После применения этого принципа на практике были созданы два типа моторов. Первый тип характеризуется сравнительно слабым вращательным действием в начале работы, но затем поддерживает постоянную скорость при любой нагрузке. Этот двигатель назван синхронным. Второй тип создает хорошее усилие вначале, но скорость его вращения зависит от нагрузки.
Эти моторы могут приводиться в действие тремя способами: 1. Только от источника переменного тока. 2. От совместного действия переменных и наведенных токов. 3. От совместного действия переменного и постоянного тока.
Простейший синхронный двигатель можно получить, если взять кольцо из тонкого проката, снабженное четырьмя обмотками, служащими полюсами, и соединить таким же способом, как показано [рисунок 9]. Железный диск с удаленными по обеим сторонам секторами может служить якорем. Такой двигатель показан на рисунке 9. Если диску позволить свободно двигаться внутри кольца в непосредственной близости от полюсов, очевидно, что поскольку полюсы перемещаются, он, вследствие своего стремления находиться в точке, где есть наибольшее количество силовых линий, будет точно следовать движению полюсов и его движение будет синхронным движению полюсов якоря генератора, т. е. в определенном положении, показанном на рисунке 9, в котором один оборот якоря производит два импульса тока в каждом контуре. Очевидно, что если при одном обороте производится большее количество импульсов, то и скорость вращения мотора возрастает. Если допустить, что сила притяжения, оказываемая на диск, наиболее велика, когда он ближе всего к полюсам, то понятно, что такой мотор будет работать с одинаковой скоростью при всех нагрузках в пределах своей мощности.
Для облегчения запуска диск можно снабдить обмоткой, замкнутой на себя. Преимущество использования подобной обмотки очевидно. При запуске токи, возбуждаемые в обмотке, сильно электризуют диск и увеличивают силу притяжения, с которой кольцо воздействует на него; и в то время, как токи возбуждаются в обмотке, пока скорость вращения якоря меньше скорости вращения полюсов, двигатель может совершать приличную работу даже до того, как наберет необходимые обороты. Если учесть, что напряженность полюсов постоянна, то никаких токов не будет вырабатываться в обмотке, когда двигатель вращается с нормальной скоростью.
Вместо того чтобы замыкать обмотку на себя, ее выводы можно соединить со скользящими контактными кольцами и с соответствующего источника подать на них постоянный ток. Чтобы запустить такой двигатель, надо сначала замкнуть обмотку на себя, а затем, когда скорость вращения станет нормальной или почти нормальной, подать постоянный ток. Если диск будет сильно намагничен постоянным током, двигатель может не запуститься, а если он будет слабо намагничен, или в целом магнитное воздействие кольца будет преобладающим, то он запустится и наберет нормальные обороты. Такой двигатель вращается с абсолютно одинаковой скоростью при любой нагрузке. Было также замечено, что, если движущая сила генератора не слишком высока, то при проверке мотора, скорость генератора уменьшается синхронно со скоростью вращения мотора. Характерной чертой этого двигателя является то, что направление вращения не меняется в зависимости от перемены полярности источника постоянного тока.
Синхронность этих моторов можно по-разному продемонстрировать экспериментальным путем. Для этой цели лучше всего взять мотор, который состоит из стационарного магнита и якоря, который вращается в поле магнита, как показано на рисунке 13. В данном случае перемещение полюсов якоря заставляет его вращаться в противоположном направлении. В результате, при достижении нормальной скорости вращения, полюсы якоря принимают фиксированное положение относительно поля магнита, и он намагничивается индукционно, причем полярность ярко выражена. Если кусок мягкого железа поднести к магниту, то поначалу он притягивается и вибрирует, причем эта вибрация порождается изменением полярности магнита, но по мере увеличения скорости вращения якоря вибрация всё уменьшается и в конце концов затухает совсем. Тогда сила притяжения железа невелика, но постоянна, что показывает, что синхронность достигнута и магнит питается индукционно.
Диск тоже можно использовать для такого опыта. Если поднести его довольно близко к якорю, он будет поворачиваться до тех пор, пока скорость вращения полюсов превышает скорость вращения якоря; но как только будет достигнута нормальная скорость или около того, он перестает вращаться и постоянно притягивается.
Грубый, но очень показательный пример дает нам лампа накаливания. Если включить ее в цепь с источником постоянного тока последовательно с магнитной катушкой, то можно наблюдать быстрые флуктуации в виде мигания света, которые находятся в соответствии с наведенными токами в катушке, которые существуют поначалу; но с увеличением скорости, мигание становится всё реже и реже и прекращается совсем, указывая на то, что двигатель набрал обороты.
Телефонный аппарат — это наиболее чувствительный прибор; если его соединить в цепь с любым мотором, то синхронизм можно легко обнаружить по затуханию наведенных токов.
В двигателях синхронного типа предпочтительно поддерживать движущееся магнитное поле на постоянном уровне, в особенности, если магниты не разделены должным образом.
Как обеспечить хорошее тяговое усилие, вот, что долго занимало умы. Для того чтобы добиться такого результата, необходимо было создать конструкцию, где полюсы одной части мотора движутся благодаря переменному току источника, а полюсы, возникающие в другой его части, должны всегда находиться в соответствии с ними, независимо от скорости вращения мотора. Такое условие соблюдается в электродвигателях постоянного тока. Но в синхронном двигателе, который мы описываем, это условие соблюдается только при нормальной скорости вращения.
Этой цели удалось достичь, поместив внутрь кольца стальной сердечник с несколькими независимыми обмотками, замкнутыми на себя. Двух обмоток, расположенных под прямым углом друг к другу, как показано на рисунке 14, вполне достаточно, но чем их больше, тем лучше. Из такой конструкции следует, что, когда полюсы кольца движутся, в замкнутых обмотках якоря возникают токи. Эти токи наиболее сильны в точках, где более всего силовых линий поля, и их действие таково, что они создают полюсы на якоре под прямым углом к полюсам кольца, по крайней мере теоретически; и поскольку это происходит независимо от скорости вращения, т. е. что касается расположения полюсов, — окружность кольца постоянно подвергается действию силы притяжения. Во многих отношениях эти моторы похожи на моторы постоянного тока. Если подключить нагрузку, то скорость, а также сопротивление мотора уменьшаются и через электризующие обмотки проходит ток большей силы, что увеличивает мощность. После того, как убрали нагрузку, возрастает противоэлектродвижущая сила, и сила тока в первичных обмотках уменьшается. Без нагрузки скорость вращения равна или примерно равна скорости вращения полюсов магнита.
Позже было обнаружено, что тяговое усилие в таких моторах полностью равно усилию в моторах постоянного тока. Кажется, что усилие достигает наибольшей величины, когда на якоре и на магните отсутствуют выступы; но так как при такой конструкции поле не может достигать высокой концентрации, вероятно, наилучшего результата можно достичь, когда выступами снабжен один из элементов системы. В общем, можно сделать вывод, что выступы уменьшают вращающий момент и улучшают синхронизацию.
Характерной чертой этого типа двигателей является их способность очень быстро менять направление вращения. Это есть следствие особенности в работе мотора. Допустим, что якорь вращается, и направление вращения полюсов меняется. В этом случае наш аппарат представляет собой динамо-машину, причем энергией для движения этой машины служит кинетическая энергия движения якоря, а скорость его вращения — это сумма скоростей якоря и полюсов. Если мы допустим, что количество энергии, необходимое для вращения такой динамо-машины будет пропорционально одной трети скорости, то уже только по этой причине направление вращения якоря можно быстро изменить. Но одновременно с этим вступает в действие другой фактор, а именно: так как направление вращения полюсов по отношению к якорю изменилось, двигатель начинает действовать как трансформатор, в котором сопротивление вторичной обмотки
