Начальный этап развития электротехники 4 страница

Серия 4П включает в себя общепромышленные двигатели с нормальными регулировочными свойствами (габариты – 80–280 мм), широкорегулируемые двигатели 4ПБ закрытого исполнения (габариты – 80-180 мм), широкорегулируемые двигатели 4ПФ специализированного назначения с независимой вентиляцией (габариты – 112-250 мм) и крупные двигатели для тяжелых условий эксплуатации (габариты – 280-450 мм).

В электродвигателях габаритов 80-112 мм завода «Псковэлектромаш» реализована нетрадиционная, унифицированная с асинхронными двигателями конструкция с распределенной обмоткой статора, что позволило освоить механизированную технологию производства обмоток и использовать технологическое оборудование, разработанное для массового выпуска асинхронных двигателей. При этом трудоемкость изготовления снижена в 2–3 раза, достигнута существенная экономия обмоточной меди.

Для приводов главного движения станков и автоматизированного оборудования ВНИИэлектромаш (Ленинград) разработал специальные бескорпусные электродвигатели постоянного тока 4ПФ, оснащенные датчиками скорости, положения, системами температурной защиты и принудительной вентиляции. Электродвигатели выполнены в габаритах 112–250 мм с n-гранной шихтованной станиной, обладают диапазоном регулирования частоты вращения при постоянной мощности не менее чем 1: 4, высокими значениями удельной мощности и хорошими эргономическими показателями.

Крупные электродвигатели серии 4П (габариты – 280–450 мм) по сравнению с аналогичными машинами серии П2 имеют увеличенный в 1, 6 раза вращающий момент, большую в 1, 5–2 раза единичную мощность и выше на 30–50 % максимальную частоту вращения. Для серии проведена максимальная унификация конструкции и уменьшено количество типоисполнений, что привело к повышению уровня механизации производства и к снижению себестоимости изготовления. На базе крупных двигателей серии 4П развивается экскаваторное электромашиностроение, а также выпускаются электрические машины для нефтебуровых установок.

Пионером советского тягового электромашиностроения был завод «Электрик» (Санкт-Петербург), который в начале 1924 г. изготовил десять двигателей мощностью 110 кВт при частоте вращения 660 об/мин для тепловоза с электрической передачей системы профессора Я. М. Гаккеля. В том же году на заводе «Электросила» была выпущена разработанная под руководством А. Е. Алексеева серия ПТ трамвайных двигателей пяти модификаций на мощности от 33 до 54, 5 кВт, напряжением 550 В и частотой вращения 560–600 об/мин. Серия имела высокий КПД и хорошие массогабаритные показатели. В 1928 г. производство тягового оборудования было сосредоточено на специально приспособленном для этого московском заводе «Динамо».

Применительно к разнообразным нуждам тягового хозяйства страны завод разработал ряд серий и типов тяговых электродвигателей: мощностью от 320 до 450 кВт с напряжением на коллекторе 750 и 1500 В – для магистральных электровозов; мощностью от 23, 5 до 250 кВт с напряжением на коллекторе 230, 600, 750 В – для промышленных электровозов; смешанного возбуждения – для рудничных электровозов и трамваев; двигатели различных типов для пригородных железных дорог, метрополитена, троллейбуса, тепловозов. В успешном освоении этих серий несомненная заслуга принадлежит А. Б. Иоффе.

В послевоенные годы центром электровозостроения стал Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ), который осуществил серийный выпуск электровозов, оснащенных тяговыми двигателями своего изготовления.

В 1957 г. вступил в строй электровозостроительный завод в г. Тбилиси (ТЭВЗ). Тяговые двигатели для электропоездов стал выпускать также Рижский электромеханический завод (РЭЗ).

Если для магистральных железных дорог применяются электровозы, то для дорог меньшей протяженности и неэлектрифицированных используются тепловозы. Выпуск электрооборудования для тепловозов был освоен на харьковском заводе «Электротяжмаш». В состав оборудования входили генераторы и тяговые электродвигатели серий ГП и ЭД соответственно. Главными конструкторами здесь были В. Е. Верхогляд и О. Р. Мандрыка.

Принципиально новые тяговые двигатели для городского транспорта были спроектированы на заводе «Динамо» и начали внедряться в производство в 1946–1948 гг. Их конструкция была в значительной степени унифицирована, серия из двух типоразмеров включала двигатели для трамвая, троллейбуса, метрополитена, а также генератор и двигатель для автобуса с электрической трансмиссией. Для новых двигателей трамвая и метрополитена вместо осевой была применена независимая подвеска, при которой полностью подрессоренный тяговый двигатель не испытывает значительных усилий, вызываемых неровностями пути. Независимая подвеска позволила почти в 2 раза увеличить передаточное число редуктора, повысить частоту вращения двигателей и снизить их массу.

Следующим этапом развития тягового электромашиностроения городского транспорта в СССР следует считать модернизацию серии, проведенную в 1974–1977 гг. Для троллейбуса и метрополитена были созданы новые двигатели с восьмигранной формой корпуса в поперечном сечении и петлевой обмоткой на якоре, что позволило резко повысить их мощность и обеспечить эффективное торможение подвижного состава при максимальной скорости движения. Мощность трамвайных двигателей также была повышена, появилась возможность использовать их на подвижном составе с тиристорно-импульсной системой управления, что привело к увеличению частоты вращения на 10–15 % и экономии электроэнергии на 3–5 %. Достигнутые результаты получены благодаря применению новых изоляционных материалов для обмотки якоря, введению вакуумно-нагнетательной пропитки в кремнийорганическом компаунде, а также использованию холоднокатаной изотропной электротехнической стали с изоляционным покрытием, нового материала коллектора и новой марки щеток.

В 1970-е гг. на базе новых технологий и материалов была создана серия совершенно новых тяговых двигателей, предназначенных для встраивания в пневматические колеса большегрузных автосамосвалов грузоподъемностью 75–180 т. Производство этих двигателей и трамвайного двигателя с завода «Динамо» было передано на новый завод «Татэлектромаш» в г. Набережные Челны. Освоение двигателей было проведено под руководством А. Д. Григоровича. На заводе «Динамо» еще с 1930-х гг. выпускались серии краново-

металлургических и экскаваторных электродвигателей постоянного тока.

В 1975 г. была разработана и внедрена в производство новая серия крановометаллургических двигателей, которая по техническим данным и габаритноустановочным размерам соответствует нормам МЭК. Еще до войны производство крупных машин постоянного тока было сосредоточено на заводах «Электросила» и ХЭМЗ и развивалось ускоренными темпами. На заводе «Электросила» в предвоенные годы было изготовлено свыше 200 единиц крупных электрических машин постоянного тока общей мощностью около 350 тыс. кВт. Из числа наиболее крупных поставок следует отметить электродвигатели для привода блюмингов (5150 кВт, 750 В, 50/120 об/мин) и слябингов (3700 кВт, 750 В, 50/100 об/мин; 1850 кВт, 750 В, 100/270 об/мин) и генераторы единичной мощностью 3500 кВт. ХЭМЗ совместно с заводом «Электросила» также освоил новую серию крупных машин постоянного тока мощностью до 7500 кВт с одним якорем.

Разработка серий прокатных реверсивных электродвигателей в диапазоне мощностей от 1850 до 6000 кВт и серии регулируемых электродвигателей в диапазоне от 110 до 4500 кВт с регулированием частоты вращения в пределах 1: 3 была продолжена после войны. Завод «Электросила» произвел пересмотр расчетов и конструкций крупных машин постоянного тока с компенсационными обмотками и добился существенного повышения удельной мощности и экономии черных и цветных металлов. Коллектив работников завода в составе В. Т. Касьянова, А. А. Кашина, Р. А. Лютера, И. Н. Рабиновича и Д. В. Шапиро в 1948 г. получил высокую государственную оценку за создание крупных машин постоянного тока.

Важным этапом на пути повышения технического уровня машин постоянного тока явилась разработка в 1957 г. двухъякорного электродвигателя мощностью 19 600 кВт для привода гребных винтов атомного ледокола «Ленин» с двухходовой обмоткой якорей. Изучению особенностей работы двухходовых обмоток было посвящено много теоретических (В. В. Фетисов, П. М. Ипатов) и экспериментальных (О. Г. Вегнер) работ, в результате которых были предложены рекомендации, позволившие заводу «Электросила» внедрить двухходовые обмотки якоря. Таким образом было преодолено ограничение мощности машины постоянного тока по значению допустимого напряжения между смежными пластинами. В 1958 г. был изготовлен электродвигатель мощностью 8840 кВт, напряжением 900 В, частотой вращения 65/90 об/мин, в 1977 г. – соответственно 12500 кВт, 930 В, 63/90 об/мин, а в 1985 г. – 10 000 кВт, 750 В, 32/63 об/мин. Значительный прогресс был достигнут в создании двухъякорных двигателей мощностью 11000–14000 кВт для электропривода нереверсивных прокатных станов. Характерными для этих машин, имеющих сравнительно высокую частоту вращения, являются показатель предельности, равный произведению мощности на частоту вращения, и коэффициент регулирования магнитного потока. Самый мощный из выпущенных нереверсивных прокатных электродвигателей мощностью 14 200 кВт с частотой вращения 200 об/мин имеет показатель предельности 5, 8·106 кВт·об/мин на один якорь. Необходимо отметить, что за рубежом двигатели для аналогичных прокатных станов изготовлялись трехъякорными даже при меньшей мощности. Дальнейшее повышение показателя предельности было возможно при переходе на трехходовые обмотки якоря. В 1973–1974 гг. были проведены исследования двух опытных машин с трехходовыми петлевыми обмотками, а в 1975–1976 гг. – опытной двухъякорной машины мощностью 25 МВт с частотой вращения 750 об/мин, которые создали основу для изготовления уникального агрегата, состоящего из четырех двухъякорных электродвигателей постоянного тока такого типа с трехходовыми обмотками, соединенными на валу последовательно, что позволило получить мощность 100 МВт при частоте вращения 750 об/мин (рисунок 25).

Гребные винты атомных ледоколов «Сибирь», «Арктика» и «Россия» оснащены электродвигателями мощностью 2× 8800 кВт, напряжением 1000 В и частотой вращения 130/185 об/мин.

Рисунок 25. Электродвигательный агрегат, состоящий из четырех двигателей постоянного тока типа 2МП 25000–750 (25 МВт, 750 об/мин)

Выпускавшийся в 1970-х – начале 1990-х гг. объединением «Электросила» генератор постоянного тока для питания прокатных двигателей мощностью 9500 кВт, напряжением 930 В и частотой вращения 375 об/мин по мощности превосходил все существовавшие типы генераторов постоянного тока как у нас в стране, так и за рубежом. Использование в конструкции генератора новых технических решений обеспечивает равномерное распределение крутящего момента между дисками якоря и гарантированное усилие на главный полюс, способствуя повышению надежности генератора в эксплуатации.

Успехи в производстве крупных машин постоянного тока достигнуты не только объединением «Электросила», но и заводами ХЭМЗ и «Электротяжмаш» (Харьков). На ХЭМЗ под руководством М. Н. Курочкина были разработаны реверсивные двигатели постоянного тока 21–25-го габаритов серии П2 номинальной мощностью до 12500 кВт, а также двигатели постоянного тока 21–25-го габаритов для электроприводов шахтоподъемных машин мощностью 1600–5000 кВт. Помимо обычной конструкции двигателей шахтного подъема с двумя стояковыми подшипниками разработаны и до настоящего времени находятся в эксплуатации двигатели консольного исполнения. При такой конструкции якорь двигателя насаживается на вал барабана шахтного подъемника, что позволяет снизить массу машины в 1, 2–1, 4 раза.

Крупные машины постоянного тока находят широкое применение для приводов шагающих экскаваторов и роторных комплексов. Они устанавливаются в закрытом неотапливаемом кузове экскаватора и могут работать в заданном режиме при наличии вибрации, крена, воздействия инерционных сил и одиночных ударов. Наиболее интересен электродвигатель мощностью 500 кВт, напряжением 440 В и частотой вращения 32 об/мин, предназначенный для безредукторного привода механизма поворота платформы шагающего экскаватора.

2.10.3 Электрические генераторы

Как уже отмечалось, гальванические батареи существенно тормозили практическое применение электродвигателей. Развитие электрических машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какой-либо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем развития другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускоряется требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применений электричества, то последние стимулировали, ускоряли работы по созданию более совершенной конструкции генератора.

В развитии электрического генератора постоянного тока можно выделить четыре этапа. Первый этап (1831–1851) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы в то время назывались «магнитоэлектрическими машинами». Открытие в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе – диске Фарадея. Один из первых шагов в истории генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразгаданной. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг, осталось неизвестным. Вот что писал М. Фарадей в редакцию известного лондонского научного журнала 27 июля 1832 г.: «Вчера, по возвращении в город, я нашел закрытое письмо, оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Но ввиду того, что описывает опыт, при котором впервые удалось получить химическое разложение магнитоэлектрическим током, я посылаю Вам это письмо для опубликования». Письмо было подписано двумя латинскими буквами Р.М. Так и вошел в историю техники «генератор Р.М.». Эта машина представляла собой синхронный многополюсный генератор, т. е. была генератором переменного тока. Письмо Р.М. привлекло к проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публикацию и сам Р.М.; в марте 1833 г. он обратился в редакцию журнала с благодарностью М. Фарадею за публикацию письма и описанием усовершенствований в машине. Главное из них – добавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь сердечников электромагнитов. И снова та же подпись Р.М.

На рисунке 26 представлен усовершенствованный вариант генератора Р.М. Однако переменный ток в то время не мог еще найти себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся

электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Рисунок 26. Генератор Р.М. (1 – деревянный диск, укрепленный на оси 2, приводимый в движение рукояткой 3; 4 – подвижные постоянные магниты; 5 – железные сердечники катушек 7; 6 – стальное кольцо с добавочными обмотками, замыкающее магнитную цепь сердечников; 8 – подставка).

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины М. Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе французских изобретателей братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера. А. М. Ампер отмечал пластинчатый барабанный коммутатор в машине Пиксии с прижимающимися к амальгамированным поверхностям пластин подпружиненными медными или бронзовыми пластинами – щетками. Позднее он стал основой коммутирующих устройств для всех последующих конструкций генераторов постоянного тока. С машиной Пиксии работал Э. Х. Ленц, и именно на этой машине в 1838 г. он демонстрировал принцип обратимости.

Недостатком машин Р.М. и братьев Пиксии явилось то, что в них приходилось вращать более или менее тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать магниты неподвижными, а заставить вращаться более легкие катушки. При этом проще было выполнить и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Первым генератором, получившим практическое применение, был, как уже отмечалось, магнитоэлектрический генератор Б. С. Якоби. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б. С. Якоби построил в 1842 г. генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей» (рисунок 27). При вращении катушек 3 зубчатой передачей 5 в поле постоянных магнитов 1 в них наводилась ЭДС; на валу 2 имелось коммутирующее устройство 4 в виде двух полуцилиндров, представлявшее собой простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов.

Рисунок 27. Магнитоэлектрический генератор Якоби

Рисунок 28. Общий вид генератора «Альянс»: 1 – ряды неподвижных магнитов;

2 – несущие диски; 3 – коллектор; 4 – катушки-якоря; 5–7 – устройство для смещения роликовых токоприемников; 8 – роликовые токоприемники; 9 – центробежный регулятор.

Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генераторов привело к увеличению количества постоянных магнитов. Этот путь отражал уже знакомую из истории развития электродвигателей тенденцию: для увеличения мощности соединять несколько элементарных машин в одну.

Наибольшее распространение в лабораторной практике 40–50-х гг. XIX в. получил магнитоэлектрический генератор немецкого электротехника Э. Штерера (1813–1890) с тремя вращающимися постоянными магнитами (1843). Этот генератор использовался учеными (в том числе Э. Х. Ленцем и Б. С. Якоби) для исследования процессов в магнитоэлектрических машинах.

Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. Еще в 1849 г. профессор физики Брюссельской военной школы Жан Антуан Нолле принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках, избрав уже проторенный путь комбинирования в одном агрегате большого числа машин. Работы Нолле были продолжены другими учеными, и к 1856 г. машина получила свое конструктивное завершение. Для производства таких генераторов в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс» (отсюда произошло и название новой машины). Первая такая машина была установлена на маяке близ г. Гавра.

В генераторе «Альянс» (рисунок 28) на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами магнитов на валу устанавливались диски с большим числом катушек-якорей. В машине было 40 магнитов и 64 стержня (явнополюсных якоря).

Различные варианты машины «Альянс» имели разное количество рядов магнитов (три, пять, семь). На валу генератора укреплен коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики. В машине впервые было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки. Перемещение роликов происходило под действием тяг, идущих от центробежного регулятора, который был связан с валом машины.

В 1857–1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Для привода одной такой машины требовался паровой двигатель мощностью 610 л. с. Масса шестидисковой машины «Альянс» доходила до 4 т. Есть сведения, что машина «Альянс» получила одобрение М. Фарадея.

Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие, меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций магниты быстро размагничивались, в связи с чем ЭДС генератора уменьшалась и его мощность снижалась. Во всех этих машинах применялись стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку.

При работе они быстро нагревались вследствие плохого отвода теплоты, что приводило к разрушению изоляции. Масса и габариты магнитоэлектрических генераторов, несмотря на их небольшую мощность, были весьма значительными, и крупные машины были сравнительно дорогими. Принципиальным недостатком машин с явнополюсными якорями явилось то, что они давали резко пульсирующий ток.

Второй этап в развитии электрического генератора постоянного тока условно можно обозначить периодом с 1851 по 1867 г. Этот этап характеризуется преимущественным конструированием генераторов с независимым возбуждением, т. е. с возбуждением электромагнитов от постороннего, независимого источника. Это способствовало значительному улучшению работы генераторов и уменьшению их относительной массы.

Впервые обоснованное указание на целесообразность замены постоянных магнитов электромагнитами дали в начале 50-х гг. XIX в. немецкий ученый Вильгельм Зинстеден (1803–1891) и датский изобретатель Серено Хиорт (1801–1870), но их идеи и конструкции были настолько необычны и неожиданны, что вначале не привлекли к себе должного внимания.

В качестве характерного примера генератора с электромагнитами, обмотки которых питались токами от независимого источника, может быть указан генератор англичанина Генри Уайльда (1863). Этот генератор (рисунок 29) имел П-образный электромагнит 1, для питания которого был приспособлен отдельный возбудитель – небольшой магнитоэлектрический генератор 2. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Г. Уайльд использовал предложенный в 1856 г. известным немецким электротехником и предпринимателем Вернером Сименсом (1816–1892) якорь с сердечником двутаврового сечения (так называемый двух-Т-образный якорь), который является разновидностью явнополюсного якоря. Этот якорь имел форму вала с продольными выточками, в которые укладывалась обмотка. Машина с двух-

Т-образным якорем обладала меньшим магнитным рассеянием, чем со стержневым, но в то же время этот якорь, как и стержневой, имея многослойную обмотку с плохим теплоотводом, сильно нагревался и тем самым ограничивал мощность установки.

Рисунок 29. Генератор Уайльда

Машина Г. Уайльда подготовила конструкторскую мысль к созданию генераторов с самовозбуждением.

Началом третьего этапа в развитии генераторов постоянного тока условно можно назвать 1867 г., когда почти одновременно в разных странах был установлен принцип самовозбуждения. Мы пишем «условно» потому, что одну какую-то дату назвать невозможно: вокруг этого важнейшего в истории электрических машин изобретения разгорелся большой спор о приоритете. На первенство претендовали очень известные ученые и изобретатели.

Дело обстояло так. В январе 1867 г. В. Сименс представил в Берлинскую академию наук доклад, в котором изложил сущность принципа самовозбуждения. В докладе были такие слова: «Однако того небольшого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного магнита, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении вращения». В. Сименс назвал принцип самовозбуждения «динамоэлектрическим», а самовозбуждающийся генератор стал с тех пор называться динамо-машиной. Впрочем, динамо-машиной постепенно стали называть любой машинный генератор постоянного тока.

Почти одновременно с В. Сименсом с идеей самовозбуждения выступили и даже получили патенты английские изобретатели Чарльз Уитстон, а также братья Кромвель и Сэмюэль Варлей. Но еще задолго до В. Сименса в 1856 г. венгерский физик, профессор Будапештского университета Аньош Йедлик (1800–1895) пришел к выводу о том, что если обмотки возбуждения присоединить к зажимам якоря того же генератора, то при пуске машины развивается процесс самоусиления магнитного поля. Вместе с тем А. Йедлик заметил, что для возникновения этого процесса нет необходимости в установке постоянных магнитов, а вполне достаточно остаточного магнетизма. Так А. Йедлик сформулировал не только принцип самоусиления магнитного поля, но и принцип самовозбуждения генератора. В 1861 г. он уже построил самовозбуждающийся генератор.

Работы А. Йедлика были, по-видимому, несколько преждевременными, и, кроме того, он не располагал необходимыми средствами для промышленного изготовления машин в больших масштабах.

Иное положение было у В. Сименса: являясь главой фирмы, со временем завоевавшей позиции ведущего мирового электротехнического концерна, он открыл широкую дорогу для производства динамо-машин.

Существенным недостатком первых генераторов с самовозбуждением являлась весьма несовершенная конструкция якоря. Так, двух-Т-образный якорь В. Сименса не только ограничивал мощность машин из-за быстрого нагрева, вызывал сильное искрение на коллекторе, но и давал резко пульсирующий ток. Этот ток, в свою очередь, вызывал резкую пульсацию магнитного потока и, следовательно, большие потери в стальных сердечниках. В этом отношении двух-Т-образный якорь ничем не отличался от стрежневого, поскольку и тот и другой были только разновидностями неудачного явнополюсного исполнения якорей машин постоянного тока. Этот недостаток позднее сумел устранить Фридрих Хёфнер-Альтенек.

Событием, революционизировавшим развитие электрической машины и положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря.

Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевыми и барабанными якорями и развитыми магнитными системами составила основное содержание четвертого этапа в развитии электрических генераторов.

Зеноб Теофил Грамм, занимаясь изготовлением электрических машин, стал одним из самых известных французских специалистов в области электромашиностроения и электрического освещения. В июне 1870 г. он получил патент, в котором содержалось описание самовозбуждающегося (в общем случае многополюсного) генератора с кольцевым якорем. На гладкий железный кольцеобразный сердечник наматывалась замкнутая сама на себя обмотка (позднее такую обмотку стали называть «граммовской»). От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам.

Позднее З. Т. Грамм предложил еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, различных по внешнему виду и мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил.

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком КПД и сравнительно малых габаритах и массе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имел массу на 1 кВт примерно в 6 раз меньшую, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что он быстро вытеснил другие типы генераторов и получил очень широкое распространение. В начале 1870-х гг. принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, а машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 1870-х гг. обе линии развития электрических машин (генератора и двигателя) объединились. Машина Грамма представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые последовали в 70–80-х гг. XIX в.

В 80-х гг. XIX в. продолжались исследования процессов в электрических машинах и совершенствование их конструкций. В 1880 г. американский изобретатель Хайрем Максим (1840–1916) вновь (после А. Пачинотти) предложил зубчатый якорь, а также внутренние каналы для вентиляции. Знаменитый американский электротехник Томас Алва Эдисон (1847–1931) в 1880 г. получил патент на шихтованный якорь, в котором пластины изолировались листами тонкой бумаги, позднее замененными лаком. С 1885 г. стали применяться шаблонная и компенсационная обмотки, устанавливаться дополнительные полюса. Огромное значение в совершенствовании проектирования электрических машин сыграли работы Александра Григорьевича Столетова (1839–1896) по исследованию магнитных свойств «мягкого железа», доказавшего связь магнитной восприимчивости железа с напряженностью магнитного поля.

В 1880 г. немецким физиком Эмилем Варбургом (1846–1931) было открыто явление гистерезиса и начались исследования магнитных потерь стали. Английский ученый Джеймс Э. Юинг (1855–1935) пришел к выводу о «гистерезисном цикле» и предложил прибор для вычерчивания кривых намагничивания. Выдающийся американский электротехник Чарльз Протеус Штейнмец (1865–1923) предложил эмпирическую формулу для определения потерь на гистерезис. В 1885 г. английский электротехник Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. Таким образом, к концу 1880-х гг. электрическая машина постоянного тока приобрела современные конструктивные черты.