Динамо-машины как предшественники современных генераторов
Электричество окружало человека всегда, но впервые он начал использовать его в своих целях в первой половине 19 века после открытия собственно явления электричества и создания первого электродвигателя. Его изобретение было напрямую связано с открытием электромагнетизма, поскольку именно электромагнитное поле послужило посредником между электрической и механической энергией. Автором идеи первого электродвигателя стал англичанин Майкл Фарадей, а первая действующая и практически пригодная модель была создана только спустя 10 лет – в 1834 году.
Тогда же учёных посетила мысль об обратимости электрического двигателя, то есть возможности преобразования механической энергии в электрическую, а не наоборот. Эксперименты с вращающимися электромагнитами начал проводить венгр Аньош Йедлик, которому и приписывают идею генератора, однако юридически изобретение ему не принадлежит: он не запатентовал своё устройство, которое он называл электромагнитным самовращающимся ротором, поскольку был уверен, что его уже сконструировали до него.
Так был создан первый проект электрогенератора постоянного тока, который получил название динамо-машина (или просто динамо). Динамо-машина стала первым генератором, мощности которого было достаточно для его применения в промышленности, что, конечно, стало огромным прорывом в энергетике.
Конструкция динамо-машины состояла из неподвижного статора, создающего постоянное магнитное поле, и движущихся элементов – обмоток, вращающихся в этом поле. Небольшие агрегаты использовали для питания поля постоянные магниты, более же мощные машины нуждались в электромагнитах, которые подпитывались собственным небольшим генератором. В 60-е годы 19 века обнаружилось полезное уникальное свойства электромагнита: он может подпитываться собственной энергией. Впоследствии это явление было названо самовозбуждением электромагнита, и на его принципе были созданы машины, не нуждающиеся в дополнительных устройствах.
Однако динамо-машине не было суждено стать главным поставщиком электричества. В 1886 году была представлена модель генератора переменного тока, или альтернатора. Переменный ток, в отличие от постоянного, непрерывно изменяется по величине и направлению в равные промежутки времени и легче поддаётся трансформации. С помощью устройства, созданного русским учёным Павлом Яблочковым, переменный ток можно было преобразовывать в ток другого напряжения, что и стало решающим фактором в борьбе двух принципиально разных генераторов.
Дальнейшее развитие генератор получил после того, как в качестве источника механической энергии, превращающейся затем в электрическую, начало использоваться дизельное топливо. Дизельные генераторы (наряду с бензиновыми и газовыми, которые не настолько практичны) используются и по сей день. Можно сказать, что сегодня мы пользуемся устройством, которое приняло свой окончательный вид более ста лет назад.
Консультация
Заполните заявку, мы перезвоним в течение 30 минут и ответим на все ваши вопросы
Динамо-машина. Виды и работа. Применение и особенности
Динамо-машина – это генератор постоянного тока, который вырабатывает электрическое напряжение в результате вращения специального приводного механизма. Такое устройство широко применялось до появления генераторов переменного тока. Сейчас динамо-машины встречаются значительно реже. Их в основном используют для питания осветительного оборудования на велосипедах, а также как часть конструкции некоторых видов ручных фонариков, радиоприемников, а также портативных зарядных устройств для мобильных телефонов, MP3 плееров и планшетов.
Как работает динамо-машина
Устройство состоит из катушки индуктивности, которая при вращении в магнитном поле вырабатывает электрическую энергию. Получаемый ток может передаваться оборудованию напрямую или заряжать аккумуляторную батарею, которая уже в дальнейшем будет питать потребителей. Принцип работы машины объясняется физическим законом Фарадея. Эффективность устройства напрямую зависит от скорости вращения катушки. Чем она выше, тем большее напряжение и силу тока можно получить.
Для подключения к простейшей динамо-машине можно использовать только такое оборудование, которое нормально переносит резкие скачки параметров напряжения. В первую очередь это светодиодные лампы. Для питания более чувствительного оборудования в конструкции предусматривается специальный контроллер, который предотвращает передачу критического заряда, способного навредить. Особенно это важно, если машина предназначена для подзарядки мобильного телефона.
Динамо машины для велосипедов
Самым эффективным и функциональным решением использования генератора постоянного тока (велогенератор) является его установка на велосипед. Такая динамо-машина позволяет получать электричество во время движения, поскольку подключается к переднему или заднему колесу. В ночное время без дополнительных усилий можно освещать дорогу впереди. Это повышает комфорт и безопасность движения. Кроме переднего фонаря генератор может питать и заднюю подсветку.
У таких динамо-машин может иметься встроенная батарея, которая сначала накапливает электричество, а уже потом передает его потребителям. Это исключает пульсацию света. Если аккумулятора нет, то яркость зависит только от скорости вращения колеса. При езде под гору, когда велосипед сильно замедляется, свет становится очень тусклым и практический не позволяет просматривать дорогу впереди. Современные велосипедные генераторы в основном выдают напряжение 6В. Это обусловлено тем, что они питают светодиоды, для которых этого вполне достаточно. Старые динамо-машины, известные велосипедистам советских времен, создавали напряжение 12В. Это было вызвано тем, что они питали обыкновенные лампы накаливания, которые встречаются на мотоциклах или автомобилях.
Для велосипедов применяются различные конструкции динамо-машин. Среди самых популярных разновидностей можно отметить:
Бутылочные
Такая динамо-машина получила свое название в связи со своей схожестью по форме с обыкновенной стеклянной бутылкой. В ее конструкции предусматривается специальное колесико, которое прикладывается к боковой стороне протектора колеса велосипеда. В результате трения оно поворачивается, что приводит к выработке электричества. Такой вариант весьма распространен в связи с простотой установки и невысокой стоимостью. Эта конструкция имеет откидной механизм, благодаря которому генератор можно при необходимости прикладывать к покрышке колеса или убирать в дневное время, когда свет не нужен.
Эта конструкция не лишена и недостатков. В первую очередь она очень шумная, а кроме этого ускоряет износ шины. При долгом пользовании на покрышке остается глубокая борозда истертая колесиком генератора. Также создается сопротивление движению оборотам велосипедного колеса, что снижает накат. В сырую погоду, когда шины мокрые, колесико динамо-машины проскальзывает, и эффективность выработки электричества снижается.
Втулочные
Такая динамо-машина монтируется в колесо. Это конструкция весьма удачна, поскольку практически не создает шума. Кроме того, она не останавливает вращение колес, что сохраняет набранную скорость езды. Втулочная машина имеет недостаток в виде большой стоимости, а также сложности установки. Не во всех велосипедах возможно провести монтаж миниатюрного генератора без необходимости сложных ухищрений и переделок.
Цепные
Цепные динамо-машины имеют внутри специальную звездочку, которая при контакте с цепью начинает вращать катушку генератора. Такая конструкция весьма хлипкая и если ее плохо зажать, то может отклониться и попасть в спицы, в результате повредив колесо и вызвав аварийную ситуацию. Положительным моментом таких динамо-машин является наличие USB-порта, что позволяет подзаряжать от него мобильный телефон.
Бесконтактные
Самой совершенной является бесконтактная динамо-машина. Она довольно дорогая. В ней нет трущихся элементов, поэтому генератор вообще не создает никакого звука. Зачастую в ней имеется встроенный аккумулятор, что позволяет накапливать энергию наперед, и сохранять хорошее освещение даже при медленном движении в гору. Такое устройство обычно фиксируется на оси переднего колеса. Для обеспечения его работы на спицы устанавливается ободок из магнитов, который вращается изменяя параметры магнитного поля воздействующего на катушку. Обычно ободок имеет 28 магнитов с разными полюсами. Благодаря тому, что в такой динамо-машине применяется индукционная катушка, то энергия вырабатывается даже при низкой скорости, всего в 15 км в час.
Фонарик с динамо-машиной
Весьма распространенными являются ручные фонарики с встроенным генератором постоянного тока. Чтобы получить свет необходимо вращать специальную откидную рукоятку, которая для удобства прячется в корпус. Такие устройства бывают двух видов. В одних имеется встроенный батарея, а вторые передают заряд напрямую на светодиоды. При использовании первых можно предварительно подзарядить аккумулятор и пользоваться им на протяжении определенного времени без применения физического воздействия на генератор. Такие устройства дают ровный не пульсирующий свет, но стоят немного дороже и имеют больший вес. Самыми простыми являются фонарики без АКБ, у которых динамо-машина сразу передает заряд на диоды. Такие устройства светятся только при вращении рукояти. Если снизить интенсивность оборотов, то яркость уменьшается. Кроме этого наблюдается постоянная пульсация свечения, что вызывает усталость глаз.
Фонарики создают много шума при работе генератора, поэтому при приближении человека, который пользуется таким устройством, об этом скорее узнают по звуку, чем свечению слабенького светодиода. Для работы динамо-машины кроме вращения рукояти может предусматриваться специальный рычаг, который необходимо нажимать и отпускать, как спортивный эспандер для кисти. Это менее эффективная конструкция, но позволяет получать свет используя одну руку.
Радиоприемник с динамо-машиной
На рынке можно встретить радио, которое оснащено рукояткой для выработки энергии. Чтобы немного послушать трансляцию радиостанции необходимо предварительно поработать динамо-машиной и зарядить тем самым встроенный аккумулятор. Стоит отметить, что это малоэффективное устройство, создающее много шума. Одновременно слушать музыку и вращать рукоятку не удастся, поскольку динамик не сможет перекричать скрежет генератора. Единственным положительным моментом радио является создание нагрузки на мышцы. Он больше выступает тренажером для рук, чем полноценным FM-приемником. По этой причине многие производители предусматривают возможность подзарядки встроенного в устройство аккумулятора от электрической сети. Иногда в корпусе может предусматриваться место для установки обыкновенных пальчиковых батареек типа АА.
Зарядное устройство для мобильных телефонов с динамо-машиной
Для любителей активного отдыха или жителей удаленных местностей, где наблюдаются проблемы с электроснабжением, полезным устройством будет зарядное устройство с встроенным генератором постоянного тока. Внешне оно представляет собой небольшую коробку с откидной рукояткой, которая при вращении вырабатывает электрический ток подходящих параметров для питания мобильного телефона или другого портативного устройства. Для этого в корпусе предусматривается USB порт, с помощью которого можно подключить зарядной кабель смартфона.
Обычно такие устройства имеют встроенную аккумуляторную батарею, что позволяет сначала накапливать заряд на нее, а уже потом передавать его на телефон, как с повербанка. Обычно динамо-машина способна вырабатывать на максимальных оборотах ручки около 600 мАч в час. Это довольно скромный показатель, поэтому рассчитывать на полноценную полную зарядку смартфоном не приходится. Потребуется непрерывная работа рукояткой часами, чтобы восполнить всю емкость батареи. Несмотря на это устройство сможет выручить в сложной ситуации, ведь для совершения срочного звонка, когда телефон полностью разряжен, достаточно потрудиться над динамо-машиной 5-6 минут.
Обычно производители монтируют на корпусе таких устройств солнечную батарею. Благодаря этому выставив динамо-зарядку на открытый участок, где на нее попадает дневной свет, можно понемногу восполнять зарядку встроенного аккумулятора без необходимости вращать ручку. К сожалению, небольшая площадь солнечной батареи выдает поток электричества примерно 40 мАч, что естественно очень мало. При решении приобрести подобное устройство необходимо учитывать, что она очень шумное, поэтому будет не лучшей альтернативой восполнить зарядку смартфона для рыбаков или охотников.
Значение динамо машины двигатели электроэнергия
Динамо-машина как альтернативный источник электричества
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Цель исследования: определение опытным путём, возможно ли изготовить динамо-машину из подручных средств, действительно ли она работает.
Узнать, что такое электрический генератор.
Собрать динамо-машину из подручных материалов.
Провести опыт по преобразованию механической энергии в электрическую.
Экспериментальный метод. Позволит узнать, возможно ли получение электричества с помощью динамо-машины, доказать или опровергнуть гипотезу.
Гипотеза: предположим, что собранная из подручных средств динамо-машина, даст достаточное количество электрической энергии, чтобы загорелась светодиодная лампочка.
В ходе проведённых опытов и экспериментов, выяснили, что рабочую динамо-машину возможно собрать из подручных средств.
Динамо-машина, как альтернативный источник электричества
Некрасов Игорь Сергеевич
Россия,Тюменская область, Заводоуковский городской округ, город Заводоуковск, Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение Заводоуковского городского округа
«Заводоуковская средняя общеобразовательная школа № 2», 4 «А» класс.
Глава 1. Что такое электрический генератор?
Предельно автономный тип — это ручные электростанции. В них механическое движение получается за счет мускульной силы оператора. Конечно, рассчитывать на высокую производительность и длительную работу не приходится. Зато можно уверенно получать ток в любой ситуации, когда нельзя использовать ни топливо, ни энергию ветра или воды. Потому подобные генераторы могут входить в аварийные комплекты на воздушных судах, использоваться в экстренных случаях экспедициями, военными и так далее.
И в основном происходит трансформация механической энергии в электрическую энергию.
В свою очередь механическую энергию получают в результате вращения турбин под действием расширения пара, падения воды и даже ручным приводом.
Так вот генераторы, которые работают на механическом приводе – это пока основной тип преобразователей во всем мире.
Глава 2. Динамо-машина.
Это первоначальное название электрического генератора. Такие машины были первыми электрогенераторами, способными поставлять энергию для промышленности. Динамо-машина стала основой, на которой были созданы многие другие преобразователи электрической энергии, включая эленктродвигатель и генератор переменного тока.
Динамо-машина – это генератор постоянного тока, который вырабатывает электрическое напряжение в результате вращения специального приводного механизма. Такое устройство широко применялось до появления генераторов переменного тока. Сейчас динамо-машины встречаются значительно реже. Их в основном используют для питания осветительного оборудования на велосипедах, а также как часть конструкции некоторых видов ручных фонариков, радиоприемников, а также портативных зарядных устройств для мобильных телефонов, MP3 плееров и планшетов.
Хотя первым был венгерский ученый, куда большую известность получили усилия его британского коллеги. Кроме того, Йедлик от прототипов смог перейти к полноценной динамо-машине лишь в 1850-е годы. А вот открытия Майкла Фарадейя легли в основу принципа работы динамо-машины [2. 39]. Он создал генератор электроэнергии (хотя еще несовершенный) еще в 1831-м. Динамо-машины оказались исторически первым типом электрических генераторов.
Глава 2.1. Устройство динамо-машины.
Устройство состоит из катушки, которая при вращении вырабатывает электрическую энергию. Получаемый ток может передаваться оборудованию напрямую или заряжать аккумуляторную батарею, которая уже в дальнейшем будет питать потребителей. Эффективность устройства напрямую зависит от скорости вращения катушки. Чем она выше, тем большее напряжение и силу тока можно получить.
Для подключения к простейшей динамо-машине можно использовать только такое оборудование, которое нормально переносит резкие скачки параметров напряжения. В первую очередь это светодиодные лампы.
С помощью набора «Ручное электричество» мы собрали динамо-машину с фонариком.
И тут я задумался, а смогу ли я собрать это устройство, используя детали старых игрушек и подручный материал.
Детали старого конструктора мы взяли на корпус динамо-машины. К корпусу мы прикрутили светодиодную лампочку, установили шестерёнки и присоединили рукоятку. Далее прикрепили провода от лампочки к мотору. Мотор закрепили в корпусе. Сверху на лампочку надели пластиковую бутылку как защитный колпак. Динамо-машина готова (Приложение X ). Покрутили рукоятку машины – лампочка засветилась (Приложение XI )!
Мы узнали принципы работы электрического генератора.
Экспериментальным путём мы доказали, что используя подручные средства, можно самостоятельно изготовить динамо-машину.
Динамо-машина, собранная своими руками работает.
В современном мире, благодаря гигантским усилиям многих выдающихся деятелей науки разных стран, достигнуты невиданные успехи в открытии и изучении законов природы и их использования на благо человечества.
В своём возрасте я пока могу на конкретных примерах наиболее выдающихся открытий и изобретений показать роль знания в истории создания того или иного технического устройства, но, возможно, сумею в будущем сделать и свой вклад в развитие науки и техники. Существует множество интересных приборов и устройств, которые используют электрическую силу.
Миллионы использованных батареек выбрасываются ежедневно. В их составе есть токсичные элементы, способные нанести вред окружающей среде. Наша динамо-машина – это уникальный светильник, работающий на «Зелёной» энергии. Ему не требуется батарейки, и он может использоваться в любое время, в любом месте. Динамо-машина – отличный гаджет для походов и туристических ночёвок. Она может пригодиться в машине на случай непредвиденной ситуации.
Каждый день во всём мире выбрасываются миллионы пластиковых бутылок. Требуется немало времени, чтобы пластиковые материалы начали разлагаться. Это вызывает серьёзные проблемы для окружающей среды.
Мы можем хоть немного помочь уберечь нашу планету, создав из одной бутылки что-нибудь интересное, например колпак для светильника динамо-машины. Украсить бутылку можно по собственному дизайну.
«Зеленые» технологии, забота об окружающей среде, сокращение количества отходов позволяют создавать новой счастливое будущее для нас.
Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч.2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. – 2-е изд., испр. /Ред. Коллегия: М. Аксенова, В. Володин, А. Элиович и др. – М.: Аванта +, 2005. – 432 с.: ил. Текст: непосредственный.
Физика без формул / Ал. А. Леонович; худ. Ар. А. Леонович – Москва: Издательство АСТ – 2017. – 223 с.: ил. – (Простая наука для детей)
Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника / Глав. Ред. М. Д. Аксёнова. – М.: Аванта+, 2000. – 688 с.: ил. Текст: непосредственный.
Большая книга экспериментов для школьников/ Под ред. А. Мейяни; пер. с ит. Э. И. Мотылевой. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2008. – 260 с.: ил. Текст: непосредственный.
Энциклопедия для детей. Т. 23. Универсальный иллюстрированный энциклопедический словарь / Глав. Ред. Е. А. Хлебалина, отв. Ред. Д. И. Люри. – М.: Аванта+, 2004. – 688 с.: ил. Текст: непосредственный.
Что такое динамо-машина. Первые генераторы постоянного тока
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.