Gramme machine

Введение

Электрогенератор, производящий постоянный ток Машины Грамма, кольца Грамма, магнита Грамма или динамо Грамма - электрический генератор, производящий постоянный ток, названный в честь его бельгийского изобретателя Зеноба Грамма, и был построен как динамо или магнито. Это был первый генератор, который производил электричество в коммерческих масштабах для промышленности. Вдохновленный машиной, изобретенной Антонио Пачинотти в 1860 году, Грамме был разработчиком нового индукционного ротора в виде кольца, обернутого проводом (кольцо Грамме), и продемонстрировал этот аппарат Академии наук в Париже в 1871 году. Хотя он был популярен в электрических машинах 19-го века, принцип обмотки Грамма больше не используется, поскольку он делает неэффективное использование проводников. Часть обмотки на внутренней стороне кольца не сокращает потока и не способствует преобразованию энергии в машине. Намотка требует в два раза большего количества поворотов и в два раза большего количества коммутаторных стержней, чем эквивалентная барабанная арматура.

Описание

Машины Грамма использовали кольцевую арматуру с рядом арматурных катушек, обмотанных вокруг вращающегося кольца из мягкого железа. Коечки соединены последовательно, а соединение между каждой парой соединено с коммутатором, на котором работают две щетки. Постоянные магниты намагничивают мягкое железное кольцо, создавая магнитное поле, которое вращается вокруг катушек в порядке, когда вращается арматура. Это вызывает напряжение в двух катушках на противоположных сторонах арматуры, которое отбирается щетками. Ранние электромагнитные машины пропускали магнит возле полюсов одного или двух электромагнитов или вращались на дубле T в статическом магнитном поле, создавая кратковременные шипы или импульсы постоянного тока, в результате чего получался переходный выход низкой средней мощности, а не постоянный выход высокой средней мощности. При наличии более чем нескольких катушек на кольцевой арматуре Грамма, получаемая волновая форма напряжения практически постоянна, таким образом, обеспечивая почти постоянный ток. Для этого типа машины нужны только электромагниты, создающие магнитное поле, чтобы стать современным генератором.

Изобретение современного электродвигателя

Во время демонстрации на промышленной выставке в Вене в 1873 году Грамм случайно обнаружил, что это устройство, если оно снабжено постоянным напряжением, будет действовать как электродвигатель. Партнер Грамма, Ипполит Фонтен, небрежно подключил к другим динамо, которое производило электричество, терминалы машины Грамма, и ее вал начал вращаться. Машина Грамма была первым мощным электродвигателем, который был полезен не только как игрушка или лабораторная любознательность. Сегодня некоторые элементы этой конструкции составляют основу почти всех электродвигателей постоянного тока. Использование Грамме нескольких коммутаторных контактов с несколькими перекрывающимися катушками и его инновация использования кольцевой арматуры было улучшением более ранних динамо и помогло начать разработку крупномасштабных электрических устройств. Ранние конструкции электродвигателей были печально известны своей неэффективностью, потому что у них были большие или очень большие воздушные зазоры на протяжении большей части вращения их роторов. Длинные воздушные пробелы создают слабые силы, в результате чего низкий крутящий момент. Устройство под названием "мотор Сент-Луиса" (по-прежнему доступно в научных магазинах), хотя и не предназначено для этого, явно демонстрирует эту большую неэффективность и серьезно вводит в заблуждение студентов относительно того, как работают настоящие двигатели. Эти ранние неэффективные конструкции, по-видимому, были основаны на наблюдении за тем, как магниты притягивали ферромагнитные материалы (такие как железо и сталь) с некоторого расстояния. В XIX веке инженеры-электрики не осознали важность небольших воздушных проемов. Однако кольцо Грамма имеет сравнительно небольшой воздушный зазор, что повышает его эффективность. (На верхнем рисунке большой кусок, похожий на обруч, представляет собой ламинированный постоянный магнит; кольцо Грамма довольно трудно увидеть у основания обруча.)

Принцип действия

На этой иллюстрации показаны упрощенный один полюс, один катушка кольца Грамме и график тока, производимого, когда кольцо вращается один оборот. Хотя ни одно устройство не использует такой конструкции, эта схема является основой для лучшего понимания следующих иллюстраций. Однополюсное кольцо с двумя катушками. Вторая катушка на противоположной стороне кольца проводят параллельно с первой. Поскольку нижняя катушка ориентирована противоположно верхней катушке, но обе они погружены в одно и то же магнитное поле, точный ток образует кольцо через концы кисти.]] Двухполюсное, четырехкольцевое кольцо Грамме. Коечки А и А' соединяются, как и коечки В и В', создавая два импульса мощности, на 90° отклоненные друг от друга. При этом, если в катушке A и A' максимальная мощность, то в катушке B и B' нулевая мощность. (включая: "включатель" и "включатель" для "включателя"); В то время как кольцо Грамма позволяло более стабильную выходную мощность, оно страдало от технической неэффективности конструкции из-за того, как магнитные линии силы проходят через кольцевую арматуру. Линии поля, как правило, концентрируются внутри и следуют за поверхностным металлом кольца на другую сторону, при этом относительно мало линий силы проникают внутрь кольца. Следовательно, внутренние обмотки каждой маленькой катушки минимально эффективны в производстве энергии, потому что они разрезают очень мало силовых линий по сравнению с обмотками на внешней стороне кольца. Внутренние обмотки фактически являются мертвыми проводами и только добавляют сопротивление цепи, снижая эффективность. Первоначальные попытки вставить стационарную катушку в центр кольца, чтобы помочь линиям проникнуть в центр, оказались слишком сложными для инженера. Кроме того, если линии проникают внутрь кольца, любая изготовленная э.м.ф. будет противопоставлена э.м.ф. со стороны кольца, потому что проволока внутри была ориентирована в противоположном направлении от внешней, поворачиваясь на 180 градусов, когда она была накручена. В конце концов было обнаружено, что более эффективно обернуть одну петлю проволоки по внешней стороне кольца и просто не пропускать какую-либо часть петли через внутреннюю часть. Это также уменьшает сложность конструкции, поскольку одна большая обмотка, охватывающая ширину кольца, может занять место двух меньших обмотков на противоположных сторонах кольца. Все современные арматуры используют этот внешне обернутый (барабанный) дизайн, хотя обмотки не распространяются полностью по диаметру; они больше похожи на аккорды круга, в геометрических терминах. Соседствующие обмотки перекрываются, как это видно практически в любом современном роторе двигателя или генератора, имеющих коммутатор. Кроме того, обмотки помещаются в слоты с округленной формой (как видно с конца ротора). На поверхности ротора отверстия имеют только ту ширину, которая необходима для прохождения изолированной проволоки через них при намотке катушек. В то время как полые кольца теперь могут быть заменены на твердое цилиндрическое ядро или барабан, кольцо по-прежнему оказывается более эффективной конструкцией, потому что в твердом ядре линии поля концентрируются в тонкой области поверхности и минимально проникают в центр. Для очень большой силовой арматуры диаметром несколько футов, использование полой кольцевой арматуры требует гораздо меньше металла и легче, чем арматура с твердым ядром барабана. Полый центр кольца также обеспечивает путь для вентиляции и охлаждения в высокомощных приложениях. В небольших арматурах твердый барабан часто используется просто для упрощения конструкции, так как ядро может быть легко сформировано из стека штампованных металлических дисков, запертых для замыкания в щель на вале.

This illustration shows a simplified one pole, one coil Gramme ring and a graph of the current produced as the ring spins one revolution. While no actual device uses this exact design, this diagram is a building block to better understand the next illustrations. A one pole, two coil Gramme ring. The second coil on the opposite side of the ring is wired in parallel with the first. Because the bottom coil is oriented opposite of the top coil, but both are immersed in the same magnetic field, the current forms a ring across the brush terminals.]] A two pole, four coil Gramme ring. The coils of A and A' sum together, as do the coils of B and B', producing two pulses of power 90° out of phase with each other. When coils A and A' are at maximum output, coils B and B' are at zero output.]] A three pole, six coil Gramme ring, and a graph of the combined three poles, each 120° out of phase from the other and summing together.]] While the Gramme ring permitted a more steady power output, it suffered from a technical design inefficiency due to how magnetic lines of force pass through a ring armature. The field lines tend to concentrate within and follow the surface metal of the ring to the other side, with relatively few lines of force penetrating into the interior of the ring. Consequently, the interior windings of each small coil are minimally effective at producing power because they cut very few lines of force compared with the windings on the exterior of the ring. The interior windings are effectively dead wire and only add resistance to the circuit, lowering efficiency. Initial attempts to insert a stationary field coil within the center of the ring to help the lines penetrate into the center proved too complex to engineer. Further, if the lines did penetrate the interior of the ring any e. m. f. produced would have opposed the e. m. f. from the outside of the ring because the wire on the inside was orientated in the opposite direction to that on the outside having turned through 180 degrees as it was wound. Eventually it was found to be more efficient to wrap a single loop of wire across the exterior of the ring and simply not have any part of the loop pass through the interior. This also reduces construction complexity since one large winding spanning the width of the ring is able to take the place of two smaller windings on opposite sides of the ring. All modern armatures use this externally wrapped (drum) design, although the windings do not extend fully across the diameter; they are more akin to chords of a circle, in geometrical terms. Neighboring windings overlap, as can be seen in almost any modern motor or generator rotor that has a commutator. In addition, windings are placed into slots with a rounded shape (as seen from the end of the rotor). At the surface of the rotor, the slots are only as wide as needed to permit the insulated wire to pass through them while winding the coils. While the hollow ring could now be replaced with a solid cylindrical core or drum, the ring still proves to be a more efficient design, because in a solid core the field lines concentrate in a thin surface region and minimally penetrate the center. For a very large power generation armature several feet in diameter, using a hollow ring armature requires far less metal and is lighter than a solid core drum armature. The hollow center of the ring also provides a path for ventilation and cooling in high power applications. In small armatures a solid drum is often used simply for ease of construction, since the core can be easily formed from a stack of stamped metal disks keyed to lock into a slot on the shaft.