Генератор Гольдшмидта

Генератор Гольдшмидта или рефлекторный генератор , изобретенный в 1908 году немецким инженером Рудольфом Гольдшмидтом . ^[1] представлял собой вращающуюся машину , которая генерировала радиочастоты переменный ток и использовалась в качестве радиопередатчика . ^[2] Радиогенераторы, такие как Goldschmidt, были одними из первых непрерывного действия радиопередатчиков . Как и аналогичный генератор переменного тока Александерсона , он некоторое время использовался во время Первой мировой войны на нескольких мощных длинноволновых радиостанциях для передачи трансокеанского радиотелеграфного трафика, пока в 1920-х годах он не стал устаревшим из-за передатчиков на электронных лампах .

Описание

Хотя устройство представляло собой радиопередатчик, оно напоминало электрический генератор , используемый для производства электроэнергии на электростанции. Как и другие генераторы, он состоял из ротора диаметром несколько футов, намотанного катушками проволоки, которые вращались внутри неподвижной рамы, называемой статором , которая имела свои собственные катушки. ^[3] Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создавало в обмотках статора радиочастотные токи, которые подавались на антенну .

Радиочастотный генератор переменного тока отличался от обычного электрического генератора тем, что для выработки переменного тока достаточно высокой частоты для создания радиоволн ( радиочастотного тока) он вращался гораздо быстрее и имел гораздо больше магнитных «полюсов» на роторе и статоре. ^[3] обычно от 300 до 600. Генератор Гольдшмидта приводился в движение мощным электродвигателем постоянного тока, прикрепленным к валу через зубчатую передачу , которая увеличивала скорость двигателя до нескольких тысяч об / мин. Преимущество конструкции Гольдшмидта заключалось в том, что за счет использования внешних «отражательных» конденсаторных батарей, из-за которых выходная частота была кратной ( гармонической ) скорости вращения генератора, это позволяло поддерживать более низкую скорость вращения, упрощая механическую конструкцию. ^[3] Передатчики Гольдшмидта работали на длинноволновых ( НЧ и ОНЧ ) частотах от 20 до 100 кГц.

Машины Гольдшмидта использовались с 1910 по 1930 год в качестве передатчиков на нескольких центральных «сверхмощных» длинноволновых радиостанциях, которые использовались не для радиовещания, а для беспроводной телеграфии , для передачи телеграфных сообщений азбукой Морзе на аналогичные станции в других странах по всему миру. мир. Только передатчики с генераторами переменного тока, такие как Гольдшмидт и Александерсон, могли производить высокую мощность (от 50 до 200 кВт), необходимую для надежной связи на заокеанских расстояниях. Гольдшмидт был менее широко используемой конструкцией, в основном использовавшейся на европейских станциях. Сами станции напоминали электростанцию с большими электродвигателями, вращавшими гудящие генераторы переменного тока, которые через огромные нагрузочные катушки были соединены с огромными проволочными антенными системами, протянувшимися на многие мили и подвешенными на стальных башнях.

История

Радиогенераторы

Примерно в 1900 году стало понятно, что существующая технология генерации радиоволн — передатчик на искровом разряднике — неадекватна, поскольку она генерирует затухающие волны . Были предприняты попытки разработать передатчик, который бы генерировал синусоидальные непрерывные волны , поскольку их можно было принимать на большем расстоянии, а также можно было модулировать для передачи звука (звука) в дополнение к коду Морзе . В 1891 году Фредерик Траутон отметил, что если бы генератор переменного тока ( генератор переменного тока ), вырабатывающий переменный ток , можно было построить так, чтобы он работал достаточно быстро, с достаточным количеством магнитных полюсов на его якоре , он мог бы генерировать переменный ток в радиочастотном диапазоне. Если $P$ количество пар полюсов и $U$ - скорость вращения в оборотах в секунду, частота $f$ ток, вырабатываемый генератором переменного тока, в герцах равен

f=PU\,

Ряд исследователей, начиная с Элиху Томсона и Николы Теслы, пытались создать радиогенераторы, но им не удалось получить частоты выше 15 кГц из-за инженерных проблем, связанных с созданием машины со многими полюсами, которые могли бы вращаться достаточно быстро. ^[4] В 1906 году Реджинальд Фессенден и Эрнст Александерсон из General Electric начали решать проблемы и создавать генераторы переменного тока, которые могли генерировать частоты в радиодиапазоне выше 20 кГц. Однако генератор Александерсона работал на чрезвычайно высоких скоростях; для достижения частоты 100 кГц с 300-полюсным ротором требовалась скорость ротора 20 000 об / мин, что было на пределе инженерных возможностей того времени. ^[4] В 1916 году машины Александерсона достигли высокой мощности, необходимой для трансатлантической связи, и они были чрезвычайно сложными и дорогими.

Машина Гольдшмидта

В 1908 году инженер компании Westinghouse Рудольф Гольдшмидт разработал сложный метод, позволяющий генератору переменного тока генерировать высокую частоту, не требуя чрезмерных скоростей. ^[1] Его метод заключался в использовании резонанса и нелинейной характеристики насыщения железного ротора для использования генератора переменного тока как умножителя частоты , а также генератора. ^[1]^[3]^[5] Присоединив к обмоткам статора и ротора настроенные схемы, называемые «отражательными» цепями, Гольдшмидт обнаружил, что генератор переменного тока может производить выходную мощность с частотой, кратной ( гармонической ) его основной частоте вращения. $PU$ . ^[3] Выходная частота генератора Гольдшмидта составляла

f=NPU\,

где $N$ было небольшим целым числом, номером гармоники. $N$ в большинстве практических машин было ограничено 4, поскольку потери из-за потока рассеяния быстро возрастали с увеличением $N$ . Таким образом, машина Гольдшмидта с частотой 100 кГц $P$ = 300 полюсов потребуют скорости ротора всего $U$ = 5000 об/мин, что в четыре раза меньше, чем у эквивалентной машины Александерсона. КПД 80% мог быть достигнут, но для того, чтобы поддерживать поток рассеяния на достаточно низком уровне, машине требовался очень узкий зазор 0,8 мм между статором и ротором, который мог весить 5 тонн и двигаться с окружной скоростью 200 метров в секунду. ^[3]^[4] Другая проблема заключалась в том, что для уменьшения гистерезисных потерь в железном роторе на радиочастотах его нужно было изготавливать из очень тонких пластин фольги толщиной 0,05 мм (0,002 дюйма), разделенных листами бумаги. ^[3] поэтому ротор был более чем на 1/3 бумагой. Ротор такой конструкции никогда не использовался в большой машине. Предел выходной частоты генераторов переменного тока Гольдшмидта, как и других генераторных технологий, составлял около 200 кГц. Механические проблемы в конечном итоге ограничили использование машин Гольдшмидта.

Использовать

Машина была разработана и произведена немецкой компанией Hochfrequenz-Maschinen Aktiengesellschaft für Drahtlose Telegraphie («Homag») и в основном использовалась в Европе. Машина Гольдшмидта, как и Александерсон и другие генераторные передатчики, использовалась в основном для мощных длинноволновых станций, передавших радиотелеграфные сообщения, как коммерческих станций, обслуживающих частный трафик, так и военно-морских станций, которые поддерживали связь правительств со своими колониями и военно-морскими флотами. Первая машина Гольдшмидта в Великобритании, передатчик мощностью 12 кВт и частотой 60 кГц, была установлена в Стоу в 1912 году. ^[1] Установка мощностью 100 кВт, 400 полюсов (вверху страницы) была введена в эксплуатацию в Эйлвезе, Нойштадт-ам-Рюбенбергер, Германия , а первой машиной в США была аналогичная установка мощностью 120 кВт, 400 полюсов, 40,5 кГц в Такертоне, Нью-Йорк. Джерси. ^[3] Машина Эйлвесе была основным каналом связи Германии с миром во время Первой мировой войны и использовалась кайзером Вильгельмом II и президентом США Вудро Вильсоном для переговоров о перемирии, положившем конец войне.

Расцвет больших радиопередатчиков с генераторами переменного тока пришелся примерно на 1918 год. Первая мировая война продемонстрировала странам стратегическую важность радиосвязи, поскольку без нее они могли быть легко изолированы врагами, перерезавшими подводные телеграфные кабели . Это спровоцировало послевоенный бум строительства крупных трансконтинентальных радиостанций с генераторами переменного тока. Однако эти дорогие гиганты устарели еще в момент установки. Изобретение триодной электронной лампы в 1906 году Ли Де Форестом и схемы генератора с обратной связью в 1912 году Эдвином Армстронгом и Александром Мейсснером сделало возможными меньшие по размеру и более дешевые передатчики на электронных лампах , которые к концу Первой мировой войны могли производить столько же радиомощности. как генераторы. К 1921 году компания Marconi Co. установила передатчики на электронных лампах мощностью 100 кВт для трансатлантического трафика сообщений на своих станциях в Карнарвоне, Уэльс, и Глейс-Бэй, Ньюфаундленд. Из-за огромных капитальных затрат устаревшие передатчики генератора переменного тока использовались до 1930-х годов и использовались во время Второй мировой войны для связи с подводными лодками. Неизвестно, когда была снята с эксплуатации последняя машина Гольдшмидта.

Другие радиогенераторы

Генератор Гольдшмидта был одним из нескольких типов вращающихся «радиочастотных генераторов переменного тока», которые использовались в качестве радиопередатчиков в течение первых двух десятилетий 20-го века. ^[6] ^[3]^[7]^[4] Передатчики генератора переменного тока давали «более чистый» сигнал с меньшим количеством гармоник, чем их главный конкурент, дуговой передатчик Поульсена , поэтому их использовали на радиотелеграфных станциях самой высокой мощности. ^[8] Машины различались тем, как они решали фундаментальную проблему получения достаточно высоких частот, не превышая при этом механические возможности вращающихся машин: ^[9]

Генератор переменного тока Александерсона . Изобретенная Эрнстом Александерсоном из General Electric в 1911 году, эта машина имела ротор, который вращался с достаточно высокой скоростью, чтобы напрямую генерировать радиочастотный сигнал. ^[4] Вероятно, это был наиболее широко используемый тип. Однако необходима высокая скорость вращения, около 20 000 об/мин. ^[4] механическая конструкция была очень сложной, требующей статора с водяным охлаждением и принудительной масляной смазки. На разработку генератора Alexanderson ушло 10 лет, и он был очень дорогим. Он был произведен компанией General Electric и использовался ее дочерней компанией RCA и ВМС США.
Генератор переменного тока Бетено-Латура . Изобретенный Жозефом Бетенодом и Мариусом Латуром из Société Française Radio-électrique, эта машина имела два или три ротора на одном валу. ^[3] Выходной ток первого ротора на основной частоте $f=PU$ подавался на катушки возбуждения второго ротора, создавая ток частотой $2f$ . Выходной сигнал второго ротора подавался на катушки возбуждения третьего ротора, создавая выходной сигнал при $3f$ . Ротор требовал принудительной масляной смазки, а для уменьшения трения пришлось частично вакуумировать корпус. В Сен-Ассисе в Париже использовались машины Bethenod мощностью 25 кВт, 250 кВт, 500 кВт. ^[3]
Генератор переменного тока Джоли-Арко . В этой машине, изобретенной Георгом фон Арко примерно в 1911 году, генератор переменного тока выдавал сигнал на более низкой основной частоте, а частота умножалась от 2 до 4 раз в отдельных магнитных удвоителях частоты . ^[3] изобретен Валлаури ^[10] и Морис Жоли ^[11] в 1911 году, ^[12] нелинейный с железным сердечником , трансформатор намагниченным постоянным током во вспомогательной обмотке, который создавал гармонику основной частоты. ^[4] Это устройство было разработано Telefunken/AEG. ^[3] и были установлены на станциях трансатлантической беспроводной телеграфии в Сейвилле, Лонг-Айленд, США, и Буэнос-Айресе, Аргентина. ^[4]^[13] Одними из самых крупных были два генератора переменного тока мощностью 400 кВт, установленные в 1916 году на передающей станции Науэн , Науэн, Германия, которые генерировали частоту 6 кГц при токе 1200 А с 7-тонным ротором с диаметром 1,65 м и 240 полюсами, вращающимся со скоростью 1500 об/мин, которая была увеличена до 24 кГц с помощью 240-полюсного ротора. два магнитных удвоителя с масляным охлаждением. Науэн был основным каналом связи Германии во время войны, а генераторы переменного тока использовались во время Второй мировой войны для связи с подводными лодками.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Бернс, Рассел В. (2004). Коммуникации: международная история лет становления . Институт инженеров-электриков. п. 365. ИСБН 0863413277 .
^ Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники . Ньюнес. п. 323. ИСБН 0750698667 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Тернер, Л.Б. (1931). Беспроводной . Великобритания: Кембриджский университет. Нажимать. стр. 132–141. ISBN 9781107636187 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Андерсон, Уильям Баллантайн (1919). Физика для студентов технических специальностей . McGraw-Hill Book Co., стр. 770–771 . Александерсон Гольдшмидт Жоли Арко.
^ Майер, Эмиль Э. (март 1914 г.). «Система радиотелеграфии Гольдшмидта» . Учеб. ИРЭ . 2 (1). Нью-Йорк: Институт радиоинженеров: 69–92. дои : 10.1109/JRPROC.1914.216615 . S2CID 51632628 . Проверено 4 октября 2013 г.
^ «Беспроводная телеграфия» . Энциклопедия Нельсона . Том. 12. Томас Нельсон и сыновья. 1907. стр. 611F . Проверено 19 июня 2020 г.
^ Кимберлин, Дональд Э. (13 июня 2000 г.). «РЧ-генераторы – в прямом смысле слова» . Секция радио Юрского периода, Архив радиовещания . Барри Мишкинд . Проверено 17 ноября 2022 г.
^ Карон, Франсуа; Ориэл, Пол; Фишер, редактор, Вольфрам (2011). Инновации в европейской экономике между войнами . Вальтер де Грютер. стр. 45. ИСБН 9783110881417 .
^ Хоган, Джон Л. младший (сентябрь 1917 г.). «Беспроводная работа в военное время. Часть 2» . Научно-популярный ежемесячник . 19 (3): 451–453 . Проверено 17 ноября 2022 г.
^ Валлаури, Г. (19 января 1912 г.). «Статический частотный дубликатор» . Электрик . 68 (1757 г.). Лондон: Джордж Такер: 582–583 . Проверено 12 ноября 2022 г.
^ Жоли, JMA (май 1911 г.). «Статические преобразователи частоты» . Электрический свет . 14 (2-я серия) (20): 195–204 . Проверено 17 ноября 2022 г.
^ Гейгер, Уильям А. (1954). Схемы магнитных усилителей: основные принципы, характеристики и применение . МакГроу-Хилл. стр. 219–222.
^ Деннис, Флорида (1924). «Сверхмощная радиотелеграфная станция Монте-Гранде, ЛПЗ» (PDF) . Телеграфный журнал (на испанском языке). Нет. 137. с. 22 . Проверено 21 января 2024 г.

[Burns-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Бернс, Рассел В. (2004). Коммуникации: международная история лет становления . Институт инженеров-электриков. п. 365. ИСБН 0863413277 .

[Graf-2] Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники . Ньюнес. п. 323. ИСБН 0750698667 .

[Turner-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м Тернер, Л.Б. (1931). Беспроводной . Великобритания: Кембриджский университет. Нажимать. стр. 132–141. ISBN 9781107636187 .

[Anderson-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Андерсон, Уильям Баллантайн (1919). Физика для студентов технических специальностей . McGraw-Hill Book Co., стр. 770–771 . Александерсон Гольдшмидт Жоли Арко.

[Mayer-5] Майер, Эмиль Э. (март 1914 г.). «Система радиотелеграфии Гольдшмидта» . Учеб. ИРЭ . 2 (1). Нью-Йорк: Институт радиоинженеров: 69–92. дои : 10.1109/JRPROC.1914.216615 . S2CID 51632628 . Проверено 4 октября 2013 г.

[6] «Беспроводная телеграфия» . Энциклопедия Нельсона . Том. 12. Томас Нельсон и сыновья. 1907. стр. 611F . Проверено 19 июня 2020 г.

[Kimberlin-7] Кимберлин, Дональд Э. (13 июня 2000 г.). «РЧ-генераторы – в прямом смысле слова» . Секция радио Юрского периода, Архив радиовещания . Барри Мишкинд . Проверено 17 ноября 2022 г.

[Caron-8] Карон, Франсуа; Ориэл, Пол; Фишер, редактор, Вольфрам (2011). Инновации в европейской экономике между войнами . Вальтер де Грютер. стр. 45. ИСБН 9783110881417 .

[Hogan-9] Хоган, Джон Л. младший (сентябрь 1917 г.). «Беспроводная работа в военное время. Часть 2» . Научно-популярный ежемесячник . 19 (3): 451–453 . Проверено 17 ноября 2022 г.

[10] Валлаури, Г. (19 января 1912 г.). «Статический частотный дубликатор» . Электрик . 68 (1757 г.). Лондон: Джордж Такер: 582–583 . Проверено 12 ноября 2022 г.

[Joly-11] Жоли, JMA (май 1911 г.). «Статические преобразователи частоты» . Электрический свет . 14 (2-я серия) (20): 195–204 . Проверено 17 ноября 2022 г.

[Geyger-12] Гейгер, Уильям А. (1954). Схемы магнитных усилителей: основные принципы, характеристики и применение . МакГроу-Хилл. стр. 219–222.

[Dennis-13] Деннис, Флорида (1924). «Сверхмощная радиотелеграфная станция Монте-Гранде, ЛПЗ» (PDF) . Телеграфный журнал (на испанском языке). Нет. 137. с. 22 . Проверено 21 января 2024 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]