Электродвигатель Якоби

После того как в 1821 году Майкл Фарадей продемонстрировал принцип преобразования электрической энергии в механическую с помощью электромагнитного поля, многие изобретатели пытались создать электродвигатель, пригодный для практического использования. Однако большинство из них пытались воспроизвести принцип возвратно-поступательного движения, широко распространённый на тот момент в связи с развитием паровых машин машине.

В начале 1833 года Мориц Герман Якоби переехал в Кёнигсберг (тогда Пруссия, ныне Калининград), где начал эксперименты с П-образными электромагнитами^[2]. В январе 1834 года он сообщил об успехах в письме издателю журнала Annalen der Physik und Chemie Иоганну Поггендорфу, а в мае того же года завершил постройку первого действующего электродвигателя. Сам изобретатель называл своё детище «магнитным аппаратом».

В ноябре 1834 года Якоби направил сообщение^[3][4] о своём изобретении в Парижскую академию наук, а летом 1835 года опубликовал подробный научный мемуар, за который впоследствии получил почётную степень доктора философии Кёнигсбергского университета. В своей работе Якоби не претендовал на звание первого изобретателя электродвигателя и признавал заслуги своих предшественников — Ботто и Даль Негро, однако именно он первым создал практически пригодный двигатель с вращательным движением. Изобретение^[5] стало важным этапом в развитии электротехники и впервые продемонстрировало возможность практического применения электродвигателей для приведения в движение машин и транспортных средств.

В дальнейшем Якоби совершенствовал схему двигателя и запустил первое электрическое судно^[6]. В 1837 году по распоряжению императора Николая I была создана комиссия «Для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу профессора Якоби» под председательством адмирала И. Ф. Крузенштерна. На создание двигателя и его установку на судне было выделено 50 тысяч рублей. Для испытаний была предоставлена 8-метровая шлюпка на 14 мест, изначально рассчитанная на восемь вёсел (ширина 2,3 м). Внутри шлюпки по бортам разместили 320 медно-цинковых гальванических элементов общим весом около 200 кг. Они питали 40 двигателей, которые вращали гребные колёса судна.

Второй усовершенствованный электродвигатель Якоби — Ленца был использован для движения тележки по рельсам, в которой мог находиться человек.

Первый электродвигатель Якоби являлся коллекторным двигателем постоянного тока и состоял из двух частей — подвижной и неподвижной^[2]. На деревянной раме (статоре) и на вращающемся деревянном диске (роторе) были закреплены по восемь П-образных электромагнитов. Обмотки как статора, так и ротора были соединены последовательно, и ток от батареи проходил по ним постоянно, сохраняя неизменную полярность. Для большей эффективности Якоби сделал полюсные наконечники неподвижных магнитов асимметричными. Это создавало неравномерное притяжение, помогая ротору вращаться в нужную сторону,

Двигатель имел следующие параметры:

• Длина полюсных ножек электромагнитов: 7 дюймов (183 мм)
• Диаметр полюсных ножек: 1 дюйм (26 мм)
• Общая длина проволоки обмотки: 320 футов (около 100 м)
• Диаметр проволоки: 2,83 мм
• Изоляция — шеллак

Двигатель работал за счёт взаимодействия магнитных полей:

1. Начало движения: В исходном положении друг напротив друга оказывались одноимённые полюса магнитов статора и ротора. Силы отталкивания между ними давали первый толчок для вращения диска.
2. Смена полярности: Как только ротор поворачивался так, что его магниты оказывались напротив разноимённых полюсов статора, вступал в действие коммутатор. Он мгновенно менял полярность магнитов на роторе.
3. Поддержание вращения: Магниты, которые только что притягивались, после смены полярности снова становились одноимёнными и начинали отталкиваться. Направление сохранялось за счёт инерции ротора.

Важным элементом двигателя Якоби было устройство для автоматического переключения направления тока (коммутатор). Коммутатор состоял из четырёх металлических колец, установленных на валу и изолированных от него. Каждое кольцо имело специальные вырезы, заполненные изолирующим материалом (чёрное дерево). По этим кольцам скользили токосъёмные рычаги («щётки»). В первой версии двигателя для обеспечения непрерывного контакта использовалась второй конец рычага был погружён в ртуть. Когда щётка касалась металлической части кольца, цепь замыкалась; когда попадала на изолирующий участок — размыкалась. Благодаря смещению вырезов на каждом кольце, за один оборот вала направление тока в роторе менялось 8 раз. Это позволяло двигателю работать непрерывно.

Питание двигателя осуществлялось от четырёх гальванических столбов напряжением 4-6 В и силой тока 8-15 А. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, ротор вращался со скоростью 60-130 оборотов в минуту.

В двигателе второго типа, собранном в 1838 электромагниты располагались в одной плоскости. Однако в этом Якоби уже не был оригинален. Годом раньше похожий двигатель запатентовал Томас Девенпорт.

В 1839 году Якоби совместно с академиком Эмилием Христиановичем Ленцем построил два усовершенствованных и более мощных электродвигателя. Эти двигатели имели бо́льшую мощность и были предназначены для практического применения^[7].

Электродвигатель Якоби установил мировой рекорд производительности^[8], который держался четыре года и был превзойдён только самим Якоби в сентябре 1838 года. Лишь в 1839—1840 годах другие разработчики по всему миру смогли построить двигатели сходной, а затем и более высокой мощности.

Якоби первым обосновал преимущества вращательного движения и непригодность возвратно-поступательного для электродвигателя^[2]. Его изобретение положило начало развитию электродвигателей для практического применения.

Оригинальный двигатель Якоби не сохранился, но его копия находится в Московском политехническом музее. Реконструкция двигателя была выполнена доктором Ковальским из Ростокского университета. В 1992 году немецкая энергетическая компания Badenwerk изготовила две дополнительные копии: одна из них была передана в Deutsches Museum в Мюнхене, другая находится в Электротехническом институте института технологий Карлсруэ и является действующей.