Введение

Альтернатор Александерсона — это вращающаяся машина, изобретённая Эрнстом Александерсоном в 1904 году для генерации высокочастотного переменного тока, используемого в качестве радиопередатчика. Он был одним из первых приборов, способных генерировать непрерывные радиоволны, необходимые для передачи амплитудно-модулированных сигналов по радио. Приблизительно с 1910 года он применялся на нескольких мощных радиотелеграфных станциях для передачи трансокеанских сообщений по коду Морзе на аналогичные станции по всему миру. Хотя в начале 1920-х годов его вытеснили передатчики на вакуумных лампах, альтернатор Александерсона продолжал использоваться вплоть до Второй мировой войны. Он включён в список IEEE Milestones как важнейшее достижение в области электротехники.

Предыдущие события

После открытия радиоволн в 1887 году, первое поколение радиопередатчиков – передатчики с искровым разрядом – генерировали цепочки затухающих волн, импульсы радиоволн, которые быстро затухали до нуля. К 1890-м годам стало ясно, что затухающие волны имели недостатки: их энергия распределялась по широкой полосе частот, что приводило к взаимным помехам между передатчиками на разных частотах, и их нельзя было модулировать звуковым сигналом для передачи звука. Были предприняты усилия по созданию передатчиков, способных генерировать непрерывные волны – синусоидальный переменный ток на одной частоте. В лекции 1891 года Фредерик Томас Траутон отметил, что если электрический генератор будет работать с достаточно высокой частотой вращения (то есть, если он будет вращаться достаточно быстро и иметь достаточное количество магнитных полюсов на роторе), он сможет генерировать непрерывные волны на радиочастоте. Начиная с Элиу Томсона в 1889 году, ряд исследователей создавали высокочастотные генераторы, включая Никола Тесла (1891, 15 кГц), Саломонса и Пайка.

Станции

Торн Л. Мейс определил производство десяти пар 200 кВт Александерсон генераторов, в общей сложности 20 передатчиков, в период до 1924 года:
No. МестонахождениеПозывнойДлина волны (м)Частота (кГц)УстановленВыведен из эксплуатацииСписанПримечания1Нью-Брансуик, Нью-Джерси, СШАWII13,76121.86/191819481953Заменил генератор мощностью 50 кВт, установленный в феврале 19172WRT13,27422.62/1920194819533Марион, Массачусетс, СШАWQR13,42322.34/192019321961Заменил искровой передатчик Маркони с временной синхронизацией4WSO11,62825.87/192219321969На Хайку, Гавайи в 19425Болинас, Калифорния, СШАKET13,10022.910/192019301946Заменил искровой передатчик Маркони с временной синхронизацией6KET15,60019.2192119301969На Хайку, Гавайи в 19427Радиоцентр, Рокки-Пойнт, Нью-Йорк, СШАWQK16,48418.211/1921194819518WSS15,95718.819211948В Марион, Массачусетс в 1949. Позже – Смитсоновский институт.9Кахуку, Гавайи, СШАKGI16,12018.619201930193810KIE16,66718.019211930193811Такертон, Нью-Джерси, СШАWCI16,30418.43/192119481955Заменил генератор Гольдшмидта12WGG13,57522.119221948195513Кернарвон, Уэльс, ВеликобританияMUU14,11121.24/1921193914GLC9,59231.31921193915Варберг, ШвецияSAQ17,44217.2192419461960Первоначально 18.600 м, параллельное соединение16SAQ17,44217.219241946В рабочем состоянии. Сохранен в Гримтоне, Швеция.17Варшава, ПольшаAXO21,12714.212/1923Захвачен немецкой армией в сентябре 1939 года, станции были уничтожены в 1945 году18AXL18,29316.419231919Пернамбуку, Ресифи, Бразилияне был поставлен1927Поставлен в 1924 году, возвращен в Радиоцентр Рокки-Пойнт в 1926 году, поскольку были доступны более эффективные ламповые передатчики20не был поставлен1927

Военное использование США во время и после Второй мировой войны

Начиная с 1941 года, семь из двадцати оригинальных 200 кВт генераторов были введены в эксплуатацию ВМС и ВВС США:

No. LocationCallSignOriginalLocationNavyOperationAir ForceOperationScrapped1 Хайку, ГавайиМарион, Массачусетс (WSO)1942 19461947 195719692Болинас, Калифорния (KET)1942 19461947 195719693 Марион, МассачусетсМарион, Массачусетс (WQR)1941 19481949 195719614AFA2Radio Central (WSS)1949 1957Smithsonian5 Тукертон, Нью-ДжерсиТукертон, Нью-Джерси (WCI)1942 194819556 Тукертон, Нью-Джерси (WGG)1942 194819557Болинас, КалифорнияБолинас, Калифорния (KET)1942 19461946

Во время Второй мировой войны ВМС США осознали необходимость в надежных дальней связи на длинных волнах (ДВ) с Тихоокеанским флотом. На Гавайях в Хайку был построен новый объект, где были установлены два 200 кВт генератора Александерсона, перевезенных с материка. ВМС также использовали существующий передатчик в Болинасе, Калифорния, для связи в Тихом океане. Оба генератора в Хайку были проданы на металлолом в 1969 году, предположительно компании Kreger Company из Калифорнии. В конце 1940-х годов ВВС взяли под контроль объекты в Хайку и Марион, штат Массачусетс. ВВС обнаружили, что передачи на длинных волнах были более надежными, чем на коротких, при передаче информации о погоде арктическим исследователям, а также базам в Гренландии, Лабрадоре и Исландии. Два передатчика в Марион использовались до 1957 года. Один был списан в 1961 году, а другой, по сообщениям, был передан Бюро стандартов США и хранился на складе Смитсоновского института.

Дизайн

Альтернатор Александерсона работает аналогично генератору переменного тока, но генерирует ток более высокой частоты в диапазоне сверхнизких частот (СНЧ) радиочастотного спектра (VLF). Ротор не имеет проводящих обмоток или электрических соединений; он состоит из цельного диска из высокопрочной магнитной стали, в окружности которого прорезаны узкие пазы, образующие ряд узких "зубцов", выполняющих функцию магнитных полюсов. Пространство между зубцами заполнено немагнитным материалом для придания ротору гладкой поверхности и снижения аэродинамического сопротивления. Ротор приводится во вращение электродвигателем через повышающую коробку передач на высокой скорости. Принцип работы машины основан на переменной магнитной неохоте (аналогично звукоснимателю электрогитары), изменяющей магнитный поток, сцепляющий две катушки. Периферия ротора охватывается круглым статором из железа C-образного сечения, разделенным на узкие полюса, в количестве равном числу полюсов ротора, и содержащим два набора катушек. Один набор катушек питается постоянным током и создает магнитное поле в воздушном зазоре статора, проходящее осевым (боковым) направлением через ротор. При вращении ротора попеременно либо железный участок диска оказывается в зазоре между каждой парой полюсов статора, обеспечивая прохождение сильного магнитного потока, либо в зазоре статора находится немагнитный паз, пропускающий меньший магнитный поток. Таким образом, магнитный поток через статор изменяется синусоидально с высокой скоростью. Эти изменения потока индуцируют радиочастотное напряжение во втором наборе катушек статора. Катушки радиочастотного коллектора соединены между собой выходным трансформатором, вторичная обмотка которого подключена к антенной цепи. Модуляция или телеграфное ключирование радиочастотной энергии осуществлялось с помощью магнитного усилителя, который также использовался для амплитудной модуляции и передачи голоса. Частота тока, генерируемого альтернатором Александерсона в герцах, равна произведению числа полюсов ротора на число оборотов в секунду. Следовательно, для более высоких радиочастот требуется большее число полюсов, более высокая скорость вращения или и то, и другое. Альтернаторы Александерсона использовались для генерации радиоволн в диапазоне сверхнизких частот (СНЧ) для трансконтинентальной беспроводной связи. Типичный альтернатор с выходной частотой 100 кГц имел 300 полюсов и вращался со скоростью 20 000 оборотов в минуту (333 оборота в секунду). Для достижения высокой мощности зазор между ротором и статором поддерживался на уровне всего 1 мм. Изготовление прецизионных машин, вращающихся с такой высокой скоростью, представляло множество новых проблем, а передатчики Александерсона были громоздкими и очень дорогими.

Контроль частоты

Выходная частота передатчика пропорциональна скорости вращения ротора. Для поддержания постоянной частоты скорость вращения электродвигателя, приводящего его в движение, контролировалась с помощью контура обратной связи. В одном из методов образец выходного сигнала подается на высокодобротную резонансную цепь, чья резонансная частота немного выше выходной частоты. Частота генератора попадает на "склон" характеристики импеданса LC-контура, где импеданс быстро возрастает с увеличением частоты. Выходной сигнал LC-контура выпрямляется, и полученное напряжение сравнивается с постоянным опорным напряжением для формирования сигнала обратной связи, управляющего скоростью двигателя. Если выходная частота становится слишком высокой, импеданс, представляемый LC-контуром, увеличивается, и амплитуда ВЧ-сигнала, проходящего через LC-контур, уменьшается. Сигнал обратной связи на двигатель снижается, и двигатель замедляется. Таким образом, выходная частота генератора "синхронизируется" с резонансной частотой настроенной цепи. Устройства были разработаны для работы на длинах волн от 10 500 до 24 000 метров (28,57 до 12,5 кГц). Это достигалось за счет трех конструктивных параметров. Генераторы были изготовлены с 1220, 976 или 772 полюсами. Были доступны три редуктора с передаточными числами 2,675, 2,973 и 3,324, а двигатель с частотой вращения 900 об/мин работал при скольжении от 4% до 20%, обеспечивая скорости от 864 до 720 об/мин. Передатчики, установленные в Европе и работающие от сети 50 Гц, имели диапазон длин волн от 12 500 до 28 800 метров из-за более низкой скорости приводного двигателя.

Преимущества производительности

Большой генератор Александерсона мог выдавать 500 кВт радиочастотной энергии и охлаждался водой или маслом. Одна из таких машин имела 600 пар полюсов в обмотке статора, а ротор приводился в движение со скоростью 2170 об/мин, обеспечивая выходную частоту около 21,7 кГц. Для получения более высоких частот требовались более высокие скорости вращения ротора, вплоть до 20 000 об/мин. Наряду с дуговым преобразователем, изобретенным в 1903 году, генератор Александерсона был одним из первых радиопередатчиков, генерирующих непрерывные волны. В отличие от него, более ранние искровые передатчики генерировали серию затухающих волн. Они были электрически "шумными"; энергия передатчика распределялась по широкому диапазону частот, что приводило к помехам для других передач и неэффективной работе. В передатчике с непрерывными волнами вся энергия концентрировалась в узкой полосе частот, поэтому при той же выходной мощности можно было осуществлять связь на большие расстояния. Кроме того, непрерывные волны можно было модулировать звуковым сигналом для передачи звука. Генератор Александерсона был одним из первых передатчиков, использовавшихся для AM-вещания. Генератор Александерсона производил более "чистые" непрерывные волны, чем дуговой преобразователь, выходное напряжение которого имело несинусоидальную форму и генерировало значительные гармоники, поэтому генератор был предпочтительнее для дальней телеграфии.

Недостатки

Из-за чрезвычайно высокой скорости вращения по сравнению с обычным генератором, генератор Александерсона требовал постоянного обслуживания квалифицированным персоналом. Эффективная смазка и охлаждение маслом или водой были необходимы для обеспечения надежности, что было сложно достичь с использованием доступных в то время смазочных материалов. Фактически, ранние издания "Адмиралтейского справочника по беспроводной телеграфии" Королевского флота подробно рассматривают этот вопрос, в основном как объяснение того, почему военно-морской флот не использовал эту конкретную технологию. Однако ВМС США использовали её. Другими серьезными проблемами были длительный и сложный процесс изменения рабочей частоты, а также невозможность произвольного включения и выключения несущей частоты, в отличие от искрового передатчика. Последнее значительно затрудняло "прослушивание эфира" (то есть прекращение передачи для прослушивания ответа). Существовала также опасность обнаружения корабля вражескими судами. Из-за ограничений, связанных с количеством полюсов и скоростью вращения, генератор Александерсона способен генерировать частоты передачи до 600 кГц в нижней части среднего волнового диапазона, в то время как коротковолновые и более высокие частоты были физически недостижимы.