При сегодняшней разнородности мнений касательно относительных достоинств систем переменного и постоянного тока огромное значение придается вопросу, могут ли переменные токи успешно применяться в работе моторов. Трансформаторы, со всеми их преимуществами, дали нам сравнительно совершенную систему распределения. И хотя, как во всех областях техники, желательны еще многие усовершенствования, в этом направлении осталось сделать сравнительно немного. Передача энергии, напротив, практически полностью ограничена использованием постоянных токов, и несмотря на то, что для использования переменных токов было предпринято множество усилий, они, по крайней мере насколько известно, не дали желаемого результата. Из разнообразных моторов, приспособленных для работы в цепях переменного тока, отмечались следующие: 1. Последовательный мотор с разделенным полем. 2. Генератор переменного тока, поле которого возбуждается постоянными токами. 3. Мотор Элиу Томпсона. 4. Мото р с комбинированным переменным и постоянным током. И еще два мотора этого вида пришли мне в голову. 1. Мотор, одна из цепей которого подключается последовательно с генератором, а другая — во вторичную цепь трансформатора. 2. Мотор, у которого цепь якоря подключена к генератору, и обмотки возбуждения замкнуты на себя. Эти я. впрочем, упоминаю лишь мимоходом.
Предмет, который я сейчас имею удовольствие представить вашему вниманию, — это новая система распределения и передачи электрической энергии посредством переменных токов, дающая особые преимущества, особенно в плане моторов, которая, я уверен, сразу же даст превосходную применимость этих токов для передачи энергии и покажет, что многие результаты, до сих пор недосягаемые, с их применением достигаются; результаты, которые столь желательны в практической работе подобных, систем, и которые недостижимы при посредстве постоянных токов.
Прежде чем вдаваться в детали описания этой системы, я думаю, необходимо сделать несколько замечаний относительно определенных условий, присутствующих в генераторах и моторах постоянного тока, которыми, хотя они и хорошо известны, часто пренебрегают.
В наших динамо машинах, как известно, мы генерируем переменные токи, которые выпрямляем посредством коммутатора, этого довольно сложного устройства, и, можно так сказать, источника большинства проблем, возникающих в работе этих машин. Далее, токи, выпрямленные таким образом, не могут использоваться в моторе, но они должны — и опять посредством подобного ненадежного устройства, — быть вновь преобразованы в свое первоначальное состояние — переменный ток. Функция коммутатора чисто внешняя, и пи в коей мере не влияет на внутреннюю работу машин. Следовательно, на самом деле, все машины — это машины переменного тока, так как токи предстают в виде постоянных только во внешней цепи во время их передачи от генератора к мотору. И только ввиду этого факта переменные токи должны были привлечь к себе внимание как более непосредственное применение электрической энергии, и применение постоянный токов становилось бы оправданным, только если бы были динамо, которые сразу первоначально генерируют их, и моторы, которые бы приводились в действие непосредственно такими токами.
Рис. 1. Рис. 1а.
Но работа коммутатора в моторе двойная; во-первых, он обращает токи, идущие через мотор, и во-вторых, он выполняет, автоматически, прогрессивный сдвиг полюсов одной из его магнитных составляющих. Далее, допуская, что обе этих бессмысленных операции, то есть выпрямление переменных токов в генераторе и реверсирование постоянных токов в моторе, исключаются, все равно было бы нужно, для того, чтобы вызвать вращение мотора, получать прогрессивное смещение полюсов одного из его элементов, и сам собой встает вопрос — Как выполнить эту операцию непосредственно с помощью воздействия переменного тока? Теперь я перейду к объяснению того, как это выполняется.
Рис. 2. Рис. 2а.
В первом эксперименте барабанный якорь имел две обмотки под прямыми углами друг к другу, и концы этих обмоток подключались к двум парам изолированных контактных колец, как это делается обычно. Кольцо было сделано из тонких изолированных пластин листового железа и обмотано четырьмя обмотками, каждые две противоположные из которых соединялись друг с другом так, чтобы давать свободные полюса на диаметрально противоположных сторонах кольца. Остальные свободные контакты обмоток подключались к контактному кольцу якоря генератора, так что образовывалось две независимые цепи, как показано на рисунке 9. Теперь можно видеть, какие результаты достигались подобной комбинацией, и я буду ссылаться в этом отношении на схемы на рисунках с 1 до 8а. Когда поле генератора возбуждается независимо, вращение якоря устанавливает в обмотках СС токи, меняющиеся по силе и направлению хорошо известным образом. В положении, показанном на рисунке 1, ток в обмотке С нулевой, тогда как через обмотку С 1 проходит ее максимальный ток, и наши соединения устроены так, что кольцо намагничивается обмотками С 1 С 1, как показано буквами N S на рисунке 1а, а намагничивающий эффект обмоток с с нулевой, потому что эти обмотки включены в цепь обмотки С.
На рисунке 2 обмотки якоря показаны в следующем положении, когда уже совершена одна восьмая одного оборота. Рисунок 2а иллюстрирует соответствующие магнитные состояния кольца. В данный момент обмотка С 1 генерирует ток того же направления, что и перед этим, но слабее, создавая в кольце полюса N1 S 1; обмотка с также генерирует ток того же направления, и соединения таковы, что обмотки с с создают полюса N S, как показано на рисунке 2а. Результирующая полярность указана буквами N S, и можно наблюдать, что полюса кольца сдвинулись на одну восьмую его периметра.
На рисунке 3 якорь прошел одну четвертую оборота. На этой фазе ток и обмотке С максимален, и его направление таково, что дает полюса N S, как на рисунке За, при этом ток в обмотке С1 пулевой, эта обмотка находится в своем нейтральном положении. Полюса N S па рисунке За, таким образом, сдвинуты на одну четвертую окружности кольца.
Рисунок 4 показывает обмотки С С еще более продвинутом положении, когда якорь прошел три восьмых оборота. В этот момент обмотка С пока что генерирует ток того же направления, что и раньше, но меньшей силы, создавая сравнительно более слабые полюса n s на рисунке 4а. Ток в обмотке С 1 той же силы, но противоположного направления. В результате, он создает на кольце полюса N j Sj, как показано, и полярность N S, в итоге, при этом полюса сдвигаются на три восьмых периметра кольца.
На рисунке 5 пройдена половина оборота якоря, и возникающее в результате магнитное ноле показано на рисунка 5а. Теперь ток в обмотке С нулевой, а по обмотке С/ течет ее максимальный ток, имеющий то же направление, что и перед этим; намагничивающий эффект, таким образом, обуславливается только обмоткой С/ с j, и следуя рисунку 5а, можно увидеть, что полюса N S сдвинулись на одну вторую окружности кольца. В ходе следующего полуоборота действия повторяются, как показано на рисунках с 6 по 8а.
Если посмотреть на схемы, становится ясно, что в ходе одного оборота якоря полюса кольца сдвигаются один ра з по его окружности, а каждый оборот вызывая те же эффекты, в результате быстрое вращение полюсов согласуется с вращением якоря. Если соединения любой из обмоток на кольце поменять на обратные, сдвиг полюсов будет происходить в обратном направлении, но действие будет точно тем же самым. Вместо того, чтобы использовать четыре провода, с тем же эффектом можно использовать три провода, из которых один является общим обратным проводом для обеих цепей.
Это вращение или верчение полюсов проявляет себя в целой серии любопытных явлений. Если аккуратно укрепленный на оси диск из стали или другого магнитного металла приблизить к кольцу, он приходит в быстрое вращение, при этом направление вращения меняется от положения диска. Например, если в снаружи кольца он будет вращаться в одну сторону, то внутри кольца направление вращения сменится на обратное, но при этом направление не будет меняться, если его поместить в положение, симметричное кольцу. Это объясняется просто. Каждый раз, когда полюс приближается, он индуцирует противоположный полюс в ближайшей точке диска, и в этой точке образуется притягивание; благодаря этому, по мере того, как полюс двигается, удаляясь от диска, на него действует тангенциальное тянущее усилие, и когда это действие повторяется постоянно, в результате возникает более или менее быстрое вращение диска. Поскольку тянущее усилие действует главным образом на ту часть, которая ближе всего к кольцу, вращение снаружи и внутри, или справа и слева, соответственно, происходит в противоположных направлениях, рисунок 9. При расположении симметрично кольцу, усилия на противоположных сторонах диска одинаковы, и вращения нет. Воздействие основано на магнитной инерции железа; по этой причине на диск из твердой стали воздействие гораздо более сильное, чем на диск из мягкого железа, так как последнее способно к очень быстрым изменениям магнетизма. Такой диск оказался очень полезным инструментом во всех этих исследованиях, поскольку он позволил мне обнаруживать любую нерегулярность работы.
