Грамм машина
Машина Грамма , кольцо Грамма , магнето Грамм или динамо-машина Грамм — это электрический генератор , вырабатывающий постоянный ток , названный в честь своего бельгийского изобретателя Зеноба Грамма и построенный как динамо-машина или магнето . [1] Это был первый генератор, производивший электроэнергию в коммерческих масштабах для промышленности. Вдохновленный машиной, изобретенной Антонио Пачинотти в 1860 году, Грамм разработал новый индуцированный ротор в форме кольца, намотанного проволокой ( кольцо Грамма ), и продемонстрировал этот аппарат Академии наук в Париже в 1871 году. Хотя он был популярен в 19-м веке. В электрических машинах века принцип обмотки Грамма больше не используется, поскольку он приводит к неэффективному использованию проводников. Часть обмотки, расположенная внутри кольца, не отсекает магнитный поток и не способствует преобразованию энергии в машине. Для обмотки требуется вдвое больше витков и вдвое больше коллекторных стержней, чем для эквивалентного якоря с барабанной обмоткой. [2]
Описание
[ редактировать ]
В машине Gramme использовался кольцевой якорь с рядом якоря катушек , намотанных вокруг вращающегося кольца из мягкого железа . Катушки соединены последовательно, а место соединения каждой пары соединено с коллектором, на котором работают две щетки. Постоянные магниты намагничивают кольцо из мягкого железа, создавая магнитное поле , которое вращается вокруг катушек по мере вращения якоря. Это индуцирует напряжение в двух катушках на противоположных сторонах якоря, которое снимается щетками.
Ранее электромагнитные машины пропускали магнит рядом с полюсами одного или двух электромагнитов или вращали катушки, намотанные на якоря двойной Т-образной формы в статическом магнитном поле, создавая короткие всплески или импульсы постоянного тока, что приводило к переходному выходному сигналу низкой средней мощности, а не к постоянная выходная мощность высокой средней мощности.
При наличии более чем нескольких катушек на кольцевом якоре Грамм результирующая форма волны напряжения практически постоянна, что обеспечивает подачу почти постоянного тока . машине этого типа нужны только электромагниты, создающие магнитное поле Чтобы стать современным генератором, .
Изобретение современного электродвигателя
[ редактировать ]Во время демонстрации на промышленной выставке в Вене в 1873 году Грамм случайно обнаружил, что это устройство, если оно снабжено постоянного напряжения источником питания , будет действовать как электродвигатель . Партнер Грамма, Ипполит Фонтен , неосторожно подключил клеммы машины Грамм к другой динамо-машине, производившей электричество, и ее вал начал вращаться. [3] Машина Gramme была первым мощным электродвигателем, который можно было использовать не только как игрушку или лабораторную диковинку. Сегодня некоторые элементы этой конструкции составляют основу почти всех электродвигателей постоянного тока. Использование Граммом нескольких контактов коммутатора с несколькими перекрывающимися катушками, а также его инновация в использовании кольцевого якоря были усовершенствованием более ранних динамо-машин и помогли положить начало разработке крупномасштабных электрических устройств.
Более ранние конструкции электродвигателей были заведомо неэффективны, поскольку имели большие или очень большие воздушные зазоры на протяжении большей части вращения их роторов. Длинные воздушные зазоры создают слабые силы, что приводит к низкому крутящему моменту. Устройство под названием « двигатель Сент-Луиса» (все еще доступное в научных магазинах), хотя и не предназначено для этого, ясно демонстрирует эту огромную неэффективность и серьезно вводит студентов в заблуждение относительно того, как работают настоящие двигатели. Эти ранние неэффективные конструкции, очевидно, были основаны на наблюдении за тем, как магниты притягивают ферромагнитные материалы (такие как железо и сталь) с некоторого расстояния. В XIX веке инженерам-электрикам потребовалось несколько десятилетий, чтобы понять важность небольших воздушных зазоров. Однако кольцо Gramme имеет сравнительно небольшой воздушный зазор, что повышает его эффективность. (На верхней иллюстрации большая деталь, похожая на обруч, представляет собой многослойный постоянный магнит; кольцо Грамма у основания обруча довольно плохо видно.)
Принцип работы
[ редактировать ]
На этом рисунке показано упрощенное однополюсное кольцо Грамма с одной катушкой и график тока, возникающего при вращении кольца на один оборот. Хотя ни одно из реальных устройств не использует именно такую конструкцию, эта диаграмма является основой для лучшего понимания следующих иллюстраций. [5]
Однополюсное кольцо Грамм с двумя катушками. Вторая катушка на противоположной стороне кольца подключена параллельно первой . Поскольку нижняя катушка ориентирована противоположно верхней катушке, но обе погружены в одно и то же магнитное поле, ток образует кольцо на клеммах щетки. [5]
Двухполюсное кольцо Gramme с четырьмя катушками. Катушки A и A' суммируются, как и катушки B и B', создавая два импульса мощности, сдвинутых по фазе на 90° друг с другом. Когда катушки A и A' имеют максимальную мощность, катушки B и B' имеют нулевую мощность. [5]
Трехполюсное кольцо Грамма с шестью катушками и график объединенных трех полюсов, каждый из которых сдвинут по фазе на 120 ° относительно другого и суммируется. [5]
Барабанные обмотки
[ редактировать ]
Хотя кольцо Грамма обеспечивало более стабильную выходную мощность, оно страдало из-за технической неэффективности конструкции из-за того, что магнитные силовые линии проходят через кольцевой якорь. Силовые линии имеют тенденцию концентрироваться внутри и следовать за металлической поверхностью кольца на другую сторону, при этом во внутреннюю часть кольца проникает относительно небольшое количество силовых линий.
Следовательно, внутренние обмотки каждой маленькой катушки минимально эффективны для производства энергии, поскольку они разрезают очень мало силовых линий по сравнению с обмотками на внешней стороне кольца. Внутренние обмотки фактически являются обесточенным проводом и только увеличивают сопротивление цепи, снижая эффективность.
Первоначальные попытки вставить катушку стационарного поля в центр кольца, чтобы помочь линиям проникнуть в центр, оказались слишком сложными для разработки. Кроме того, если бы линии действительно проникали внутрь кольца, любая создаваемая ЭДС противодействовала бы ЭДС снаружи кольца, потому что провод внутри был ориентирован в направлении, противоположном направлению снаружи, повернувшись на 180 градусов, когда он был ранен.
В конце концов было обнаружено, что более эффективно обернуть одну петлю проволоки по внешней стороне кольца и просто не допускать прохождения какой-либо части петли внутрь. Это также снижает сложность конструкции, поскольку одна большая обмотка, охватывающая ширину кольца, может заменить две меньшие обмотки на противоположных сторонах кольца. Во всех современных якорях используется конструкция барабана с внешней обмоткой, хотя обмотки не проходят полностью по диаметру; в геометрическом плане они больше похожи на хорды окружности. Соседние обмотки перекрываются, что можно увидеть практически в любом современном роторе двигателя или генератора, имеющем коммутатор. Кроме того, обмотки помещены в пазы закругленной формы (если смотреть со стороны торца ротора). На поверхности ротора прорези имеют ширину ровно настолько, насколько необходимо, чтобы изолированный провод мог проходить через них при намотке катушек.
Хотя полое кольцо теперь можно заменить сплошным цилиндрическим сердечником или барабаном , кольцо по-прежнему оказывается более эффективной конструкцией, поскольку в сплошном сердечнике силовые линии концентрируются в тонкой области поверхности и минимально проникают в центр. Для очень большой якоря для выработки электроэнергии в несколько футов в диаметре использование якоря с полым кольцом требует гораздо меньше металла и легче, чем якорь барабана со сплошным сердечником. Полый центр кольца также обеспечивает путь для вентиляции и охлаждения в устройствах с высокой мощностью.
В небольших якорях часто используется цельный барабан просто для простоты конструкции, поскольку сердечник можно легко сформировать из стопки штампованных металлических дисков, снабженных шпонками для фиксации в пазе на валу. [13]
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Томпсон, Сильванус П. (1888), Динамо-электрические машины: пособие для студентов-электротехников . Лондон: E. & FN Spon. п. 140.
- ^ Финк, Дональд Г. и Х. Уэйн Бити (2007), Стандартный справочник для инженеров-электриков , пятнадцатое издание. МакГроу Хилл. Раздел 8, стр. 5. ISBN 978-0-07-144146-9 .
- ^ «Ипполит Фонтейн» , Britannica Online . Британская энциклопедия, Inc. Проверено 11 января 2010 г.
- ^ Хокинс, Неемия (1917). Руководство Хокинса по электротехнике номер один, вопросы, ответы и иллюстрации: прогрессивный курс обучения для инженеров, электриков, студентов и тех, кто желает получить практические знания в области электричества и его применения . Нью-Йорк: Тео. Одель и Ко. с. 174, рисунок 182.
- ^ Перейти обратно: а б с д Хокинс 1917 , стр. 174–178.
- ^ Хокинс 1917 , с. 174, рисунок 183.
- ^ Хокинс 1917 , с. 174, рисунок 184.
- ^ Хокинс 1917 , с. 174, рисунок 185.
- ^ Хокинс 1917 , с. 225, рисунок 250.
- ^ Хокинс 1917 , с. 223, рисунок 248.
- ^ Хокинс 1917 , с. 226, рисунок 251.
- ^ Хокинс 1917 , с. 224, рисунок 249.
- ^ Хокинс 1917 , стр. 224–226.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с машиной Gramme, на Викискладе? - Музей электричества: ранние двигатели
