
Паровые турбины, дизели, бензиновые моторы часто называются первичными двигателями. Электрический двигатель — это посредник, — такой же посредник, как зубчатая передача или муфта сцепления. На старинных фабриках одна большая паровая машина вращала при помощи приводных ремней все станки. Теперь поступают иначе. Первичный двигатель приводит в действие генератор. А тот питает своим током множество разнообразных электродвигателей — и уже электродвигатели приводят в движение рабочие органы машин. Электродвигатель пускается в ход одним нажатием кнопки или поворотом выключателя. Он не выделяет при работе каких-либо газов. По тонким недорогим электрическим проводам могут быть переданы большие мощности. Электрический двигатель позволяет почти неограниченно дробить первоначальную мощность...
И все же есть много областей, где этот гибкий и удобный посредник не применяется, и причины тому не случайны.
9-5. Удельные нагрузки
По мере развития техники человек подчиняет себе все большие и большие массы энергии и научается управлять все большими ее концентрациями. Одна живая лошадиная сила весит несколько сотен килограммов, а современный авиационный мотор весит меньше одного килограмма на силу.
Мощность любого двигателя равна произведению скорости движения его подвижной части на величину усилия, приложенного к этой подвижной части и действующего в направлении движения.
Как уже было сказано, в электродвигателе за ротор цепляются и тянут его магнитные линии, создаваемые токами, проходящими по обмоткам. Силы, действующие на каждый квадратный сантиметр, пропорциональны квадрату плотности магнитных линий — квадрату магнитной индукции.
Чем больше плотности тока в обмотках электродвигателя, тем выше индукция в воздушном зазоре — пространстве между статором и ротором. Но при больших плотностях тока и индукциях медь и сталь в роторе и статоре перегреваются, велики потери в двигателе.
Обычно в электродвигателях применяют индукцию не выше десяти — пятнадцати тысяч гауссов (1—1,5 тесла). При этом на каждый квадратный сантиметр боковой поверхности ротора получается усилие в несколько сотен граммов. Эти магнитные силы действуют не прямо в направлении движения — по касательной к ротору: у них имеются составляющие, направленные по радиусам, которые растягивают двигатель, не производя полезной работы. Полезное усилие, направленное по касательной к поверхности ротора, может составлять четверть, а то и десятую долю от полного усилия — т. е. несколько десятков граммов на 1 см2.
В стальных шестернях нагрузка на единицу поверхности в тысячи раз больше. Правда, в электродвигателе усилия магнитных линий приложены одновременно ко всей боковой поверхности ротора, а в зубчатой передаче в зацепление входит в каждый момент времени часть рабочей поверхности одного зубца, но и с учетом этого обстоятельства полное усилие, передаваемое зубчатой передачей, во много раз больше усилия, создаваемого электрическим двигателем, имеющим тот же вес.
В дизельных двигателях, в бензиновых моторах, в паровых машинах, в зубчатых передачах предел создаваемым усилиям ставит механическая прочность материалов, применяемых в конструкции. В электродвигателях магнитные линии, тянущиеся между ротором и статором, никогда не смогут создать таких усилий, чтобы исчерпать механическую прочность материалов. Скорее сгорят и расплавятся обмотки, чем хоть чуть-чуть погнутся зубцы на его статоре и роторе.
В современных электродвигателях, работающих на принципе электромагнитной индукции, не используется полностью механическая прочность его активных материалов — меди и стали, хотя материалы эти, как правило, менее прочны, чем специальные сорта стали, применяемые в тепловых двигателях.
При равном создаваемом усилии механическая передача или тепловой мотор почти всегда могут быть сделаны легче электродвигателя.
Медно-железные мышцы современной электроэнергетики близки к пределу своего возможного совершенства. Чем большую нагрузку магнитным потоком допускает сталь и чем при более высокой температуре может работать изоляция двигателя, тем он получается более легким и надежным. Прогресс электромашиностроения — это, в сущности, прогресс материалов. Не видно, чтобы в ближайшие годы материалы электромашиностроения могли резко измениться. Следовательно, трудно ожидать резкого изменения и самих электродвигателей. Быть может, они станут чуть легче, чуть быстроходнее, чуть экономичнее.
9-6. Регулирование скорости
Ценное свойство электрической передачи по сравнению с механической заключается в том, что многие типы электродвигателей допускают плавную регулировку скорости, и такую регулировку можно осуществить вплоть до самых больших мощностей в тысячи киловатт. Зубчатая же передача с переменным передаточным числом может быть выполнена на мощность самое большое несколько сотен киловатт, и добиться плавности регулировки при этом почти невозможно.
Электродвигатель не требует такой высокой точности изготовления, как механическая передача. Зазор между ротором и статором в больших электродвигателях достигает нескольких миллиметров. Неточность размеров в десятую долю миллиметра и вовсе не сказывается на работе электродвигателя. В шестернях же рабочие поверхности должны быть обработаны с точностью до тысячных долей миллиметра.
Электродвигатели менее подвержены поломкам при перегрузках, случайных толчках и ударах, чем механические передачи. Магнитные линии создают неразрушаемую эластичную связь между ротором и статором.
9-7. Быстроходные и тихоходные
Во многих случаях механическая передача и электродвигатель гармонически дополняют друг друга. Заманчивым иногда кажется построить для привода тихоходного механизма такой же тихоходный электродвигатель и тем избежать лишних передач, лишних гнезд трения, лишних источников потерь. Но чем быстроходнее электродвигатель, тем он легче. Меньший вес всей установки и меньшие потери получаются в случае применения быстроходного электродвигателя с механической передачей, понижающей число оборотов в минуту до требуемой величины.
В трамвае, например, можно было бы насадить якорь двигателя прямо на ось, на которой сидят колеса. Но трамвайные колеса вращаются сравнительно медленно, они делают не больше 2—3 сотен оборотов в минуту. Для уменьшения веса вагона трамвая берут более быстроходный двигатель и сцепляют его с колесами при помощи зубчатой передачи, понижающей скорость вращения.
* * *
Электрическая энергия бывает разных сортов: постоянного и переменного тока, низких и высоких частот. И для разных видов тока применяются разные типы двигателей. Выбор типа двигателя зависит от его назначения: одни задачи ставятся перед двигателем точных электрических часов, другие — перед двигателем большого прокатного стана, и дело здесь не только в мощности, как может показаться спервоначала.
Удобнее всего производить и распределять электрическую энергию в виде переменного тока.
С валом турбины на центральной электростанции соединен ротор генератора переменного тока. В случае быстроходных турбин это — двухполюсный или четырехполюсный электромагнит. В тихоходных гидрогенераторах на роторе часто делают несколько десятков полюсов. Обмотки полюсов ротора питаются током от специального вспомогательного генератора постоянного тока — возбудителя. Северные и южные полюсы попеременно проходят перед каждым из проводников обмотки статора и заставляют ток в них течь то в одну, то в другую сторону. Сколько полюсов пройдет, столько перемен испытает ток. Две перемены — это период. Если четырехполюсный ротор делает полторы тысячи оборотов в минуту или двухполюсный — три тысячи оборотов в минуту, то генератор вырабатывает ток с частотой 50 периодов в секунду или, как говорят короче, 50 герц. Такая частота и принята за стандарт в Советском Союзе и по всей Европе.
Если менять скорость вращения ротора, то одновременно, или, выражаясь греческим словом, синхронно, будет меняться частота тока, вырабатываемого генератором. Потому такие генераторы и называются «синхронными».
Каждый электрический машинный генератор может работать и как двигатель.
Синхронные генераторы могут работать как синхронные двигатели. В них ротор выполняется -в виде электромагнита, возбуждаемого током от вспомогательной машины-возбудителя, или в виде постоянного магнита (для мощностей до нескольких киловатт). Иногда — в случае малых мощностей — ротор изготовляется из мягкого железа, не намагничиваемого заранее. Такие электродвигатели называют реактивными.
И на холостом ходу, и при полной нагрузке синхронные двигатели вращаются с одинаковой скоростью, жестко связанной с частотой тока в питающей сети.
Во многих случаях такое строгое постоянство числа оборотов в минуту независимо от изменения нагрузки очень ценно. Синхронные двигатели применяются, например, для вращения звукозаписывающих и звуковоспроизводящих аппаратов (кино, электропатефоны). Патефонный двигатель, подключенный к сети 50 герц, всегда будет делать 78 оборотов в минуту, обеспечивая этим отсутствие искажений тембра записи. Мощность патефонного двигателя — несколько ватт. Еще меньшие синхронные двигатели — на доли ватта — применяются в синхронных электрических часах. А для привода больших турбонасосов на каналах, шлюзах, в водопроводе строятся синхронные двигатели мощностью в тысячи киловатт.
Но во многих случаях жесткая связь скорости вращения с частотой питающего тока является крупным недостатком. Синхронные двигатели неприменимы, например, в тяге, где всегда требуется постепенный разгон экипажа.
В некоторых случаях можно изменять скорость вращения синхронного двигателя, переключая число полюсов в его обмотке. Скажем, при питании от сети 50 Гц двигатель с шестью полюсами делает 1 000 об/мин, а с восемью полюсами — 750. Но плавную регулировку числа оборотов в минуту можно получить, только меняя частоту питающего тока.
Из других недостатков синхронных двигателей надо указать, что в большинстве своем они плохо берут с места. Электропатефон, например, недостаточно подключить к сети, чтобы он пошел в ход, требуется подтолкнуть пальцем его диск, довести его до скорости, близкой к синхронной, и уже тогда он сам втянется в работу.
Мощные синхронные двигатели снабжаются специальными вспомогательными приспособлениями для пуска в ход.
9-8. Самые массовые двигатели
Изо всех типов двигателей наибольшее распространение получили, пожалуй, асинхронные. Ротор в них также следует за переменами тока, питающего двигатель, но не жестко, не с постоянным числом оборотов в минуту. В асинхронных двигателях скорость вращения ротора несколько отстает от числа перемен тока. Ротор этих двигателей имеет, как говорят электрик», некоторое скольжение. Например, четырехполюсный асинхронный двигатель при 50-периодном токе делает не 1 500 оборотов в минуту (синхронная скорость), а немногим менее: 1 450—1 460.
Наименьшее скольжение имеют эти асинхронные двигатели на холостом ходу. С увеличением нагрузки их скорость вращения несколько падает — скольжение увеличивается, скорость все более отстает от синхронной. Отсюда и название таких двигателей — «асинхронные», т. е. не соблюдающие постоянства скорости.
Принцип асинхронных двигателей впервые изучался в 1884 г. итальянским ученым Галилео Феррарисом. Он был хорошим теоретиком, но, вычисляя коэффициент полезного действия асинхронного двигателя, допустил ошибку и получил, что к. п. д. такого двигателя всегда будет меньше половины и, следовательно, большого практического значения, асинхронный двигатель иметь не будет.
Затем асинхронными двигателями занялся Никола Тесла. В 1888 г. он доложил Американскому институту инженеров-электриков о своих работах. По идеям Тесла были построены двухфазные двигатели и генераторы для передачи энергии с первой электростанции Ниагарского водопада.
Современную форму асинхронному электродвигателю придал русский электрик Михаил Осипович Доливо- Добровольский.
9-9. Беличье колесо
Асинхронные трехфазные двигатели строятся на мощности от долей ватта до тысячи киловатт.
В асинхронных двигателях средней мощности — от сотен ватт до десятков киловатт — ротор не обматывается проволокой, с ним поступают иначе. В его пазы заливают расплавленный алюминий. Застывший алюминий образует стержни, прочно сидящие в пазах, и по торцам ротора два кольца, соединяющие все эти стержни между собой. Такой ротор называется короткозамкнутым, или ротором с беличьим колесом (беличья клетка). Это очень простая и надежная конструкция, в ней нечему пробиваться или перегорать.
Асинхронные двигатели с ротором — беличьим колесом крутят токарные, фрезерные, строгальные и всякие другие станки на заводах, приводят в действие лифты, подъемники, краны, конвейеры. Много миллионов таких двигателей работает во всем мире. Их, этих алюминиевых колес, охватывающих пакеты тонких железных листов, пожалуй, теперь куда больше, чем живых белок.
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя зависит от отношения скорости его вращения к синхронной скорости. Чем больше скольжение, тем больше потери. При малом скольжении, с которым работают современные асинхронные двигатели, к. п. д. их велик. Для регулировки скорости без ухудшения к. п. д. применяют переключение полюсов.
Если сделать стержни беличьего колеса толстыми— так, чтобы сопротивление их электрическому току было мало, то при работе двигателя с полной скоростью (близкой к синхронной) потери в роторе будут малы. Но под большой нагрузкой двигатель с беличьим колесом плохо берет с места — у него малый пусковой момент. К тому же во время пуска такой двигатель потребляет из сети ток, в несколько раз больший нормального.
Увеличив электрическое сопротивление проводников в роторе асинхронного двигателя, можно увеличить толчок тока в питающей сети при включении мотора и увеличить пусковой момент. Но такой двигатель не наберет полной скорости, близкой к синхронной.
Большое сопротивление проводников ротора будет вызывать большие вредные потери.
Чтобы получить в асинхронных двигателях большой пусковой момент и малые толчки тока при включении и вместе с тем высокий к. п. д. при работе на полной скорости, на роторе двигателя вместо беличьего колеса помещают обмотку из изолированной проволоки, концы которой выводят на три кольца. По этим кольцам скользят щетки, а к ним подключают реостат. При пуске дают реостату самое большое сопротивление, а затем, по мере разгона движения, сопротивление реостата все уменьшают и, когда двигатель дойдет до полной скорости, кольца замыкают накоротко, а щетки приподымают, чтобы они напрасно не снашивались и не стирали колец.
Асинхронный двигатель с кольцами сложнее двигателя с беличьим колесом, и строятся такие двигатели на мощность не меньше десятка киловатт.
Максимальные мощности асинхронных двигателей достигают нескольких тысяч киловатт; такие большие асинхронные двигатели вращают, например, гребные винты электроходов.
9-10. Двойное колесо
Иногда строят асинхронные двигатели с двумя беличьими колесами на роторе. Одно колесо — тонкое, имеющее большое электрическое сопротивление, — располагается у самой поверхности ротора. Оно работает при пуске. Когда ротор раскрутится, магнитный поток статора заходит в глубину ротора и в работу вступает второе колесо, расположенное под первым и выполненное из толстых проводников, имеющих малое сопротивление.
Двигатели с двойным беличьим колесом хорошо берут с места и вызывают меньшие толчки тока при пуске, чем двигатели с простым беличьим колесом. Они применяются при тяжелых условиях работы — например, во врубовых машинах.
По принципу асинхронных двигателей работают электрические счетчики переменного тока. От них требуется лишь мощность, достаточная для приведения в движение барабанчиков с цифрами. Ротор счетчиков делается даже без железа, в виде простого алюминиевого диока.
9-11. Самые быстроходные
Существуют механизмы, требующие особо высокой скорости вращения. Таковы центрифуги для выработки искусственного шелка, гирокомпасы на кораблях и самолетах. Во многих случаях они должны делать несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Для привода этих механизмов большей частью применяются асинхронные двигатели, питающиеся от специальных генераторов повышенной частоты: 100—300, а иногда и 1 000 Гц.
Недостатком асинхронных двигателей является то, что, помимо полезного рабочего тока, они потребляют из питающей сети еще намагничивающий ток — «ленивый» ток, как его называли электрики в старое время, или реактивный ток, как его называют теперь. Загружая сеть, этот ток вызывает добавочные потери. Чем больше реактивного тока берет двигатель, тем хуже коэффициент использования — «косинус фи», как его называют.
