ТЕСЛА ОТВЕЧАЕТ Д-РУ ЛУИСУ ДУНКАНУ И ОБЪЯСНЯЕТ ДЕЙСТВИЕ МОТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 2 страница
Очевидно, что вращение полюсов вызывает явление индукции и может быть использовано для выработки тока в замкнутом проводнике, помещенном в магнитное поле. Для этой цели удобно намотать на кольцо две наложенные друг на друга обмотки, которые образуют соответственно первичный и вторичный контуры, как показано на рисунке 10. Чтобы добиться наиболее экономичных результатов, магнитная цепь должна быть полностью замкнута и видоизменена в зависимости от конкретных условий.
Эффект индукции, наблюдающийся во вторичной обмотке объясняется главным образом сдвигом или движением магнитного поля; но токи в цепях могут возникать также и вследствии изменений напряженности полюсов. Однако если правильно сконструировать генератор и определить магнитный эффект первичной обмотки, от последнего явления можно избавиться. Если поддерживать постоянную напряженность магнитного поля, то действие прибора будет идеальным и мы будем иметь тот же результат, как если бы сдвиг происходил при помощи коллектора с бесконечно огромным числом пластин. В этом случае теоретически соотношение между магнитным воздействием каждого витка первичной обмотки и их результирующим магнитным действием можно выразить как уравнение окружности, центр которой совпадает с центром прямоугольной двухосной системы координат, и радиус которой есть результирующая величина и координаты обеих составляющих. Они есть соответственно синус и косинус угла а между радиусом и одной из осей (ОХ). Взглянув на рисунок 11, увидим, что r2=х2+у2, где x=r cos а, a y=r sin а.
|
|
|
Допустим, что намагничивание каждой из обмоток в трансформаторе пропорционально силе тока — что можно допустить для малых величин намагничивания, — тогда х=Кс, а у=Кс1 где К — величина постоянная, а с и с1 - величины силы тока в обеих обмотках. Если предположить далее, что поле в генераторе однородно, то для постоянной скорости с=К1 sin a, a c=K1 sin (90° + a)=K1 cos а, где K1 — величина постоянная (см. рисунок 12). Следовательно, х = Кс = КК1 cos а; у = Кс1 = KK1 sin а, и КК = r.
Это означает, что в однородном поле расположение обмоток под прямым углом обеспечит теоретический результат, а напряженность двигающихся полюсов будет постоянной. Но из выражения r2= х2+у2 следует, что у=0, r=х, т. е. совокупное намагничивание обеих обмоток равно по величине магнитному действию одной обмотки в точке максимума. В трансформаторах и в некоторых типах моторов флуктуации полюсов не имеют особого значения, но в других типах моторов желательно иметь теоретический результат.
После применения этого принципа на практике были созданы два типа моторов. Первый тип характеризуется сравнительно слабым вращательным действием в начале работы, но затем поддерживает постоянную скорость при любой нагрузке. Этот двигатель назван синхронным. Второй тип создает хорошее усилие вначале, но скорость его вращения зависит от нагрузки.
|
|
|
Эти моторы могут приводиться в действие тремя способами: 1. Только от источника переменного тока. 2. От совместного действия переменных и наведенных токов. 3. От совместного действия переменного и постоянного тока.
Простейший синхронный двигатель можно получить, если взять кольцо из тонкого проката, снабженное четырьмя обмотками, служащими полюсами, и соединить таким же способом, как показано [рисунок 9]. Железный диск с удаленными по обеим сторонам секторами может служить якорем. Такой двигатель показан на рисунке 9. Если диску позволить свободно двигаться внутри кольца в непосредственной близости от полюсов, очевидно, что поскольку полюсы перемещаются, он, вследствие своего стремления находиться в точке, где есть наибольшее количество силовых линий, будет точно следовать движению полюсов и его движение будет синхронным движению полюсов якоря генератора, т. е. в определенном положении, показанном на рисунке 9, в котором один оборот якоря производит два импульса тока в каждом контуре. Очевидно, что если при одном обороте производится большее количество импульсов, то и скорость вращения мотора возрастает. Если допустить, что сила притяжения, оказываемая на диск, наиболее велика, когда он ближе всего к полюсам, то понятно, что такой мотор будет работать с одинаковой скоростью при всех нагрузках в пределах своей мощности.
|
|
|
Для облегчения запуска диск можно снабдить обмоткой, замкнутой на себя. Преимущество использования подобной обмотки очевидно. При запуске токи, возбуждаемые в обмотке, сильно электризуют диск и увеличивают силу притяжения, с которой кольцо воздействует на него; и в то время, как токи возбуждаются в обмотке, пока скорость вращения якоря меньше скорости вращения полюсов, двигатель может совершать приличную работу даже до того, как наберет необходимые обороты. Если учесть, что напряженность полюсов постоянна, то никаких токов не будет вырабатываться в обмотке, когда двигатель вращается с нормальной скоростью.
Вместо того чтобы замыкать обмотку на себя, ее выводы можно соединить со скользящими контактными кольцами и с соответствующего источника подать на них постоянный ток. Чтобы запустить такой двигатель, надо сначала замкнуть обмотку на себя, а затем, когда скорость вращения станет нормальной или почти нормальной, подать постоянный ток. Если диск будет сильно намагничен постоянным током, двигатель может не запуститься, а если он будет слабо намагничен, или в целом магнитное воздействие кольца будет преобладающим, то он запустится и наберет нормальные обороты. Такой двигатель вращается с абсолютно одинаковой скоростью при любой нагрузке. Было также замечено, что, если движущая сила генератора не слишком высока, то при проверке мотора, скорость генератора уменьшается синхронно со скоростью вращения мотора. Характерной чертой этого двигателя является то, что направление вращения не меняется в зависимости от перемены полярности источника постоянного тока.
|
|
|
Синхронность этих моторов можно по-разному продемонстрировать экспериментальным путем. Для этой цели лучше всего взять мотор, который состоит из стационарного магнита и якоря, который вращается в поле магнита, как показано на рисунке 13. В данном случае перемещение полюсов якоря заставляет его вращаться в противоположном направлении. В результате, при достижении нормальной скорости вращения, полюсы якоря принимают фиксированное положение относительно поля магнита, и он намагничивается индукционно, причем полярность ярко выражена. Если кусок мягкого железа поднести к магниту, то поначалу он притягивается и вибрирует, причем эта вибрация порождается изменением полярности магнита, но по мере увеличения скорости вращения якоря вибрация всё уменьшается и в конце концов затухает совсем. Тогда сила притяжения железа невелика, но постоянна, что показывает, что синхронность достигнута и магнит питается индукционно.
Диск тоже можно использовать для такого опыта. Если поднести его довольно близко к якорю, он будет поворачиваться до тех пор, пока скорость вращения полюсов превышает скорость вращения якоря; но как только будет достигнута нормальная скорость или около того, он перестает вращаться и постоянно притягивается.
Грубый, но очень показательный пример дает нам лампа накаливания. Если включить ее в цепь с источником постоянного тока последовательно с магнитной катушкой, то можно наблюдать быстрые флуктуации в виде мигания света, которые находятся в соответствии с наведенными токами в катушке, которые существуют поначалу; но с увеличением скорости, мигание становится всё реже и реже и прекращается совсем, указывая на то, что двигатель набрал обороты.
Телефонный аппарат — это наиболее чувствительный прибор; если его соединить в цепь с любым мотором, то синхронизм можно легко обнаружить по затуханию наведенных токов.
В двигателях синхронного типа предпочтительно поддерживать движущееся магнитное поле на постоянном уровне, в особенности, если магниты не разделены должным образом.
Как обеспечить хорошее тяговое усилие, вот, что долго занимало умы. Для того чтобы добиться такого результата, необходимо было создать конструкцию, где полюсы одной части мотора движутся благодаря переменному току источника, а полюсы, возникающие в другой его части, должны всегда находиться в соответствии с ними, независимо от скорости вращения мотора. Такое условие соблюдается в электродвигателях постоянного тока. Но в синхронном двигателе, который мы описываем, это условие соблюдается только при нормальной скорости вращения.
Этой цели удалось достичь, поместив внутрь кольца стальной сердечник с несколькими независимыми обмотками, замкнутыми на себя. Двух обмоток, расположенных под прямым углом друг к другу, как показано на рисунке 14, вполне достаточно, но чем их больше, тем лучше. Из такой конструкции следует, что, когда полюсы кольца движутся, в замкнутых обмотках якоря возникают токи. Эти токи наиболее сильны в точках, где более всего силовых линий поля, и их действие таково, что они создают полюсы на якоре под прямым углом к полюсам кольца, по крайней мере теоретически; и поскольку это происходит независимо от скорости вращения, т. е. что касается расположения полюсов, — окружность кольца постоянно подвергается действию силы притяжения. Во многих отношениях эти моторы похожи на моторы постоянного тока. Если подключить нагрузку, то скорость, а также сопротивление мотора уменьшаются и через электризующие обмотки проходит ток большей силы, что увеличивает мощность. После того, как убрали нагрузку, возрастает противоэлектродвижущая сила, и сила тока в первичных обмотках уменьшается. Без нагрузки скорость вращения равна или примерно равна скорости вращения полюсов магнита.
Позже было обнаружено, что тяговое усилие в таких моторах полностью равно усилию в моторах постоянного тока. Кажется, что усилие достигает наибольшей величины, когда на якоре и на магните отсутствуют выступы; но так как при такой конструкции поле не может достигать высокой концентрации, вероятно, наилучшего результата можно достичь, когда выступами снабжен один из элементов системы. В общем, можно сделать вывод, что выступы уменьшают вращающий момент и улучшают синхронизацию.
Характерной чертой этого типа двигателей является их способность очень быстро менять направление вращения. Это есть следствие особенности в работе мотора. Допустим, что якорь вращается, и направление вращения полюсов меняется. В этом случае наш аппарат представляет собой динамо-машину, причем энергией для движения этой машины служит кинетическая энергия движения якоря, а скорость его вращения — это сумма скоростей якоря и полюсов. Если мы допустим, что количество энергии, необходимое для вращения такой динамо-машины будет пропорционально одной трети скорости, то уже только по этой причине направление вращения якоря можно быстро изменить. Но одновременно с этим вступает в действие другой фактор, а именно: так как направление вращения полюсов по отношению к якорю изменилось, двигатель начинает действовать как трансформатор, в котором сопротивление вторичной обмотки ненормально уменьшено вследствие образования в ней дополнительной электродвижущей силы. Благодаря этим двум причинам реверс становится моментальным.
Существует несколько различных способов достижения постоянной скорости вращения и хорошего тягового усилия при запуске. Например, два якоря, один для вращающего момента, а другой для синхронизации, могут быть установлены совместно и при необходимости использоваться, или якорь можно раскручивать для достижения вращательного усилия, но более или менее внушительного результата по улучшению синхронизации можно достичь, если правильно сконструировать железный сердечник, или множеством иных способов.
Для достижения необходимой фазы токов в обеих цепях проще всего расположить две катушки под прямым углом — это очевидный подход; но такой же результат можно получить множеством других способов в зависимости от применяемой машины.
Любая из современных динамо-машин может быть приспособлена для этих целей, если вывести контакты в нужных местах обмотки генератора. На якоре с замкнутым контуром, таком, какой используется в двигателе постоянного тока, лучше всего сделать четыре вывода в равноудаленных местах или пластинах коллектора и соединить их с четырьмя изолированными контактными кольцами на валу. В этом случае каждый из контуров мотора соединяется с двумя диаметрально противоположными пластинами коллектора. В таком виде двигатель можно эксплуатировать в половину мощности и по трехпроводной схеме, соединив контуры мотора в надлежащем порядке с тремя контактными кольцами.
В многополюсных динамо-машинах, таких, какие используются в преобразовательных системах, требуемая фаза получается путем наматывания двух серий катушек таким образом, чтобы в то время, как витки одной секции или серии создавали максимальный ток, витки другой находились в нейтральной позиции или около того, вследствие чего обе секции обмоток могут подвергаться одновременно или последовательно действию магнитного поля.
В основном цепи двигателей могут быть расположены подобным образом и их реализация может быть различной в зависимости от конкретных требований, но самый простой и практичный способ — снабдить неподвижную часть мотора первичной обмоткой, таким образом удается избежать применения скользящих контактов. В этом случае обмотки магнита в обоих контурах соединяются попеременно, т. е. 1,3,5… в одном и 2,4,6… в другом, и обмотки каждой цепи могут соединяться одинаково или, напротив, попеременно; в последнем случае мы будем иметь двигатель с числом полюсов вдвое меньшим и работать он будет по-другому. Рисунки 15, 16 и 17 показывают три различные фазы, причем обмотки магнита в каждом контуре соединены попеременно оппозитно. В данном случае всегда будем иметь четыре полюса, как на рисунках 15 и 17, четыре зубца будут нейтральны, а на рисунке 16 два расположенных рядом зубца имеют одинаковую полярность. Если обмотки соединены одинаково, то имеем восемь попеременных полюсов, как обозначено буквами n's' на рисунке 15.
Применение многополюсных моторов дает преимущество столь необходимое, сколь недостижимое в двигателях постоянного тока, а именно: можно сделать так, чтобы двигатель работал с заданной скоростью независимо от недостатков конструкции, нагрузки и, в определенных пределах, электродвижущей и силы тока.
В общей системе распределения, как эта, следует придерживаться такой схемы. В качестве центрального источника надлежит использовать генератор со значительным числом полюсов. Двигатели, питающиеся от этого генератора, должны быть синхронными, но обладать значительным вращательным моментом для надежного запуска.
При соблюдении требований к конструкции можно будет заметить, что скорость вращения каждого мотора находится в обратной зависимости от его габаритов, таким же образом следует подходить к выбору числа полюсов. Однако особые требования могут внести изменения в это правило. С учетом этого хорошо было бы снабдить каждый мотор большим числом полюсных зубцов и обмоток, их количество должно быть кратным двум или трем. Это поможет простым изменением соединений обмоток адаптировать мотор для конкретных требований.
Если число полюсов в двигателе четное, то он будет работать плавно, и вы достигнете нужного результата; если же это не подходит, то лучше всего удвоить число полюсов и соединить их, как было описано выше, так, чтобы выходила половина числа пар полюсов. Например, у генератора 12 полюсов, а нужно получить скорость 12/7 скорости генератора. Для этого потребуется мотор с семью зубцами или магнитами, а такой мотор нельзя правильно соединить в цепь, если только не использовать 14 обмоток якоря, а это потребует применения скользящих контактов. Во избежание этого мотор должен иметь четырнадцать магнитов, включая по семь в каждую цепь попеременно. Якорь должен иметь четырнадцать замкнутых катушек. Мотор не будет работать идеально, как с четным числом полюсов, но, по крайней мере, его недостаток не будет столь серьезным.
Однако недостатки, являющиеся следствием такой несимметричной формы, уменьшатся в той же пропорции, в какой увеличится число полюсов. Если генератор имеет, скажем, п, а мотор га. полюсов, то скорость мотора будет равна скорости генератора, умноженной на дробь п/п1.
Скорость вращения мотора в целом зависит от количества полюсов, но возможны исключения. Скорость может меняться в зависимости от фазы тока в контурах или от характера импульса тока, или от интервала между импульсами, или от групп импульсов. Некоторые возможные случаи показаны на рисунках 18, 19, 20, 21, из которых всё ясно. На рисунке 18 показано наиболее часто встречающееся положение дел, когда достигается наилучший результат.
В таком случае, если применяется типичный двигатель, показанный на рисунке 9, одна полная волна в каждом контуре дает один полный оборот двигателя. На рисунке 19 такой же результат обеспечен одной волной в каждом контуре, когда импульсы следуют друг за другом, на рисунке 20 — четырьмя, а на рисунке 21 — восемью волнами.
Такими средствами можно достигать любой скорости, конечно, в пределах практических нужд. Эта система имеет еще одно преимущество, помимо прочих, — оно заключается в ее простоте. При полной нагрузке моторы показывают КПД, идентичный моторам постоянного тока. Трансформаторы демонстрируют дополнительное преимущество своей способностью питать двигатель. Они могут быть подобным же образом модифицированы и это облегчит внедрение моторов и их адаптацию для практических нужд. Их КПД должен быть выше, чем у современных, и вот на чем я основываю свое мнение.
В нынешнем трансформаторе, мы производим ток во вторичной обмотке путем изменения силы первичных токов или токов возбуждения. Если мы допустим пропорциональность по отношению к железному сердечнику, то индукция во вторичной обмотке будет пропорциональна суммарному количеству вариаций силы тока возбуждения за единицу времени; из чего следует, что для данной вариации любое увеличение продолжительности первичного тока ведет к пропорциональной потере. Для того чтобы получить быстрые изменения силы тока, что существенно для эффективной индукции, применяются волнистые поверхности. Это практически приводит лишь к недостаткам. Например, таким: увеличение стоимости и уменьшение КПД генератора, энергопотери при нагревании сердечников, а также уменьшение мощности трансформатора, так как сердечник используется нерационально, и реверсирование тока слишком быстрое. На определенных фазах индукция слишком мала, что будет видно из представленных графиков, возможны периоды бездействия, если есть интервалы между последовательными импульсами тока и волнами. При сдвиге полюсов в трансформаторе, а следовательно, и индукционных токов, индукция носит идеальный характер, оказывая максимальное воздействие. Разумно было бы также предположить, что сдвиг полюсов приведет к меньшим энергопотерям, чем реверсирование тока.
ОБСУЖДЕНИЕ
М-р Мартин. Полагаю, что профессор Энтони присутствует, и поскольку он уделил некоторое внимание этому предмету, я думаю, он смог бы должным образом дополнить доклад м-ра Теслы некоторыми замечаниями.
М-р Тесла. Еще раз хотелось бы выразить благодарность профессору Энтони за оказанную помощь. Надеюсь, он сможет объяснить многие особенности системы, на которых я не смог остановиться.
Профессор Энтони. Г-н председатель, господа, было уже сказано, что я имею некоторое отношение к этим типам моторов. Я очень рад подтвердить лично то, что м-р Тесла уже представил вашему вниманию относительно работы этих моторов, и признаюсь, когда я впервые увидел, как работают эти моторы, понял, насколько это замечательно. После моего первого визита в мастерские м-ра Теслы некоторые двигатели, видимо, вот эти два, которые находятся сейчас на столе, были представлены мне, чтобы произвести испытания их эффективности и, скорее всего, вас более заинтересует сам процесс, чем всё, что я вам о нем скажу. К сожалению, со мной нет точных цифр, которые мы получили в результате произведенных опытов, но я воспроизведу кое-что по памяти.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 52; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!