Магнето

Магнето — это электрический генератор , который использует постоянные магниты для создания периодических импульсов переменного тока . В отличие от динамо-машины , магнето не содержит коммутатора для выработки постоянного тока . Его классифицируют как разновидность генератора переменного тока , хотя его обычно считают отличным от большинства других генераторов переменного тока, в которых используются катушки возбуждения, а не постоянные магниты.

Магнитогенераторы с ручным заводом использовались для обеспечения вызывного тока в телефонных системах. Магнето были также приспособлены для создания импульсов высокого напряжения в системах зажигания некоторых бензиновых двигателей внутреннего сгорания для подачи питания на свечи зажигания . ^{[ 1 ]} Использование таких магнето зажигания для зажигания теперь ограничено в основном двигателями без низковольтной электрической системы, такими как газонокосилки и бензопилы , а также авиационными двигателями , в которых сохранение зажигания независимо от остальной электрической системы гарантирует, что двигатель продолжает работать. работать в случае отказа генератора или аккумулятора. В целях резервирования практически все самолеты с поршневыми двигателями оснащены двумя магнетосистемами, каждая из которых подает питание на одну из двух свечей зажигания в каждом цилиндре.

Магнето использовались в специализированных изолированных энергосистемах, таких как системы дуговых ламп или маяки , для которых их простота была преимуществом. Они никогда широко не применялись для целей массового производства электроэнергии , для тех же целей или в той же степени, что и динамо-машины или генераторы переменного тока. Лишь в нескольких специализированных случаях они использовались для выработки электроэнергии.

История

Производство электрического тока из движущегося магнитного поля было продемонстрировано Фарадеем в 1831 году. Первые машины, производившие электрический ток за счет магнетизма, использовали постоянные магниты; динамо - машина, в которой для создания магнитного поля использовался электромагнит, была разработана позже. Машина, построенная Ипполитом Пикси в 1832 году, использовала вращающийся постоянный магнит для создания переменного напряжения в двух неподвижных катушках. ^{[ 2 ]}

Гальваника

Первой электрической машиной, использованной в промышленном процессе, был магнето, электрический генератор Вулрича . ^{[ 3 ]} В 1842 году Джон Стивен Вулрич получил патент Великобритании № 9431 на использование электрического генератора в гальванике , а не батарей. Машина была построена в 1844 году и получила лицензию на использование от Elkington Works в Бирмингеме . ^{[ 4 ]} Такое гальванопокрытие распространилось и стало важным аспектом игрушечной промышленности Бирмингема , производства пуговиц, пряжек и подобных мелких металлических предметов.

Уцелевшая машина имеет приложенное поле из четырех подковообразных магнитов с осевыми полями. Ротор имеет десять осевых катушек. Для гальваники требуется постоянный ток, поэтому обычное магнето переменного тока непригодно. Машина Вулрича, что необычно, имеет коммутатор для преобразования ее выходного сигнала в постоянный ток.

Дуговое освещение

Большинство ранних динамо-машин были биполярными. ^{[ примечание 1 ]} и поэтому их выходная мощность циклически менялась по мере вращения якоря мимо двух полюсов.

Чтобы достичь адекватной выходной мощности, в магнитогенераторах использовалось гораздо больше полюсов; обычно шестнадцать, из восьми подковообразных магнитов, расположенных кольцом. Поскольку доступный поток был ограничен магнитной металлургией, единственным вариантом было увеличить поле за счет использования большего количества магнитов. Поскольку мощности было недостаточно, дополнительные диски несущего винта были расположены в осевом направлении вдоль оси. Это имело то преимущество, что каждый диск ротора мог, по крайней мере, разделять поток двух дорогих магнитов. Показанная здесь машина использует восемь дисков и девять рядов магнитов: всего 72 магнита.

Впервые использованные роторы были намотаны в виде шестнадцати осевых катушек, по одной на полюс. По сравнению с биполярной динамо-машиной у нее было преимущество: больше полюсов, обеспечивающих более плавный выход за оборот. ^{[ примечание 2 ]} что было преимуществом при управлении дуговыми лампами. Таким образом, Magnetos заняли для себя небольшую нишу в качестве генераторов освещения.

Бельгийский инженер-электрик Флорис Нолле (1794–1853) стал особенно известен благодаря генераторам дугового освещения этого типа и основал британско-французскую компанию Société de l'Alliance для их производства.

Французский инженер Огюст де Меритенс (1834–1898) разработал для этой цели магнето. ^{[ 5 ]} Его нововведение заключалось в замене катушек ротора, ранее намотанных на отдельные бобины, якорем с кольцевой обмоткой. ^{[ 6 ]} Эти обмотки были помещены на сегментированный железный сердечник, похожий на кольцо Грамма , так, чтобы образовать единый непрерывный обруч. Это давало более равномерный выходной ток, что было еще более выгодно для дуговых ламп. ^{[ 7 ]}

Маяки

Сегодня Де Меритенса больше всего помнят за его производство магнето-генераторов специально для маяков. Их предпочитали за их простоту и надежность, в частности за отсутствие коммутаторов. ^{[ 7 ]} В морском воздухе маяка коллектор, который раньше использовался с динамо-генераторами, был постоянным источником неприятностей. Смотрители маяков того времени, обычно моряки-пенсионеры, не были достаточно квалифицированы в механике или электрике, чтобы обслуживать эти более сложные машины.

На иллюстрации магнето-генератора de Méritens показан якорь с кольцевой обмоткой. Поскольку теперь имеется только один роторный диск, каждый подковообразный магнит состоит из стопки отдельных магнитов, но действует через пару полюсных наконечников .

Самовозбуждающиеся динамо-машины

И динамо-машинам, и генераторам переменного тока требовался источник энергии для приведения в действие катушек возбуждения. Это не могло быть обеспечено выходом собственного генератора без некоторого процесса « загрузки ».

Генри Уайльд , инженер-электрик из Манчестера, Англия, разработал комбинацию магнето и электромагнитного генератора, в которой магнето использовалось только для подачи поля на больший генератор переменного тока. Это проиллюстрировано в Рэнкина Кеннеди работе «Электрические установки». ^{[ 8 ]} Сам Кеннеди разработал более простую версию, предназначенную для освещения на кораблях, где динамо-машина и магнето были собраны на одном валу. ^{[ 9 ]} Нововведение Кеннеди заключалось в том, чтобы вообще избежать необходимости в щеточном аппарате. Ток, генерируемый в магнето, передается по проводам, прикрепленным к вращающемуся валу, к вращающейся катушке возбуждения динамо-машины. Выходная мощность динамо-машины затем снимается с катушек статора. По сравнению с обычной динамо-машиной это вывернуто наизнанку, но при этом отсутствует необходимость в щеточном механизме.

Изобретение самовозбуждающегося поля Варли и , Сименс . Уитстон устранило необходимость в магнитном возбудителе Небольшое остаточное поле в железной арматуре катушек возбуждения действовало как слабый постоянный магнит и, следовательно, как магнето. Шунтирующая проводка генератора подает часть выходного тока обратно в катушки возбуждения, что, в свою очередь, увеличивает выходную мощность. Из-за этого поле «наращивается» регенеративно, хотя для полного этого может потребоваться 20–30 секунд. ^{[ 10 ]}

Использование магнето здесь уже устарело, хотя отдельные возбудители все еще используются для генераторных установок большой мощности, поскольку они позволяют легче контролировать выходную мощность. Они особенно распространены в трансмиссиях дизель-электрических локомотивов .

Производство электроэнергии

Магнето обладают преимуществами простоты и надежности, но ограничены в размерах из-за магнитного потока, создаваемого их постоянными магнитами. Фиксированное возбуждение магнето затрудняло контроль напряжения на его клеммах или выработку реактивной мощности при работе в синхронизированной сети. Это ограничивало их использование для приложений с высокой мощностью. Магнето для выработки электроэнергии были ограничены узкими областями, такими как питание дуговых ламп или маяков, где их особые характеристики, такие как стабильность выходного сигнала или простая надежность, ценились больше всего.

Ветровые турбины

В небольших ветряных турбинах , особенно самодельных, широко используются магнето-генераторы переменного тока. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} В генераторах используются вращающиеся неодимовые редкоземельные магниты с трехфазным статором и мостовым выпрямителем для выработки постоянного тока (DC). Этот ток либо напрямую перекачивает воду, либо хранится в батареях, либо приводит в действие сетевой инвертор , который может питать коммерческую электросеть . Типичная конструкция представляет собой генератор осевого потока, переработанный из автомобильного тормозного диска и подшипника ступицы. Стойка МакФерсон обеспечивает азимутальное направление турбины по ветру. ^{[ 13 ]} Тормозной диск с прикрепленными к нему редкоземельными магнитами вращается, образуя якорь. Рядом с ним расположен фанерный диск с несколькими осевыми катушками, а за ним - железное якорное кольцо.

Машины больших размеров, от 100 кВт до МВт, разработанные для современных ветряных турбин, называются синхронными генераторами с постоянными магнитами . ^{[ 14 ]}

Велосипеды

Одним из популярных и распространенных сегодня способов использования магнето является питание фонарей и устройств с питанием от USB на велосипедах. Чаще всего небольшое магнето, называемое бутылочной динамо-машиной , трется о шину велосипеда и генерирует мощность при вращении колеса. Более дорогим и менее распространенным, но более эффективным является динамо-втулка , которая вращает неодимовые магниты вокруг медной катушки в клетке с когтевым полюсом внутри ступицы колеса. обычно называемые динамо-машинами Оба устройства, , на самом деле являются магнето, производящими переменный ток , в отличие от постоянного тока, производимого настоящей динамо-машиной .

Медицинское применение

Магнето также имело медицинское применение для лечения психических заболеваний на заре электромедицины . В 1850 году французский врач Дюшен де Булонь разработал и изготовил магнето с переменным внешним напряжением и частотой, изменяя обороты вручную или изменяя индуктивность двух катушек, для клинических экспериментов в неврологии .

Магниты зажигания

В системах зажигания поршневых двигателей с искровым зажиганием используются магнето, приспособленные для выработки импульсов высокого напряжения для свечей зажигания. Магнето используются в поршневых авиационных двигателях из-за их надежности и простоты, часто попарно. В спортивных автомобилях, таких как мотоциклы и снегоходы, могут использоваться магнето, поскольку они легче по весу, чем система зажигания, работающая от аккумулятора. Небольшие двигатели внутреннего сгорания, используемые в газонокосилках, цепных пилах, портативных насосах и аналогичных устройствах, используют магнето для экономии и снижения веса. Магнето не используются в шоссейных автомобилях, имеющих пусковой аккумулятор, для которого может потребоваться больший контроль угла опережения зажигания, чем может обеспечить магнето-система, хотя сложные твердотельные контроллеры становятся все более распространенными.

Телефон

Ручные телефоны для обслуживания местных аккумуляторных станций на магнитных станциях были оснащены магнето-генератором с ручным заводом для выработки переменного напряжения для оповещения оператора центрального офиса или для звонка в колокола других телефонов на той же (партийной) линии .

Будущие возможности

Развитие современных редкоземельных магнитов делает простой магнето-генератор переменного тока более практичным предложением в качестве генератора энергии, поскольку они позволяют значительно увеличить напряженность поля. Поскольку магниты компактны и имеют небольшой вес, они обычно образуют ротор, поэтому выходные обмотки можно разместить на статоре, избегая необходимости в щеточном механизме. ^{[ нужна ссылка ]}

Управляемые ракеты

К концу 1980-х годов разработки в области магнитных материалов, таких как самарий-кобальт , один из первых редкоземельных элементов, позволили использовать генераторы переменного тока с постоянными магнитами в приложениях, требующих чрезвычайно надежного генератора. В управляемых ракетах такие генераторы могут заменить генератор переменного тока с переключением потока . ^{[ 15 ]} Они должны работать на высоких скоростях и напрямую связаны с турбиной. Оба типа имеют то преимущество, что выходные катушки являются частью статора, что позволяет избежать необходимости в щеточном механизме.

См. также

Примечания

^ См. соответствующий биполярный двигатель , где обсуждается их развитие от биполярного поля к многополярному.
^ На самом деле более высокая частота переменного тока.

Ссылки

^ Селимо Ромео Боттоне (1907). Магнето для автомобилистов, как сделано и как используется: Справочник практического обучения по изготовлению и адаптации магнето к потребностям автомобилиста . К. Локвуд и сын.
^ Альфред Урбаницкий (Риттер фон), Ричард Уормелл Электричество на службе человека: популярный и практический трактат о применении электричества в современной жизни , Cassell & Company, Limited, 1886 стр. 227, предварительный просмотр в книгах Google
^ «Электрический генератор Вулрича» . Бирмингемские истории . Мозговой центр . Архивировано из оригинала 02 апреля 2015 г. Проверено 12 сентября 2017 г.
^ Хант, LB (март 1973 г.). «Ранняя история позолоты» . Золотой бюллетень . 6 (1): 16–27. дои : 10.1007/BF03215178 .
^ «Меритенс, барон Огюст де» . Биографический словарь истории техники .
^ Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в свободном доступе : Хокинс, Чарльз Цезарь (1911). « Динамо ». В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
^ Перейти обратно: ^а ^б Кеннеди, Рэнкин (1903). Электромонтажные работы . Том. III (1903 г. (пять томов) изд.). Лондон: Кэкстон. стр. 205–206.
^ Кеннеди, Электроустановки, Том. III, 1903 , с. 207
^ Кеннеди, Электроустановки, Том. III, 1903 , с. 208
^ Крофт, Террелл (1917). Электрические машины . МакГроу-Хилл. п. 7 .
^ Пигготт, Хью (2005). Как построить ветряную турбину .
^ Пигготт, Хью (2009). Книга рецептов ветряных турбин: планы ветряных мельниц с осевым потоком .
^ «Тройки — ветряные турбины с тормозными дисками диаметром 10 футов | Otherpower» .
^ Шименц, И.; Стиблер, М. (2001). «Управление синхронным генератором с постоянными магнитами, используемым в ветроэнергетической системе с регулируемой скоростью». IEMDC 2001. Международная конференция IEEE по электрическим машинам и приводам (кат. № 01EX485) . п. 872. дои : 10.1109/IEMDC.2001.939422 . ISBN 0-7803-7091-0 . S2CID 110847930 .
^ Ли, Р.Г.; Гарланд-Коллинз, ТК; Д.Е. Джонсон; Э. Арчер; К. Спаркс; ГМ Мосс; АВМоват (1988). «Электроснабжение». Управляемое оружие . Том. 1. Брасси . п. 58. ИСБН 0-08-035828-4 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

[5] См. соответствующий биполярный двигатель , где обсуждается их развитие от биполярного поля к многополярному.

[6] На самом деле более высокая частота переменного тока.

[1] Селимо Ромео Боттоне (1907). Магнето для автомобилистов, как сделано и как используется: Справочник практического обучения по изготовлению и адаптации магнето к потребностям автомобилиста . К. Локвуд и сын.

[2] Альфред Урбаницкий (Риттер фон), Ричард Уормелл Электричество на службе человека: популярный и практический трактат о применении электричества в современной жизни , Cassell & Company, Limited, 1886 стр. 227, предварительный просмотр в книгах Google

[3] «Электрический генератор Вулрича» . Бирмингемские истории . Мозговой центр . Архивировано из оригинала 02 апреля 2015 г. Проверено 12 сентября 2017 г.

[hunt-4] Хант, LB (март 1973 г.). «Ранняя история позолоты» . Золотой бюллетень . 6 (1): 16–27. дои : 10.1007/BF03215178 .

[BDHT,_de_Meritens-7] «Меритенс, барон Огюст де» . Биографический словарь истории техники .

[8] Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в свободном доступе : Хокинс, Чарльз Цезарь (1911). « Динамо ». В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.

[Kennedy,_Electrical_Installations_III,_1903,_de_Méritens-9] Перейти обратно: ^а ^б Кеннеди, Рэнкин (1903). Электромонтажные работы . Том. III (1903 г. (пять томов) изд.). Лондон: Кэкстон. стр. 205–206.

[Kennedy,_Electrical_Installations_III,_1903,_Wilde-10] Кеннеди, Электроустановки, Том. III, 1903 , с. 207

[Kennedy,_Electrical_Installations_III,_1903,_Kennedy_self-exciting_dynamo-11] Кеннеди, Электроустановки, Том. III, 1903 , с. 208

[12] Крофт, Террелл (1917). Электрические машины . МакГроу-Хилл. п. 7 .

[13] Пигготт, Хью (2005). Как построить ветряную турбину .

[14] Пигготт, Хью (2009). Книга рецептов ветряных турбин: планы ветряных мельниц с осевым потоком .

[15] «Тройки — ветряные турбины с тормозными дисками диаметром 10 футов | Otherpower» .

[16] Шименц, И.; Стиблер, М. (2001). «Управление синхронным генератором с постоянными магнитами, используемым в ветроэнергетической системе с регулируемой скоростью». IEMDC 2001. Международная конференция IEEE по электрическим машинам и приводам (кат. № 01EX485) . п. 872. дои : 10.1109/IEMDC.2001.939422 . ISBN 0-7803-7091-0 . S2CID 110847930 .

[Brasseys,_Missile_alternators-17] Ли, Р.Г.; Гарланд-Коллинз, ТК; Д.Е. Джонсон; Э. Арчер; К. Спаркс; ГМ Мосс; АВМоват (1988). «Электроснабжение». Управляемое оружие . Том. 1. Брасси . п. 58. ИСБН 0-08-035828-4 . {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ примечание 1 ]

[ примечание 2 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]