Текст книги "Лекции"

Автор книги: Никола Тесла

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 25 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

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.

Этот маленький моторчик, который вы видите, дал примерно половину лошадиной силы и КПД его оказался примерно чуть выше 50 %, что я лично счел высоким показателем для таких размеров, поскольку мы обычно не ожидаем такого же КПД, как от больших. Это, как я полагаю, и есть «armature»,[5]5
  Armature [англ. броня, панцирь] – в электротехнике якорь.


[Закрыть] который так назвал м-р Тесла за высокий вращающий момент. Этот маленький шкив, около трех дюймов в диаметре, выдал тягу примерно в пятьдесят фунтов, насколько я помню его в работе, так что вы видите, усилие довольно значительное, и это также видно из той скорости, с которой якорь меняет направление вращения при перемене соотношения двух токов, которые протекают через две оппозитные катушки. Это можно сделать, переместив провода или просто перебросив переключатель на одном из контуров, и якорь остановится и начнет обратное вращение настолько быстро, что почти невозможно разобрать, когда направление изменилось. Это также демонстрирует значительный крутящий момент якоря. Этот мотор (я говорю сейчас о втором) дал нам, я думаю, примерно ¹/₄ л.с. и КПД немного выше 60 %. Он работает с таким якорем, как здесь, почти со скоростью генератора даже с большой нагрузкой. Когда нагрузку увеличили до максимума, КПД стал немного уменьшаться, скорость вращения замедлилась. Как я теперь припоминаю, она понизилась до 2 800, и держалась, как вы сами видите, довольно близко к показателю скорости генератора под большой нагрузкой.

Я немного могу добавить к тому, о чем м-р Тесла уже рассказал. Я нисколько не сомневаюсь, что все вы проявите не меньший интерес к их работе, чем проявил в свое время я. Так мы действительно лучше всего увидим, что могут делать моторы.

М-р Тесла. Г-н председатель, джентльмены, профессор Энтони сейчас указал, что скорость вращения несколько упала при увеличении нагрузки. Это произошло оттого, что якорь такой конструкции должен давать большое усилие с момента запуска. Но если мы сделаем якорь, предназначенный только для синхронной работы, скорость вращения останется такой же, несмотря на нагрузку; единственным недостатком будет то, что вначале крутящий момент настолько слаб, что он может не запуститься. Если мы применим якорь, состоящий из отрезного куска стали с обмоткой, он будет сохранять скорость вращения при любой нагрузке. Важность поддержания напряженности магнитного поля полюса на постоянном уровне заключается в том, что если ее добиться, мы сможем использовать вместо составного якоря обычный стальной брусок. Нужно только иметь замкнутое магнитное поле. Вы и сами можете убедиться: если полюсы зафиксированы, то нет необходимости делить якорь в том случае, если величина силы постоянна. Но если величина магнитного поля колеблется, то якорь необходимо делить, к такому выводу я пришел экспериментальным путем. Я также выяснил, что в тех опытах, которые проводил профессор Энтони, результаты были превосходными. Я отношу такие результаты к тому, что динамо-машина вырабатывала сильное поле, якорь был маленьким, а поле очень концентрированным, и именно поэтому результаты были близки к теоретическим.

Профессор Томсон. Я был очень заинтересован описанием этого небольшого, но восхитительного мотора, приведенного в действие м-ром Теслой. Насколько вам должно быть известно, я работал примерно в том же направлении, пытаясь достичь того же результата. Опыты, которые я производил, заключались в использовании одноконтурной схемы – не двухконтурной, которая работает в моторе, использующем принцип переменности для производства вращения. Со времени последнего ежегодного заседания института я занимался разработкой и совершенствованием, насколько позволяло время, якоря с замкнутой обмоткой, если мне будет позволено так его назвать, работающего в переменном поле. То есть, план, которому я следовал и который я представил на рассмотрение института в прошлом году, подразумевал создание листового магнита, в поле которого помещается якорь, также составной, имеющий вокруг себя обмотку, которая периодически коротко замыкается в течение одного оборота при помощи соответствующего замыкателя. Я изготовил несколько таких моторов различной конструкции, и все они одновременно запускаются из состояния покоя и развивают определенную мощность, а некоторые из них проявляют при скоростях, близких к скорости колебаний динамо-машины, тенденцию к синхронизации. В этой точке их вращательное усилие немного сильнее указанного. Думаю, что в некоторых случаях оно гораздо сильнее. Я надеюсь в скором времени представить некоторые результаты моей работы вниманию института. И поэтому воздержусь от дальнейших комментариев по поводу представленных нашему вниманию двигателей. Несомненно, есть перспектива для развития электромоторов переменного тока, и вне всяких сомнений возможно создание моторов, которые будут превосходить по показателям электромоторы постоянного тока.

М-р Тесла. Господа, я должен сказать, что выступление такого человека, как профессор Томсон, который является лидером в нашей профессии, очень мне льстит. Могу сказать, что я работал параллельно с ним в одной и той же области, не зная о том, что он меня предвосхитил. Я создал двигатель, идентичный тому, который создал он, но он сделал это раньше. Я уверен, хотя мотор именно такой конструкции имеет тот недостаток, что пара щеток вынуждена коротко замыкать обмотку якоря, он может иметь практическое применение по той простой причине, что представляет собой такой трансформатор, который, как все мы знаем, можно довести до высокого КПД. С другой стороны, якорь можно изготовить из сравнительно хорошего проводника и тогда снимается вопрос о создании короткозамкну-той обмотки. А это действие всегда приводит к максимальному эффекту и оно, несомненно, более предпочтительно, чем перемещение полюсов посредством коллектора.

ТЕСЛА ОТВЕЧАЕТ Д-РУ ЛУИСУ ДУНКАНУ И ОБЪЯСНЯЕТ ДЕЙСТВИЕ МОТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Редактору «Electrical Review»

В номере вашего издания за прошлую неделю я обнаружил заметку м-ра Дункана касательно моих электродвигателей переменного тока.

Насколько я понимаю, д-р Дункан пока не имел возможности ознакомиться по-настоящему с моими изобретениями, и я не могу рассматривать его статью как критическую, но я бы хотел выразить уважение к его мнению и потому кратко остановлюсь на основных характеристиках моего изобретения в той мере, в коей они затронуты в вышеупомянутой статье.

Принцип действия моего мотора легко будет понять из нижеследующего.

При пропускании определенным образом переменного тока через независимые цепи мотора создается непрерывное смещение или вращение полюсов. Это смещение более или менее постоянно в соответствии с конструкцией мотора, его характеристиками и относительной фазой приложенного тока, и я показал теоретические условия, которые должны существовать для обеспечения наиболее совершенной работы.

Если на кольце из листового железа намотать четыре обмотки и выполнить аналогичное соединение цепей генератора переменного тока, приспособленного для этой цели, прохождение тока через обмотки теоретически вызовет вращение полюсов кольца, практически же в серии экспериментов я продемонстрировал полную аналогию между таким кольцом и вращающимся магнитом. Исходя из этого принципа, мы имеем два вида моторов с совершенно различными характеристиками: один предназначен для постоянной, другой для переменной нагрузки.

Недопонимание д-ра Дункана я отношу к тому, что характерные особенности того и другого типа моторов еще не описали. С графическим изображением второго типа можно познакомиться в журнале «Electrical Review» от 12 мая (рисунок 1, с. 1). Здесь якорь мотора имеет две обмотки, расположенные под прямым углом друг к другу. Возможно, требуется, в соответствии с общепринятым мнением, симметричное расположение полюсов. Я полагаю рациональным якорь, имеющий несколько диаметрально противоположно намотанных обмоток или проводников, замкнутых на себя, и образующих столько же независимых контуров. Теперь предположим, что кольцо постоянно подвергается воздействию магнитных полей таким образом, что выявляет два полюса (N и S), диаметрально противоположных, и их вращают вручную. Когда якорь неподвижен, вращение кольцевого магнита возбуждает токи в замкнутых обмотках якоря. Эти токи имеют наибольшую силу в точках с максимальной напряженностью, и они образуют полюсы на сердечнике якоря под прямым углом к полюсам кольца. Конечно, имеются и другие сопутствующие факторы, искажающие это явление, но для целей настоящего исследования ими можно пренебречь. Что касается положения полюсов на сердечнике якоря, токи, генерируемые в обмотках якоря, действуют таким же образом и будут создавать полюсы якоря в том же положении по отношению к полюсам кольца в любом положении и независимо от скорости. В результате притяжения между якорем и кольцом возникает постоянное вращающееся усилие, такое же, как в моторах постоянного тока с большим числом якорных обмоток. Если якорю позволить вращаться, он будет вращаться в направлении вращения магнитного поля кольца; индуцируемый ток уменьшается по мере увеличения скорости до тех пор, пока якорь не достигнет скорости, близкой к скорости вращения магнитного поля, такой, чтобы ток, протекающий через обмотки, был достаточен для поддержания вращения. Если вместо этого статор будет вращаться вручную и полюсы будут сдвигаться таким образом, то переменные токи в обоих контурах будут возникать таким же образом.

Теперь сравним эту систему с системой постоянного тока. В последней мы имеем переменные токи, возбуждаемые в генераторе и в обмотках мотора, а также есть устройства, которые преобразуют ток; эти устройства, кроме всего прочего, сдвигают полюсы на роторе, и здесь мы имеем те же элементы и идентичную работу, но без коммутирующих устройств. С учетом сказанного ясно, что эти устройства не являются необходимыми для работы; так системы переменного тока, как минимум во многих отношениях, покажут полное подобие системам постоянного тока, и моторы будут работать точно так же, как моторы постоянного тока. Если нагрузка увеличивается, то скорость уменьшается и вращающий момент соответственно увеличивается, так как через катушки протекает больший ток; при отключении нагрузки скорость увеличивается и ток, а соответственно и сила уменьшаются. Конечно, вращательное усилие наибольшее, когда якорь в покое.

Но поскольку аналогия полная, что мы скажем о максимальном КПД и силе тока, который проходит через мотор без нагрузки? Давайте вспомним о том, что мы говорим о переменном токе. В данном случае мотор представляет собой трансформатор, в котором токи возникают путем индуцированного воздействия, а не реверсированием; как и ожидается, КПД достигает максимальных значений при максимальной нагрузке. Что касается тока, по крайней мере в соответствующих условиях, он может варьироваться в широких пределах, как в трансформаторах и при соблюдении соответствующих правил он может быть уменьшен до желаемой величины. Более того, ток, потребляемый мотором без нагрузки, не является мерой потребляемой энергии, поскольку приборы показывают лишь арифметическую сумму прямой и индуцированной электродвижущей силы и тока вместо отображения их разности.

Что же касается другого типа этих моторов, описанных д-ром Дунканом, следует отметить, что они конструктивно не предназначены для работы без нагрузки или должны работать с очень малой нагрузкой; и в этом плане представляют собой приборы, похожие на трансформаторы. Кроме того, обе вышеописанные характеристики, вращательный момент и тенденция к постоянной скорости могут соблюдаться в моторе, и каждый раз предпочтение может отдаваться каждому из указанных моментов в зависимости от требований практики.

В заключение скажу, при всём уважении к д-ру Дункану, что все преимущества, описанные выше, не являются теоретическим положением, а есть результаты опытов, проводившихся в течение большого промежутка времени и вдохновлены единственно желанием экспериментировать.

Тем не менее хоть и мой мотор есть плод долгого труда и тщательных исследований, я бы не хотел присваивать себе никаких заслуг вне заявленного; людям, более умудренным, я оставляю право устанавливать законы и принципы, и правила их применения на практике. К чему приведут мои исследования, покажет будущее; но к каким бы принципиальным открытиям мы ни пришли, я всегда, хоть и в самой маленькой степени, буду удовлетворен тем вкладом в науку, который я сделал.