Технически эта идея была осуществлена так. Коммутатор, схема которого показана на рисунке 3, состоял из четырех медных колец 1-4, насажанных на рабочий вал электродвигателя. Кольца попарно соединялись медными трубками ff. на оси вала, закреплялись трубкой g из изолирующего материала и вращались вместе с валом. Каждое из колец, смещенных на 45° по отношению к предыдущему, имело 4 выреза, которые заполнялись вкладками из изолятора h. Поверхность колец была хорошо отполированной и ровной. По этой поверхности при вращении колец скользил контактный рычаг г, представлявший собой своеобразную щетку. Другой конец рычага опускался в чашечку со ртутью k, которая соединялась проводником с батареей. Металлические кольца были соединены с электромагнитами вращающегося диска. При его вращении металлические рычаги, попадая на непроводящие части колец, прерывали цепь, а при соприкосновении с металлом замыкали ее. Когда рычаг переходил с непроводящей части на металл, т. е. в тот момент, когда встречались разноименные полюсы, в обмотках электромагнитов, установленных на подвижном диске и последовательно соединенных, менялось направление тока.
Коммутатор был сконструирован Якоби так, что полярность электромагнитов
изменялась 8 раз за один оборот рабочего вала. Именно поэтому
электромагниты подвижного диска поочередно притягивались и отталкивались
электромагнитами неподвижной рамы и этим самым обеспечивали вращательное
движение рабочего вала или якоря двигателя. «Перемена полюсов писал ученый,
-имеет чрезвычайно большое значение. Перемена эта должна осуществляться
мгновенно и как раз в том месте, где полюсы располагаются один против
другого. Механизм, производящий перемену полюсов, должен приводиться во
вращение самим прибором».
Таковы были устройство и принцип действия коммутатора, созданного Якоби для своего первого электродвигателя. Коммутатор сразу же стали применять в конструкциях электродвигателей. В 1840 г. его использовал в одной из электрических машин Э. X. Ленц. Дальнейшее развитие электротехники полностью подтвердило необходимость наличия в конструкции каждого электродвигателя коммутирующего устройства.
Важной для развития электротехники явилась также впервые выдвинутая Якоби идея применения в электродвигателях только одних электромагнитов. Он первый отказался от использования в них постоянных магнитов, во-первых, потому, что они давали меньшую силу притяжения по сравнению с электромагнитами, и, во-вторых, потому, что они при сотрясениях и ударах размагничивались.
Из изложенного выше видно, что в своем электродвигателе Якоби впервые в
истории электротехники удачно воплотил три новые прогрессивные идеи,
которые в XIX и XX вв. получили дальнейшее развитие: вращательное движение
якоря электродвигателя; наличие коммутатора с трущимися контактами, без
которого невозможно обеспечить вращательное движение якоря, и, наконец,
использование электромагнитов в подвижной и неподвижной частях
электродвигателя или в его якоре и в его статоре.
Отмечая преимущества и выгоды электродвигателя перед паровой машиной,
Якоби писал: «В моем двигателе отсутствуют все управляющие и регулирующие
механизмы, как-то: клапаны, вентили, поршни, полые цилиндры и др., которые
в паровой машине дорого стоят и- быстро изнашиваются при работе. Благодаря
этой простоте стоимость двигателя уменьшается и со временем может быть
доведена до четверти стоимости паровой машины». Далее он отмечал:
«Вследствие отсутствия трущихся частей двигатель почти не подвергается
изнашиванию - в нем вращается в подшипниках только один вал, несущий на
себе систему подвижных магнитов. В лучших паровых машинах изнашивание
выражается по меньшей мере ежегодно в 10% стоимости... Магнитная машина
обладает почти бесшумным действием благодаря тому, что в ней отсутствуют
неизбежные в паровой машине сотрясения и удары, столь вредно действующие, в
особенности в локомотивах». В электродвигателях полностью гарантирована
также «абсолютная безопасность от высоких труб и дыма, которые в паровых
машинах являются существенным недостатком». И наконец, весьма важным
является простота его обслуживания. «Двигатель не требует постоянного
наблюдения за собой, он может быть на целые часы и даже дни предоставлен
самому себе, его действие остается ровным и спокойным».
В то же время свой первый двигатель конструкции 1834 г. Якоби считал далеко
не совершенным. Основным его недостатком была очень слабая мощность. Она
составляла примерно 15 Вт. Такой двигатель не мог быть использован даже для
приведения в движение обычной лодки. Ученый прекрасно понимал, что для
создания практически пригодного двигателя предстояло решить еще немало и
теоретических и экспериментальных вопросов. Он писал, что для того чтобы
его электродвигатель мог получить «практическое применение», необходимо
определить наибольшую величину «магнетизма», которую можно возбудить в
мягком железе, установить, каких размеров должны быть «электромагниты» и
как «должны быть устроены его обмотки». Необходимо было также научиться
определять зависимость .мощности двигателя от силы гальванической батареи,
ее конструкции и размеров. В связи с этим очень важно было найти, какими
параметрами вообще определяется мощность двигателя и как должен быть
произведен этот расчет. Все это было делом совершенно новым и неизученным.
4. Работы над улучшением свойств электродвигателя.
Теперь с созданием специальной комиссии и выделением для проведения опытов необходимых средств решение намеченных вопросов стало вполне реальным делом. Переехав в августе 1837 г. в Петербург, Якоби целиком отдает всю свою энергию, весь свой талант инженера и ученого выполнению возложенной на него огромной и ответственной задачи - созданию пригодного для практики, более мощного и более экономичного электродвигателя.
Для проведения необходимых исследований Якоби прежде всего потребовал
выделения помещения, помощников и приобретения нужного ему оборудования.
Требования ученого были быстро удовлетворены: помещение было выделено;
механическая мастерская была оборудована необходимыми станками и
инструментами; в качестве помощников для работы в мастерской были найдены
достаточно квалифицированные мастер, слесарь и столяр. Необходимыми
приборами была укомплектована и лаборатория.
К концу 1837 г. по заданию комиссии, которая собиралась каждый месяц, Якоби
построил три двигателя: один модели 1834 г., но большего размера, второй по
его «совершеннейшей» конструкции и третий «по описанию подобного аппарата,
сделанного в Америке». Все двигатели испытывались в лаборатории. Их
мощность определялась по работе, совершаемой в точно установленное время
при поднятии груза на определенную высоту. Мощность оказалась недостаточной
для приведения в движение катера. Поэтому по предложению Якоби было решено
строить двигатель больших размеров и главное - значительно большей
мощности, примерно на 368- 760 Вт, с тем чтобы испытать его применимость
для движения катера.
Напряженной работой по созданию такого двигателя ученый был занят с
января по август 1838 г. Было проведено много экспериментов и расчетов, в
результате которых Якоби спроектировал и построил новый вариант более
мощного электродвигателя. При его создании он пошел по пути конструктивного
объединения нескольких двигателей в один агрегат. Это была типичная для
середины XIX в. тенденция в деле создания мощных электродвигателей,
необходимых для потребностей практики. Никаких качественно новых решений
никто из ученых и конструкторов, в том числе и Якоби, придумать тогда не
смог. Он использовал идею, выдвинутую
Т. Девенпортом, располагать неподвижные и вращающиеся электромагниты в
одной плоскости на вертикально установленном валу высотой 1,2 м (рис. 4).
Это увеличивало размеры двигателя в вертикальном направлении, и в то же
время сокращало занимаемую им площадь. Она была равна 0,7 м2, т. е. 0,9 м в
длину и 0,77 м в ширину.
Двигатель представлял собой комбинацию из 40 небольших двигателей, по 20 двигателей на каждом вертикальном валу. Таким образом, оба вертикальных вала 2 с двигателями занимали в катере площадь 1,4 м. Каждый из небольших двигателей по своему устройству был очень простым. Неподвижная его часть состояла из двух электромагнитов 3, которые были изогнуты по дуге окружности. Каждый из них занимал четвертую часть окружности кольца. Между собой эти электромагниты были скреплены скобами 4 из немагнитного материала. Для придания стойкости скобы привинчивались к вертикально расположенной деревянной станине.
Подвижная часть каждого из малых двигателей составлялась из четырех
электромагнитов 1, расположенных крестообразно на специальной втулке. Для.
питания током обмоток электромагнитов на катере было установлено 320
гальванических элементов. Изменение направления тока в обмотках подвижных
электромагнитов осуществлялось с помощью конструктивно измененного
коммутатора 5, Для приведения в движение катера вращение с вертикальных
валов с помощью конических шестерен 6, 7 передавалось на горизонтальную ось
8, на которой по его обоим бортам были укреплены гребные колеса.
[pic]рис.4.Чертеж электродвигателя Б.С. Якоби конструкции 1838 г.
Мощность нового электродвигателя была равна примерно 550-736 Вт. Его
испытания были проведены 13 сентября 1838 г. на Неве. Катер, вмещавший без
«стеснения 12 пассажиров, двигался посредством магнетизма» в течение 7 ч со
скоростью 2 км/ч как по течению на расстояние 7 км, так и против течения на
такое же расстояние. Испытания продолжались несколько дней и на Неве и на
каналах города. Это был первый в мире случай практического применения
электродвигателя для судоходства. Катер работал безотказно. Он превзошел
возлагавшиеся на него надежды. «В противоположность первоначальному плану,
- указывалось в заключении комиссии по которому предположено было
производить опыты на тихой воде, удалось совершить плавание на самой Неве и
даже против течения». Успех был поистине сенсационным.
Тщательный анализ итогов испытаний позволил комиссии дать им высокую
положительную оценку.
5. Недостатки электродвигателя Якоби.
В то же время были установлены и некоторые существенные недостатки.
Было отмечено, что Якоби напрасно применил новую конструкцию коммутатора.
Необходимо было сохранить конструкцию 1834 г. Неудовлетворительной
оказалась и шелковая изоляция проводов. При использовании гальванических-
элементов не был учтен доказанный ранее Якоби и Ленцем вывод, что
количество применяемых в батарее электродов не играет большой роли, важна
их площадь. Значит, можно было вместо 320 гальванических элементов
использовать значительно меньшее их число, например 10 или 20, но с большей
площадью электродов. Оказалось также, что вместо перепонок, разделяющих в
элементах различные кислоты, можно было применить пористые глиняные
перегородки. Это значительно повысило бы качество каждого элемента и всей
батареи.
