Когда диск вращали, то в той части диска, которая пересекала магнитный поток между полюсами магнита статора, наводилась ЭДС, приводящая, в случае если цепь между щетками была замкнута на нагрузку, к появлению радиального тока в диске. Подобные униполярные генераторы по сей день используются там, где требуются большие постоянные токи без выпрямления.

Генератор переменного тока впервые построил француз Ипполит Пикси, это произошло в том же 1832 году. Статор динамо-машины содержал включенные последовательно пару катушек, ротор представлял собой подковообразный постоянный магнит, кроме того в конструкции имелся щеточный коммутатор.

Магнит вращался, пересекал магнитным потоком сердечники катушек, наводил в них гармоническую ЭДС. А автоматический коммутатор служил для выпрямления и получения в нагрузке постоянного пульсирующего тока.

Якоби Борис Семенович (Мориц Герман) (1801 — 1874) — один из пионеров электротехники, петербургский академик. С 1837 г. по его инициативе в Петербурге при Академии наук была создана комиссия, учрежденная для приложения электромагнетизма к движению машин. Здесь Якоби провел ряд выдающихся работ.

Поставив задачу применения электродвигателя на транспорте, он осуществил ее в 1838 г. Его двигатель приводил в движение против течения шлюпку с 14 пассажирами. Это было первое в мире судно с электрическим двигателем. Якоби изобрел гальванопластику и значительно усовершенствовал электрический телеграф Шиллинга, создав первую в мире конструкцию пишущего телеграфа.

В 1856 году, для питания серийных дуговых ламп Фредерика Холмса, (эти лампы использовали в прожекторах маяков), самим Фредериком Холмсом была предложена конструкция генератора, похожая на генератор Якоби, но дополненная центробежным регулятором Уатта для поддержания напряжения на лампе постоянным при разном токе нагрузки, что достигалось путем автоматического сдвига щеток.

Статор содержал 50 магнитов, а конструкция в общем весила 4 тонны, и развивала мощность чуть больше 7 кВт. Было выпущено примерно 100 таких генераторов под маркой «Альянс».

Между тем, машины с постоянными магнитами отличались одним существенным недостатком — магниты теряли со временем намагниченность и портились от вибрации, в итоге генерируемое машиной напряжение становилось со временем все ниже и ниже. При этом намагниченностью нельзя было управлять, чтобы стабилизировать напряжение.

Позже настоящую революцию в генераторах совершит немецкий инженер Вернер Сименс, который откроет подлинный динамоэлектрический принцип, и поставит производство новых генераторов постоянного тока на поток.

Принцип самовозбуждения заключается в том, чтобы использовать остаточную намагниченность сердечника ротора для пускового возбуждения, а затем, когда генератор возбудится, использовать в качестве намагничивающего тока ток нагрузки, или включить в работу специальную обмотку возбуждения, питаемую генерируемым током параллельно нагрузке. В результате, положительная обратная связь приведет к увеличению магнитного потока возбуждения генерируемым током.

В числе первых принцип самовозбуждения, или динамоэлектрический принцип, отметит инженер из Дании Сорен Хиорт. Он упомянет в своем патенте от 1854 года возможность использования остаточной намагниченности с целью реализации явления электромагнитной индукции для получения генерации, однако, опасаясь того, что остаточного магнитного потока будет недостаточно, Хиорт предложит дополнить конструкцию динамо постоянными магнитами. Этот генератор так и не будет воплощен.

Позже, в 1856 году, аналогичную идею выскажет Аньеш Йедлик — член Венгерской академии наук, но ничего так и не запатентует. Только спустя 10 лет Самюэль Варлей, ученик Фарадея, реализует на практике принцип самовозбуждающегося динамо.

Его заявка на патент (в 1866 году) содержала описание устройства очень похожего на генератор Якоби, только постоянные магниты уже были заменены обмоткой возбуждения — электромагнитами возбуждения. Перед стартом сердечники намагничивались постоянным током.

В начале 1867 года в Берлинской Академии наук с докладам выступал изобретатель Вернер Сименс. Он представил публике генератор похожий на генератор Варлея, названный «динамо-машиной». Старт машины осуществлялся в режиме двигателя, для того чтобы обмотки возбуждения намагнитились. Затем машина превращалась в генератор.

Это была настоящая революция в понимании и проектировании электрических машин. В Германии начался широкий выпуск динамо-машин Сименса — генераторов постоянного тока с самовозбуждением — первых промышленных динамо-машин.

Конструкция динамо-машин с течением времени менялась: Теофил Грамм, в том же 1867 году, предложил кольцевой якорь, а в 1872 году главный конструктор компании Сименс-Гальске, Гефнер Альтенек, предложит барабанную намотку.

Так генераторы постоянного тока примут свой окончательный облик. В 19 веке, с переходом на переменный ток, гидроэлектростанции и тепловые электростанции станут вырабатывать уже переменный ток на генераторах переменного тока. Но это уже совсем другая история.

Источник

Первые электрогенераторы и принцип динамо

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Рис. 1. Диск Фарадея

В предыдущих статьях данного цикла рассматривались первые электрические двигатели, созданные в начале XIX века с питанием от единственного известного источника – гальванической батареи [1 — 3]. Низкая экономическая эффективность такого электрохимического источника, препятствующая замене паровых двигателей электрическими, заставляла изобретателей искать другие, электромеханические способы генерации электроэнергии. В данной статье отражен процесс создания электрогенераторов постоянного тока, в результате которого было открыто явление самовозбуждения за счет положительной обратной связи, называемое принципом динамо.

Первый электромеханический генератор был предложен Фарадеем в 1832 г. сразу после открытия им закона электромагнитной индукции (рис. 1) [4, 5]. Диск Фарадея содержит: статор в виде подковообразного магнита – 1 и медный диск (ротор) – 2, снабженный подвижными контактами на оси и ободе.

При вращении диска в магнитном поле в нем наводится ЭДС постоянного знака, вызывающая индукционные токи, текущие по правилу правой руки радиально, т. е. между осью и ободом (в данном случае, снизу вверх). По правилу Ленца индукционные токи создают магнитный поток, препятствующий потоку магнита, т. е. направленный вдоль оси вращения диска. Это единственный известный униполярный генератор постоянного тока, применяемый для выработки больших токов до сих пор. Остальные генераторы постоянного тока являются, по существу, генераторами переменного тока с выпрямителем (коммутатором) на выходе.

Рис. 2. Генератор Пикси

При создании высоковольтного дистанционного взрывателя морских мин в 1842 г. [2] Якоби предложил поместить магниты на статоре, а обмотку на роторе, что повысило компактность генератора. Генератор Якоби представлен на рис. 3 [4 — 6], где обозначены: 1 – статор с двумя постоянными магнитами, 2 – вал, 3 – якорь (ротор с обмоткой), 4 – коммутатор, 5 – мультипликатор, т. е. повышающий редуктор для увеличения скорости вращения ротора.

Рис. 3. Генератор Якоби

Аналогичную конструктивную схему имел генератор, предложенный английским инженером Фредериком Холмсом (Frederick Holmes) для питания запатентованной им дуговой лампы. Для серийного производства генераторов в 1856 г. была создана компания «Альянс» [5, 6]. Вид генератора представлен на рис. 4, где: 1 – статор с постоянными магнитами; 2 – ротор с обмоткой (якорь); 3 – центробежный регулятор, 4 – механизм сдвига щеток.

В нем использовался центробежный регулятор Уатта для автоматического поддержания выходного напряжения путем сдвига щеток с нейтрали при изменении нагрузочного тока, что обеспечивало компенсацию реакции якоря. Генератор имел 50 постоянных магнитов, развивал мощность 10 л.с. при весе до 4 тонн. Всего было выпущено более 100 генераторов «Альянс», применявшихся, помимо дуговых прожекторов маяков, и в гальванопластике.

Рис. 4. Генератор «Альянс»

В эксплуатации у машин с постоянными магнитами обнаружился неприятный недостаток снижения выходного напряжения из-за постепенного размагничивания магнитов от вибрации и старения. Другим недостатком возбуждения от постоянных магнитов была невозможность регулирования их магнитного потока для стабилизации генерируемого напряжения. Для борьбы с этими недостатками предлагалось применить электромагнитное возбуждение, обеспечивающее к тому же, как отмечалось в статье [3], большую компактность. Так, преуспевающий английский изобретатель Генри Уайльд (Henry Wilde) получил в 1864 г. патент на генератор с отдельным маломощным возбудителем на постоянном магните, установленном на общем валу с генератором [4 — 6]. Уайльд не имел университетского образования, начинал свою карьеру учеником механика, но ему удалось наладить производство своих генераторов для гальванопластики. Тем не менее, становилось ясно, что наличие постоянных магнитов в генераторах – серьезный тормоз развития телеграфии и электрического освещения.

Кардинальное решение проблемы появилось после открытия возможности самовозбуждения генераторов, названного Сименсом динамоэлектрическим принципом, или принципом динамо [4 — 7]. Идея самовозбуждения состоит в том, что – как показано на рис. 5 – начальный поток возбуждения при пуске машины создается остаточной намагниченностью магнитопровода, где напряжение генератора снимается с обмотки якоря Я, а возбуждение машины выполняется либо обмоткой ОВ1, включенной последовательно с нагрузкой R_н, либо обмоткой ОВ2, включенной параллельно якорю через регулировочный резистор R (так называемое шунтовое возбуждение). Далее поток возбуждения увеличивается за счет положительной обратной связи от генерируемого тока.

Рис. 5. Схема генератора с самовозбуждением

Одним из первых на возможность самовозбуждения генератора указал в патенте 1854 г. датский инженер и организатор железнодорожного сообщения Сорен Хиорт (S?ren Hjorth). Однако, опасаясь слабости остаточной намагниченности, он дополнил генератор постоянными магнитами. Этот генератор Хиорта так и не был реализован. Независимо от Хиорта идею самовозбуждения высказал в 1856 г. профессор Будапештского университета Аньеш Йедлик (?nyos Jedlik). Он также предложил один из первых электродвигателей, описанный в статье [1]. Однако Йедлик своих изобретений не патентовал и сведения о них публиковал весьма скупо, поэтому его новаторские предложения остались незамеченными.

Практически идея самовозбуждения была реализована лишь через десять лет в одно и то же время несколькими изобретателями. В заявке на патент в декабре 1866 г. инженер английской телеграфной компании, ученик Фарадея Самюэль Варлей (Samuel Alfred Varley) предложил схему генератора, аналогичного генератору Якоби, в котором, однако, обмотка возбуждения заменяла постоянные магниты. Схема генератора показана на рис. 6, где: 1 – электромагниты возбуждения, 2 – якорь, 3 – коммутатор, 4 – добавочный регулировочный резистор. Перед пуском сердечники возбуждения намагничивались постоянным током.

Рис. 6. Генератор Варлея

Через месяц, в январе 1867 г., в Берлинской Академии наук был представлен доклад известного немецкого изобретателя и промышленника Вернера Сименса (Werner Siemens) с подробным описанием генератора с самовозбуждением, названного им динамо-машиной. Перед пуском генератор включался как двигатель для намагничивания возбуждения. Впоследствии Сименс наладил широкий промышленный выпуск таких генераторов в Германии.

В феврале того же 1867-го г. известный английский физик Чарльз Уитстон (Charles Wheatstone) запатентовал и продемонстрировал генератор с шунтовым возбуждением (рис. 5). Владелец мастерской музыкальных инструментов, перенявший дело от своего отца, впоследствии профессор Королевского колледжа King’s College в Лондоне, Уитстон известен также своими изобретениями метода измерения сопротивления (мост Уитстона), однофазного синхронного электродвигателя, музыкального инструмента концертино, стереоскопа, хроноскопа (электрического секундомера) и усовершенствованного вида телеграфа Шиллинга.

В печати возникла дискуссия о приоритете данного технического решения, на который претендовали также Уайльд и Хиорт. Следует отметить, что существует три вида приоритета: научный, патентный и промышленный. Научный приоритет принадлежит ученому, впервые опубликовавшему или публично продемонстрировавшему какое-либо устройство, эффект или теорию. Промышленным приоритетом владеет лицо или компания, впервые наладившие производство изделия и его широкое внедрение. Например, при открытии радио научный приоритет принадлежит Попову, а патентный и промышленный – Маркони. Относительно генератора с самовозбуждением следует признать патентный приоритет за Варлеем, научный – за Йедликом и Сименсом, а промышленный – за Сименсом. Уитстону же принадлежит приоритет в частном, хотя и весьма важном, техническом решении – шунтовом возбуждении.

Дальнейшее улучшение характеристик динамо-машины было связано с изменением конструкции ее якоря путем применения в 1867 г. бельгийским электротехником Зиновием Граммом (Zenobe Gramme) кольцевого якоря, а затем внедрением барабанной намотки, предложенной в 1872 г. Гефнером Альтенеком (Hefner Alteneck), ведущим конструктором компании Сименс-Гальске [5 — 7]. После этого электродвигатели и генераторы практически приняли современный вид. Однако к концу XIX века в связи с широким внедрением систем переменного тока основная доля электроэнергии на гидро- и тепловых электростанциях вырабатывалась уже генераторами переменного тока.

Рис. 7. Модель геодинамо

Что касается самого принципа динамо, то о нем снова вспомнили уже в ХХ веке для объяснения причин земного магнетизма, которое Эйнштейн в 1905 г. назвал одной из пяти главных загадок физики того времени [8, 9]. До сих пор окончательного ответа, подтвержденного компьютерным моделированием или физическими экспериментами, не получено, но наиболее популярной является теория, называемая гидромагнитным динамо (геодинамо). Еще со времен Уильяма Гильберта (конец XVI века) установлено, что Земля – это гигантский магнит, силовые линии которого направлены от южного полюса к северному. Согласно уравнениям Максвелла, магнитные потоки могут создаваться только токами, поэтому естественно было предположить, что Земля – это электромагнит, токи которого текут в плоскостях, параллельных экватору, а сердечником служит твердое ферромагнитное ядро Земли, показанное на рис. 7, с предполагаемым вертикальным расположением оси вращения Земли. Это железоникелевое ядро (1) диаметром около 1200 км окружено жидкой оболочкой (2) из тех же металлов толщиной 2300 км, за которым следуют горные породы мантии и коры Земли.

Если предположить, что вследствие вращения Земли (3) в жидкой оболочке ядра образуются концентрические течения в плоскостях, параллельных экватору (на рисунке не показаны), то в них могут индуктироваться токи за счет пересечения силовых линий (4) магнитным потоком от твердого ядра – как в генераторе Фарадея. Однако твердое ядро принципиально не может быть намагниченным, поскольку его температура, вызванная термоядерными реакциями, выше 5000 о С (как на поверхности Солнца), а все ферромагнитные материалы теряют свои магнитные свойства выше точки Кюри (около 750 о С). Кроме того, ученые не могли предложить разумного объяснения причин образования таких концентрических течений. Поэтому в настоящее время принята более сложная модель, называемая конвективным геодинамо.

Температура поверхности жидкого ядра на границе с мантией (5) примерно на 600 о С ниже температуры твердого ядра, что вызывает радиальные конвективные потоки жидкости (6), которые под действием кариолисовых сил, вызванных вращением Земли, закручиваются в вихри (7), ось вращения которых совпадает с осью вращения Земли. Далее в этих жидких вихрях, аналогично диску Фарадея, индуктируются токи, создающие магнитные потоки (4) вдоль оси вращения Земли.

Более сложным является вопрос о первоначальном образовании магнитного поля Земли. В 1919 г. ирландский физик и математик Джозеф Лармор (Joseph Larmor), выпускник Кембриджского университета, один из создателей теории электрона и основателей релятивистской теории, предложил для его решения идею самовозбуждения, аналогичного процессу в динамо-машине. Необходимая первоначальная намагниченность мантии Земли могла быть вызвана магнитным полем Солнца, направленным вдоль оси вращения. Затем за счет механизма положительной обратной связи в вихрях жидкости постепенно нарастали токи, намагничивающие мантию, пока локальный нагрев жидкого ядра за счет омических потерь не начал разрушать конвективные потоки и магнитное поле Земли не приняло устойчивый современный уровень [8, 9].

Источник

Изобретение динамо-машины

Изобретение динамо-машины

Осенью 1866 года Вернеру Сименсу исполнилось 50 лет. Приблизительно к этому времени относится его самое значительное изобретение – он разрабатывает принцип действия динамоэлектрической машины.

Этой проблемой Сименс интересовался издавна, со времени прокладки линий в России. Уже тогда он хотел получать постоянный электрический ток и более высокое напряжение без применения гальванических батарей, только механическими способами. В 1856 году, сконструировав двойное Т-образное якорное устройство, он открыл принцип устройства приборов, обеспечивающих производство постоянного тока. Практически эта мысль впервые воплотилась несколько позже – в магнитных стрелочных телеграфных аппаратах, поставленных фирмой Сименса для государственной Баварской железной дороги, а также в других приборах, например, в сигнальных индукторах для железной дороги, позднее – в телефонных аппаратах и запальных взрывателях.

Осенью 1866 года Сименс снова стал интенсивно заниматься этой проблемой. Он построил индуктор, в котором при движении Т-образного двойного якоря между полюсным наконечником и электромагнитом из мягкого железа оставался небольшой зазор. Электроток, полученный во вращающемся якоре, он применял для возбуждения магнитного поля, образовав таким образом замкнутую цепь из обмотки якоря, обмотки возбудителя и внешним участком цепи. Для взаимного усиления тока в якоре и магнитного поля вполне хватало остаточного магнетизма.

И хотя многие изобретатели, например, датчанин Сорен Йорт, венгр Аньош Йедлик, англичанин Альфред Варли и Чарльз Уитстон работали над этой проблемой независимо друг от друга, в одно и то же время или опережая друг друга, в пользу Сименса говорит то, что ему первому стало совершенно очевидным значение открытия динамоэлектрического принципа, или принципа самовозбуждения. Он убедительно изложил свои научные выводы, непосредственно связанные с этим открытием, в докладе, зачитанном профессором Густавом Магнусом 17 января 1867 года в Берлинской Академии наук, который закончил его следующими словами: “В настоящее время техника получила возможность вырабатывать электрический ток любой силы дешевым и удобным способом везде, где есть свободная механическая энергия. Этот факт будет иметь большое значение для многих областей техники”.

Если первоначальной целью Сименса было получение более высокого напряжения для передачи сообщений, то с изобретением динамо-машины появился источник энергии, обеспечивавший гораздо большую силу тока, которую можно было использовать для освещения и привода механизмов. Понимая это, Сименс должен был последовательно и интенсивно заниматься разработкой практического использования сильноточной техники.

Интересно проследить за тем, как открытая в 1831 году Фарадеем индукция, стала физической основой сильноточной техники. Пиксии, Якоби, Давенпорт, Вагнер и многие другие десятилетиями пытались сконструировать машины, работающие на этом принципе. Но только Сименсу удалось на основе открытого им принципа самовозбуждения обосновать экономически возможность применения техники сильных токов.

Решить задачу поддержания молодой развивающейся техники сильных токов физическими и математическими расчетами удалось англичанам Максвеллу и Гопкинсу.

После 1866 года прошло много времени – целых 12 лет, – прежде чем динамо-машина была построена и внедрена в практику. В эти годы были разработаны не только теоретические основы этого открытия, но пройден первый, самый трудный период становления; повсеместно начали проводиться практические работы, создавшие основу для значительных конструктивных усовершенствований созданного аппарата.

Сначала производство динамо-машин не было прибыльным, а чтобы оно могло “дозреть” и начать развиваться, фирма должна была зарабатывать необходимые деньги в ставших для нее уже традиционными областях: в строительстве телеграфных линий, изготовлении и укладке морского кабеля, а после 1870 года в новой развивающейся отрасли – сигнализации на железнодорожном транспорте.

Читайте также

Гидравлические машины, мосты, каналы, машины для их создания и приспособления для погружения под воду

Гидравлические машины, мосты, каналы, машины для их создания и приспособления для погружения под воду Водолазный костюм Леонардо Еще задолго до Леонардо изобретателей и ученых интересовала возможность погружения человека на значительную глубину. Леонардо, которого

Машины-автоматы и другие «рабочие» машины

Машины-автоматы и другие «рабочие» машины Вертикальная пила Этот проект был обнаружен в Атлантическом кодексе, где собраны основные чертежи машин и механизмов Мастера.Неизвестно, изобрел ли да Винчи эту машину для распилки бревен или только усовершенствовал –

«ДИНАМО»

«ДИНАМО» «Динамо» – это пролетарское спортивное общество войск и сотрудников ГПУ, в сущности один из подотделов ГПУ – заведение отвратительное в самой высокой степени, даже и по советским масштабам. Официально оно занимается физической подготовкой чекистов,

ДИНАМО ТАЕТ

ДИНАМО ТАЕТ К концу мая наше каторжно-привилегированное положение в Медгоре закрепилось приблизительно в такой степени, в какой это вообще возможно в текучести советских судеб, и я (оптимистичен человек!) стал было проникаться уверенностью в том, что наш побег, по крайней

«Динамо» скандальное

«Динамо» скандальное В августе 1976 года в центре сразу двух скандалов оказалась футбольная команда «Динамо» из Киева. Первый случай произошел 14 августа, когда киевляне должны были играть в Донецке против тамошнего «Шахтера». Однако в Донецк киевляне приехали в неполном

«ДИНАМО»

«ДИНАМО» Михаил Якушин в игре был (с кем из футболистов более поздних времен сравнить его по стилю и тактической манере?), пожалуй, как бразилец Сократес. А из наших — как Юрий Гаврилов в самом расцвете своих сил и мастерства (хотя, если разбираться, Якушин играл получше

ГЛАВА V. ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

ГЛАВА V. ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОЙ МАШИНЫ По словам самого Уатта, с того времени, когда университет Глазго поручил ему исправлять модель паровой машины, что случилось зимою 1763 года, ему почти не приходилось иметь дела с применением пара. Правда, в 1759 году Робисон, тогда еще

Изобретение крекинга

Изобретение крекинга Многие достижения Шухова можно охарактеризовать словами «впервые в мире» – зачастую его новаторские изобретения давали начало целым направлениям науки и техники.1891 год. Все более широкое использование двигателей внутреннего сгорания

Первое изобретение

Первое изобретение Около шести лет Василий Дегтярев проработал на Сестрорецком заводе, но у него почти не было друзей. Ввиду секретности задания работать приходилось в одиночку, избегать излишних знакомств и общений.Он знал, что на заводе существуют тайные

Изобретение Хуана

Изобретение Хуана Я держу на ладони четыре смятых кусочка свинца. Угоди они в мой самолет вчера — мне бы несдобровать. А сегодня я ощутил лишь дробный глухой стук за спиной и в бою не придал ему особого значения.Хуан очень доволен:— Хорошо, что мы придумали эту

Первое изобретение

Первое изобретение Отец заметно слабел. Изнурительная многочасовая работа свела его в могилу еще сравнительно молодым. На меня, семнадцатилетнего юношу, обрушилась вся тяжесть содержания большой, удрученной горем семьи.К тому времени я был уже опытным рабочим, но с

ПЕРВОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

ПЕРВОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ Около шести лет Василий Дегтярев проработал на Сестрорецком заводе, но у него почти не было друзей. Ввиду секретности заданий работать приходилось в одиночку, избегая излишних знакомств.Он знал, что на заводе существуют тайные революционные кружки,

Источник