Державне загальноосвітній заклад вищої професійної освіти
Далекосхідний державний університет шляхів сполучення
Кафедра
«Електротехніки, електроніки та електромеханіки»
Реферат
На тему:
«Електрогенератори»
Хабаровськ 2009
1. Відкриття електромагнітної індукції
У 1820 році було відкрито взаємодія між електричним струмом, що протікає в провіднику, і магнітною стрілкою. Це явище було правильно пояснено та узагальнено французьким фізиком Ампером, який встановив, що магнітні властивості будь-якого тіла є наслідком того, що всередині нього протікають замкнуті електричні струми. (Або, кажучи сучасною мовою, будь-який електричний струм створює навколо провідника магнітне поле). Таким чином, будь-які магнітні взаємодії можна розглядати як наслідку електричних. Однак якщо електричний струм викликає магнітні явища, природно було припустити, що і магнітні явища можуть викликати появу електричного струму. Довгий час фізики в різних країнах намагалися виявити цю залежність, але зазнавали невдачі. Справді, якщо, наприклад, поруч з провідником або котушкою лежить постійний магніт, ніякого струму в провіднику не виникає. Але якщо ми почнемо переміщувати цей магніт: наближати або видаляти його від котушки, вводити і виймати магніт з неї, то електричний струм у провіднику з'являється, і його можна спостерігати протягом усього того періоду, під час якого магніт рухається. Тобто електричний струм може виникати тільки у змінному магнітному полі. Вперше цю важливу закономірність встановив у 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей.
Провівши серію дослідів, Фарадей відкрив, що електричний струм виникає (індукується) у всіх тих випадках, коли відбувається рух провідників відносно один одного або щодо магнітів. Якщо вводити магніт в котушку або що те ж саме, переміщати котушку щодо нерухомого магніту, в ній індукується струм. Якщо посувати одну котушку до іншої, через яку проходить електричний струм, в ній також з'являється струм. Того ж ефекту можна добитися при замиканні і розмиканні ланцюга, оскільки в момент включення і виключення струм наростає і зменшується в котушці поступово і створює навколо неї змінне магнітне поле. Тому якщо поблизу від такої котушки знаходиться інша, яка не включена в ланцюг, в ній виникає електричний струм.
Відкриття Фарадея мало величезні наслідки для техніки і всієї людської історії, так як тепер стало ясно, яким чином механічну енергію перетворювати в електричну, а електричну - назад в механічну. Перше з цих перетворень лягло в основу роботи електрогенератора, а друге - електродвигуна. Втім, сам факт відкриття ще не означав, що всі технічні завдання на цьому шляху дозволені: близько сорока років пішло на створення працездатного генератора і ще двадцять років на винахід задовільної моделі промислового електродвигуна. Але головне: принцип дії цих найважливіших елементів сучасної цивілізації став очевидний саме завдяки відкриттю явища електромагнітної індукції.
2. Перші примітивні електрогенератори
2.1 Генератор Фарадея
Перший примітивний електрогенератор створив сам Фарадей. Для цього він помістив мідний диск між полюсами N і S постійного магніту. При обертанні диска в магнітному полі в ньому наводились електричні струми. Якщо на периферії диска і в його центральній частині поміщали струмоприймачі у вигляді ковзних контактів, то між ними з'являлася різниця потенціалів, як на гальванічній батареї. Замикаючи ланцюг, можна було спостерігати на гальванометрі безперервне проходження струму.
2.2 Машина Пікс
Установка Фарадея годилася лише для демонстрацій, але слідом за нею з'явилися перші магнітоелектричні машини (так стали називати електрогенератори, в яких використовувалися постійні магніти), розраховані на створення працюючих струмів. Найбільш ранній з них була магнітоелектричні машина Пікс, сконструйована в 1832 році.
Принцип її дії був дуже простий: повз нерухомих, забезпечених сердечниками котушок рухалися за допомогою кривошипа і зубчастої передачі лежать проти їх полюси підковоподібного магніту, внаслідок чого в котушках индуцировали струми. Недоліком машини Пікс було те, що в ній доводилося обертати важкі постійні магніти. У подальшому винахідники зазвичай змушували обертатися котушки, залишаючи магніти нерухомими. Правда, при цьому доводилося вирішувати інше завдання: яким чином відвести в зовнішній ланцюг струм з обертових котушок? Це утруднення, однак, було легко переборно. Перш за все, котушки з'єднували між собою послідовно одними кінцями їх проведення. Тоді інші кінці могли служити полюсами генератора. Їх з'єднували з зовнішньої ланцюгом за допомогою ковзних контактів.
Він влаштований таким чином: на осі машини кріпилися два ізольованих металевих кільця, кожне з яких було пов'язане з одним з полюсів генератора. По колу цих кілець оберталися дві плоскі металеві пружини, на які була укладена зовнішня ланцюг. При такому пристосуванні вже не було ніяких труднощів від обертання осі машини - струм переходив з осі в пружину в місці їхнього зіткнення.
Ще одна незручність полягала в самому характері струму електрогенератора. Напрямок струму в котушках залежить від того, наближаються вони до полюса магніту або віддаляються від нього. З цього випливає, що струм, що виникає в обертовому провіднику, буде не постійним, а змінним. У міру наближення котушки до одного з полюсів магніту сила струму буде наростати від нуля до якогось максимального значення, а потім - у міру віддалення - знову зменшуватися до нуля. При подальшому русі струм змінить свій напрямок на протилежне і знову буде наростати до якогось максимального значення, а потім спадати до нуля. Під час наступних оборотів цей процес буде повторюватися. Отже, на відміну від електричної батареї, електрогенератор створює змінний струм.
2.3 Генератори «Альянс»
Електрогенератор переривчастого струму цілком міг замінити незручну у багатьох відношеннях гальванічну батарею, і тому викликав великий інтерес у тодішніх фізиків і підприємців. У 1856 році французька фірма «Альянс» навіть налагодила серійний випуск великих динамо-машин, Дехтяренко в дію від парового двигуна. У цих генераторах чавунна станина несла на собі нерухомо укріплені в кілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані рівномірно по колу і радіально по відношенню до валу. У проміжках між рядами магнітів на валу були встановлені несучі колеса з великим числом котушок. Також на валу був укріплений колектор з 16-ю металевими пластинами, ізольованими один від одного і від валу машини. Струм, що наводиться у котушках при обертанні валу, знімався з колектора за допомогою роликів. Одна така машина вимагала для свого приводу паровий двигун потужністю 6-10 к.с. Великим недоліком генераторів «Альянс» було те, що в них використовувалися постійні магніти. Так як магнітне дію сталевих магнітів порівняно невелика, то для отримання сильних струмів потрібно було брати великі магніти і у великому числі. Під дією вібрації сила цих магнітів швидко слабшала. Внаслідок всіх цих причин ККД машини завжди залишався дуже низьким. Але навіть з такими вадами генератори «Альянсу» набули значного поширення та панували на ринку протягом десяти років, поки з не витіснили більш досконалі машини.
2.4 Якір Сіменса
Перш за все, німецький винахідник Сіменс вдосконалив рухомі котушки і їх залізні сердечники. (Ці котушки з залізом всередині отримали назву «якоря» або «арматури»). Якір Сіменса у формі «подвійного Т» складався із залізного циліндра, в якому були прорізані з протилежних сторін два поздовжніх жолоба. У жолобах містилася ізольована дріт, яка накладалася в напрямі осі циліндра. Такий якір обертався між полюсами магніту, які тісно його обхоплювали. У порівнянні з іншими, новий якір представляв великі зручності. Перш за все, очевидно, що котушка у вигляді циліндра, що обертається навколо своєї осі, в механічному відношенні вигідніше котушки, насадженої на вал і вращавшейся разом з ним. По відношенню до магнітних дій якір Сіменса мав ту вигоду, що давав можливість дуже просто збільшити число діючих магнітів (для цього достатньо було подовжити якір і додати кілька нових магнітів). Машина з таким якорем давала набагато більш рівномірний струм, так як циліндр був щільно оточений полюсами магнітів. Але ці достоїнства не компенсували головного недоліку всіх магнітоелектричних машин - магнітне поле, як і раніше створювалося в генераторі за допомогою постійних магнітів.
3. Електромагніти. Принцип самозбудження
Перед багатьма винахідниками в середині XIX століття постало питання: чи не можна замінити незручні металеві магніти електричними? Проблема полягала в тому, що електромагніти самі споживали електричну енергію, і для їхнього порушення потрібна окрема батарея або, принаймні, окрема магнітоелектричні машина. Перший час здавалося, що без них неможливо обійтися. У 1866 році Вільде створив вдалу модель генератора, в якому металеві магніти були замінені електромагнітами, і їх збудження викликала магнітоелектричні машина з постійними магнітами, поєднана з тим же паровим двигуном, який приводив у рух велику машину . Звідси залишався тільки один крок до власне динамо-машині, яка збуджує електромагніти своїм власним струмом.
У тому ж 1866 року Вернер Сіменс відкрив принцип самозбудження. (Одночасно з ним те ж відкриття зробили деякі інші винахідники.) У січні 1867 року він виступив у Берлінській Академії з доповіддю «Про перетворення робочої сили в електричний струм без застосування постійних магнітів». У загальних рисах його відкриття полягало в наступному. Сіменс встановив, що в кожному електромагніті, після того як намагнічує струм переставав діяти, завжди залишалися невеликі сліди магнетизму, які були здатні викликати слабкі індукційні струми в котушці, забезпеченою сердечником з м'якого магнітного заліза і вращавшейся між полюсами магніту. Використовуючи ці слабкі струми, можна було привести генератор в дію без допомоги ззовні.
Перша динамо-машина, яка працювала за принципом самозбудження, була створена в 1867 році англійцем Леддом, але в ній ще передбачалася окрема котушка для порушення електромагнітів. Машина Ледда складалася з двох плоских електромагнітів, між кінцями яких крутилися два якорі Сіменса. Один з якорів давав струм для живлення електромагнітів, а інший - для зовнішньої ланцюга. Слабкий залишковий магнетизм сердечників електромагнітів спочатку порушував дуже слабкий струм в арматурі перший якоря; цей струм оббігав електромагніти та зміцнював вже наявне в них магнітне стан. Внаслідок цього посилювався в свою чергу струм в арматурі, а останній ще більше збільшував силу електромагнітів. Мало-помалу таке взаємне посилення йшло до тих пір, поки електромагніти не набували повної своєї сили. Тоді можна було привести в рух другий арматуру і отримати від неї струм для зовнішнього ланцюга.
4. Електрогенератори Грамма
Наступний крок у вдосконаленні динамо-машини був зроблений в тому напрямку, що зовсім усунули одну з арматур і скористалися інший не лише для порушення електромагнітів, але і для одержання струму в зовнішньому ланцюзі. Для цього потрібно було тільки провести струм з арматури в обмотку електромагніту, розрахувавши все так, щоб останній міг досягти повної своєї сили і направити той же струм в зовнішній ланцюг. Але при такому спрощенні конструкції якір Сіменса опинявся непридатним, тому що при швидкій зміні полярностей, в якорі порушувалися сильні паразитичні струми, залізо сердечників швидко розігрівалася, і це могло при великих струмах призвести до псування всієї машини. Необхідна була інша форма якоря, більш відповідала новому режиму роботи.
Вдале рішення проблеми було невдовзі знайдено бельгійським винахідником Зіновієм Теофілом Грамом. Він жив у Франції і служив у кампанії «Альянс» столярним майстром. Тут він познайомився з електрикою. Розмірковуючи над удосконаленням електрогенератора, Грам в кінці кінців прийшов до думки замінити якір Сіменса іншим, мають кільцеву форму. Важлива відмінність кільцевого якоря полягає в тому, що він не перемагнічується і має постійні полюса. (Г прийшов до свого відкриття самостійно, але треба сказати, що ще в 1860 р. італійський винахідник Пачінотті у Флоренції побудував електричний двигун з кільцеподібним якорем; втім, це відкриття незабаром було забуто.) Отже, вихідна точка пошуків Г. полягала в тому, щоб змусити обертатися всередині дротяної котушки залізне кільце, на якому наведені магнітні полюси і таким чином отримати рівномірний струм постійного напрямку.
У такому вигляді втілилася первісна модель електрогенератора. Однак вона виявилася непрацездатною. Як писав Грам в спогадах про свій винахід, тут з'явилася нова складність: кільце, на яке був намотаний провідник, сильно розігрівалася внаслідок того, що тут теж при швидкому обертанні генератора индуцировали струми. У результаті перегріву ізоляція раз у раз виходила з ладу. Ламаючи голову над тим, як уникнути цієї неприємності, Грам зрозумів, що залізний сердечник якоря не можна робити суцільним, так як в цьому випадку шкідливі струми виявляються занадто великими. Але розбивши сердечник на частини так, щоб утворилися розриви на шляху виникають струмів, можна було сильно зменшити їх шкідливу дію. Цього можна було добитися, виготовивши сердечник не із цільного шматка, а з дроту, накладаючи її у вигляді кільця і ретельно ізолюючи один шар від іншого. На це дротяне кільце потім навивається обмотка.
У цілому перша динамо-машина Г. являла собою дві залізні вертикальні стійки, з'єднані зверху і знизу стрижнями двох електромагнітів. Полюси цих електромагнітів знаходилися в їх середині, так що кожен з них був, як би складається з двох, однакові полюси яких були звернені один до одного. Можна розглядати цей пристрій інакше і вважати, що дві половини, прилеглі до кожної стійці і з'єднані нею, утворювали два окремих електромагніту, які з'єднувалися однойменними полюсами зверху і знизу. У тих місцях, де утворювався полюс, до електромагнітам були приєднані особливої форми залізні насадки, які входили у простір між електромагнітами і обхоплювали кільцеподібний якір машини. Дві стійки, що зв'язують обидва електромагніту і складали основу всієї машини, служили також для того, щоб тримати вісь якоря і шківи машини.
У 1870 році, отримавши патент на свій винахід, Грам утворив «Суспільство виробництва магнітоелектричних машин». Незабаром було налагоджено серійне виробництво його генераторів, які зробили справжню революцію в електроенергетиці. Володіючи всіма достоїнствами самопорушувані машин, вони разом з тим були економічні, мали високий ККД і забезпечували практично незмінний за величиною струм. Тому машини Грамма швидко витіснили інші електрогенератори й одержали широке поширення в найрізноманітніших галузях. Тоді тільки з'явилася можливість легко і швидко перетворювати механічну енергію в електрику.
Як вже говорилося, Грам створював свій генератор, як динамо-машину постійного струму. Але коли в кінці 70-х - початку 80-х років XIX століття різко зріс інтерес до змінного струму, йому не коштувало великої праці переробити його для виробництва змінного струму. Справді, для цього треба було тільки замінити колектор двома кільцями, по яких сковзають пружини. Спочатку генераторами змінного струму користувалися тільки при висвітленні, але з розвитком електрифікації вони стали отримувати все більше застосування і поступово витіснили машини постійного струму. Первісна конструкція генератора також зазнала значних змін. Перша машина Г. була двополюсної, але надалі стали застосовувати багатополюсні генератори, в яких обмотка якоря проходила при кожному оберті повз чотирьох, шести і більше поперемінно встановлених полюсів електромагніту. У цьому випадку струм, збуджувався не з двох сторін колеса, як раніше, але в кожній частині колеса, зверненої до полюса, і звідси відводився в зовнішній ланцюг. Таких місць (а відповідно і щіток) було стільки, скільки магнітних полюсів. Потім всі щітки позитивних полюсів зв'язувалися разом, тобто з'єднувалися паралельно. Точно так само чинили і з негативними щітками.
У міру збільшення потужності генераторів виникла нова проблема - яким чином зняти струм з обертового якоря з найменшими втратами. Справа в тому, що при великих струмах щітки починали іскрити. Крім великих втрат електроенергії, це справляло шкідливий вплив на роботу генератора. Тоді Грам порахував раціональним повернутися до самої ранньої конструкції електрогенератора, застосованої в машині Пікс: він зробив арматуру нерухомою, а обертатися змусив електромагніти, адже зняти струм з нерухомою обмотки було простіше. Він помістив котушки якоря на залізному нерухомому кільці і змусив електромагніти обертатися всередині нього. Окремі котушки він пов'язав між собою так, щоб всі ті котушки, які в даний момент піддавалися однаковому дії електромагнітів, були з'єднані послідовно. Таким чином, Г. розбив всі котушки на кілька груп і кожну групу вжив для доставляння струму в окрему самостійну ланцюг. Однак збуджуючі струм електромагніти необхідно було живити постійним струмом, так як змінний струм не міг викликати в них незмінною полярності. Тому при кожному генераторі змінного струму необхідно було мати невеликий генератор постійного струму, звідки струм підводився до електромагнітам за допомогою ковзних контактів.
Список літератури
1. Рейд С., Фара П., Еверетт Ф. Історія відкриттів (енциклопедія). Переклад з англ. Голова А.М. - М.: Росмен, 1997.
2. Ю.В. Селезньов - Методи та пристрої магнітних і електричних вимірювань
3. Ю.Н. Маслов Магнітні вимірювання та прилади
Далекосхідний державний університет шляхів сполучення
Кафедра
«Електротехніки, електроніки та електромеханіки»
Реферат
На тему:
«Електрогенератори»
Хабаровськ 2009
1. Відкриття електромагнітної індукції
У 1820 році було відкрито взаємодія між електричним струмом, що протікає в провіднику, і магнітною стрілкою. Це явище було правильно пояснено та узагальнено французьким фізиком Ампером, який встановив, що магнітні властивості будь-якого тіла є наслідком того, що всередині нього протікають замкнуті електричні струми. (Або, кажучи сучасною мовою, будь-який електричний струм створює навколо провідника магнітне поле). Таким чином, будь-які магнітні взаємодії можна розглядати як наслідку електричних. Однак якщо електричний струм викликає магнітні явища, природно було припустити, що і магнітні явища можуть викликати появу електричного струму. Довгий час фізики в різних країнах намагалися виявити цю залежність, але зазнавали невдачі. Справді, якщо, наприклад, поруч з провідником або котушкою лежить постійний магніт, ніякого струму в провіднику не виникає. Але якщо ми почнемо переміщувати цей магніт: наближати або видаляти його від котушки, вводити і виймати магніт з неї, то електричний струм у провіднику з'являється, і його можна спостерігати протягом усього того періоду, під час якого магніт рухається. Тобто електричний струм може виникати тільки у змінному магнітному полі. Вперше цю важливу закономірність встановив у 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей.
Провівши серію дослідів, Фарадей відкрив, що електричний струм виникає (індукується) у всіх тих випадках, коли відбувається рух провідників відносно один одного або щодо магнітів. Якщо вводити магніт в котушку або що те ж саме, переміщати котушку щодо нерухомого магніту, в ній індукується струм. Якщо посувати одну котушку до іншої, через яку проходить електричний струм, в ній також з'являється струм. Того ж ефекту можна добитися при замиканні і розмиканні ланцюга, оскільки в момент включення і виключення струм наростає і зменшується в котушці поступово і створює навколо неї змінне магнітне поле. Тому якщо поблизу від такої котушки знаходиться інша, яка не включена в ланцюг, в ній виникає електричний струм.
Відкриття Фарадея мало величезні наслідки для техніки і всієї людської історії, так як тепер стало ясно, яким чином механічну енергію перетворювати в електричну, а електричну - назад в механічну. Перше з цих перетворень лягло в основу роботи електрогенератора, а друге - електродвигуна. Втім, сам факт відкриття ще не означав, що всі технічні завдання на цьому шляху дозволені: близько сорока років пішло на створення працездатного генератора і ще двадцять років на винахід задовільної моделі промислового електродвигуна. Але головне: принцип дії цих найважливіших елементів сучасної цивілізації став очевидний саме завдяки відкриттю явища електромагнітної індукції.
2. Перші примітивні електрогенератори
2.1 Генератор Фарадея
Перший примітивний електрогенератор створив сам Фарадей. Для цього він помістив мідний диск між полюсами N і S постійного магніту. При обертанні диска в магнітному полі в ньому наводились електричні струми. Якщо на периферії диска і в його центральній частині поміщали струмоприймачі у вигляді ковзних контактів, то між ними з'являлася різниця потенціалів, як на гальванічній батареї. Замикаючи ланцюг, можна було спостерігати на гальванометрі безперервне проходження струму.
2.2 Машина Пікс
Установка Фарадея годилася лише для демонстрацій, але слідом за нею з'явилися перші магнітоелектричні машини (так стали називати електрогенератори, в яких використовувалися постійні магніти), розраховані на створення працюючих струмів. Найбільш ранній з них була магнітоелектричні машина Пікс, сконструйована в 1832 році.
Принцип її дії був дуже простий: повз нерухомих, забезпечених сердечниками котушок рухалися за допомогою кривошипа і зубчастої передачі лежать проти їх полюси підковоподібного магніту, внаслідок чого в котушках индуцировали струми. Недоліком машини Пікс було те, що в ній доводилося обертати важкі постійні магніти. У подальшому винахідники зазвичай змушували обертатися котушки, залишаючи магніти нерухомими. Правда, при цьому доводилося вирішувати інше завдання: яким чином відвести в зовнішній ланцюг струм з обертових котушок? Це утруднення, однак, було легко переборно. Перш за все, котушки з'єднували між собою послідовно одними кінцями їх проведення. Тоді інші кінці могли служити полюсами генератора. Їх з'єднували з зовнішньої ланцюгом за допомогою ковзних контактів.
Він влаштований таким чином: на осі машини кріпилися два ізольованих металевих кільця, кожне з яких було пов'язане з одним з полюсів генератора. По колу цих кілець оберталися дві плоскі металеві пружини, на які була укладена зовнішня ланцюг. При такому пристосуванні вже не було ніяких труднощів від обертання осі машини - струм переходив з осі в пружину в місці їхнього зіткнення.
Ще одна незручність полягала в самому характері струму електрогенератора. Напрямок струму в котушках залежить від того, наближаються вони до полюса магніту або віддаляються від нього. З цього випливає, що струм, що виникає в обертовому провіднику, буде не постійним, а змінним. У міру наближення котушки до одного з полюсів магніту сила струму буде наростати від нуля до якогось максимального значення, а потім - у міру віддалення - знову зменшуватися до нуля. При подальшому русі струм змінить свій напрямок на протилежне і знову буде наростати до якогось максимального значення, а потім спадати до нуля. Під час наступних оборотів цей процес буде повторюватися. Отже, на відміну від електричної батареї, електрогенератор створює змінний струм.
2.3 Генератори «Альянс»
Електрогенератор переривчастого струму цілком міг замінити незручну у багатьох відношеннях гальванічну батарею, і тому викликав великий інтерес у тодішніх фізиків і підприємців. У 1856 році французька фірма «Альянс» навіть налагодила серійний випуск великих динамо-машин, Дехтяренко в дію від парового двигуна. У цих генераторах чавунна станина несла на собі нерухомо укріплені в кілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані рівномірно по колу і радіально по відношенню до валу. У проміжках між рядами магнітів на валу були встановлені несучі колеса з великим числом котушок. Також на валу був укріплений колектор з 16-ю металевими пластинами, ізольованими один від одного і від валу машини. Струм, що наводиться у котушках при обертанні валу, знімався з колектора за допомогою роликів. Одна така машина вимагала для свого приводу паровий двигун потужністю 6-10 к.с. Великим недоліком генераторів «Альянс» було те, що в них використовувалися постійні магніти. Так як магнітне дію сталевих магнітів порівняно невелика, то для отримання сильних струмів потрібно було брати великі магніти і у великому числі. Під дією вібрації сила цих магнітів швидко слабшала. Внаслідок всіх цих причин ККД машини завжди залишався дуже низьким. Але навіть з такими вадами генератори «Альянсу» набули значного поширення та панували на ринку протягом десяти років, поки з не витіснили більш досконалі машини.
2.4 Якір Сіменса
Перш за все, німецький винахідник Сіменс вдосконалив рухомі котушки і їх залізні сердечники. (Ці котушки з залізом всередині отримали назву «якоря» або «арматури»). Якір Сіменса у формі «подвійного Т» складався із залізного циліндра, в якому були прорізані з протилежних сторін два поздовжніх жолоба. У жолобах містилася ізольована дріт, яка накладалася в напрямі осі циліндра. Такий якір обертався між полюсами магніту, які тісно його обхоплювали. У порівнянні з іншими, новий якір представляв великі зручності. Перш за все, очевидно, що котушка у вигляді циліндра, що обертається навколо своєї осі, в механічному відношенні вигідніше котушки, насадженої на вал і вращавшейся разом з ним. По відношенню до магнітних дій якір Сіменса мав ту вигоду, що давав можливість дуже просто збільшити число діючих магнітів (для цього достатньо було подовжити якір і додати кілька нових магнітів). Машина з таким якорем давала набагато більш рівномірний струм, так як циліндр був щільно оточений полюсами магнітів. Але ці достоїнства не компенсували головного недоліку всіх магнітоелектричних машин - магнітне поле, як і раніше створювалося в генераторі за допомогою постійних магнітів.
3. Електромагніти. Принцип самозбудження
Перед багатьма винахідниками в середині XIX століття постало питання: чи не можна замінити незручні металеві магніти електричними? Проблема полягала в тому, що електромагніти самі споживали електричну енергію, і для їхнього порушення потрібна окрема батарея або, принаймні, окрема магнітоелектричні машина. Перший час здавалося, що без них неможливо обійтися. У 1866 році Вільде створив вдалу модель генератора, в якому металеві магніти були замінені електромагнітами, і їх збудження викликала магнітоелектричні машина з постійними магнітами, поєднана з тим же паровим двигуном, який приводив у рух велику машину . Звідси залишався тільки один крок до власне динамо-машині, яка збуджує електромагніти своїм власним струмом.
У тому ж 1866 року Вернер Сіменс відкрив принцип самозбудження. (Одночасно з ним те ж відкриття зробили деякі інші винахідники.) У січні 1867 року він виступив у Берлінській Академії з доповіддю «Про перетворення робочої сили в електричний струм без застосування постійних магнітів». У загальних рисах його відкриття полягало в наступному. Сіменс встановив, що в кожному електромагніті, після того як намагнічує струм переставав діяти, завжди залишалися невеликі сліди магнетизму, які були здатні викликати слабкі індукційні струми в котушці, забезпеченою сердечником з м'якого магнітного заліза і вращавшейся між полюсами магніту. Використовуючи ці слабкі струми, можна було привести генератор в дію без допомоги ззовні.
Перша динамо-машина, яка працювала за принципом самозбудження, була створена в 1867 році англійцем Леддом, але в ній ще передбачалася окрема котушка для порушення електромагнітів. Машина Ледда складалася з двох плоских електромагнітів, між кінцями яких крутилися два якорі Сіменса. Один з якорів давав струм для живлення електромагнітів, а інший - для зовнішньої ланцюга. Слабкий залишковий магнетизм сердечників електромагнітів спочатку порушував дуже слабкий струм в арматурі перший якоря; цей струм оббігав електромагніти та зміцнював вже наявне в них магнітне стан. Внаслідок цього посилювався в свою чергу струм в арматурі, а останній ще більше збільшував силу електромагнітів. Мало-помалу таке взаємне посилення йшло до тих пір, поки електромагніти не набували повної своєї сили. Тоді можна було привести в рух другий арматуру і отримати від неї струм для зовнішнього ланцюга.
4. Електрогенератори Грамма
Наступний крок у вдосконаленні динамо-машини був зроблений в тому напрямку, що зовсім усунули одну з арматур і скористалися інший не лише для порушення електромагнітів, але і для одержання струму в зовнішньому ланцюзі. Для цього потрібно було тільки провести струм з арматури в обмотку електромагніту, розрахувавши все так, щоб останній міг досягти повної своєї сили і направити той же струм в зовнішній ланцюг. Але при такому спрощенні конструкції якір Сіменса опинявся непридатним, тому що при швидкій зміні полярностей, в якорі порушувалися сильні паразитичні струми, залізо сердечників швидко розігрівалася, і це могло при великих струмах призвести до псування всієї машини. Необхідна була інша форма якоря, більш відповідала новому режиму роботи.
Вдале рішення проблеми було невдовзі знайдено бельгійським винахідником Зіновієм Теофілом Грамом. Він жив у Франції і служив у кампанії «Альянс» столярним майстром. Тут він познайомився з електрикою. Розмірковуючи над удосконаленням електрогенератора, Грам в кінці кінців прийшов до думки замінити якір Сіменса іншим, мають кільцеву форму. Важлива відмінність кільцевого якоря полягає в тому, що він не перемагнічується і має постійні полюса. (Г прийшов до свого відкриття самостійно, але треба сказати, що ще в 1860 р. італійський винахідник Пачінотті у Флоренції побудував електричний двигун з кільцеподібним якорем; втім, це відкриття незабаром було забуто.) Отже, вихідна точка пошуків Г. полягала в тому, щоб змусити обертатися всередині дротяної котушки залізне кільце, на якому наведені магнітні полюси і таким чином отримати рівномірний струм постійного напрямку.
У такому вигляді втілилася первісна модель електрогенератора. Однак вона виявилася непрацездатною. Як писав Грам в спогадах про свій винахід, тут з'явилася нова складність: кільце, на яке був намотаний провідник, сильно розігрівалася внаслідок того, що тут теж при швидкому обертанні генератора индуцировали струми. У результаті перегріву ізоляція раз у раз виходила з ладу. Ламаючи голову над тим, як уникнути цієї неприємності, Грам зрозумів, що залізний сердечник якоря не можна робити суцільним, так як в цьому випадку шкідливі струми виявляються занадто великими. Але розбивши сердечник на частини так, щоб утворилися розриви на шляху виникають струмів, можна було сильно зменшити їх шкідливу дію. Цього можна було добитися, виготовивши сердечник не із цільного шматка, а з дроту, накладаючи її у вигляді кільця і ретельно ізолюючи один шар від іншого. На це дротяне кільце потім навивається обмотка.
У цілому перша динамо-машина Г. являла собою дві залізні вертикальні стійки, з'єднані зверху і знизу стрижнями двох електромагнітів. Полюси цих електромагнітів знаходилися в їх середині, так що кожен з них був, як би складається з двох, однакові полюси яких були звернені один до одного. Можна розглядати цей пристрій інакше і вважати, що дві половини, прилеглі до кожної стійці і з'єднані нею, утворювали два окремих електромагніту, які з'єднувалися однойменними полюсами зверху і знизу. У тих місцях, де утворювався полюс, до електромагнітам були приєднані особливої форми залізні насадки, які входили у простір між електромагнітами і обхоплювали кільцеподібний якір машини. Дві стійки, що зв'язують обидва електромагніту і складали основу всієї машини, служили також для того, щоб тримати вісь якоря і шківи машини.
У 1870 році, отримавши патент на свій винахід, Грам утворив «Суспільство виробництва магнітоелектричних машин». Незабаром було налагоджено серійне виробництво його генераторів, які зробили справжню революцію в електроенергетиці. Володіючи всіма достоїнствами самопорушувані машин, вони разом з тим були економічні, мали високий ККД і забезпечували практично незмінний за величиною струм. Тому машини Грамма швидко витіснили інші електрогенератори й одержали широке поширення в найрізноманітніших галузях. Тоді тільки з'явилася можливість легко і швидко перетворювати механічну енергію в електрику.
Як вже говорилося, Грам створював свій генератор, як динамо-машину постійного струму. Але коли в кінці 70-х - початку 80-х років XIX століття різко зріс інтерес до змінного струму, йому не коштувало великої праці переробити його для виробництва змінного струму. Справді, для цього треба було тільки замінити колектор двома кільцями, по яких сковзають пружини. Спочатку генераторами змінного струму користувалися тільки при висвітленні, але з розвитком електрифікації вони стали отримувати все більше застосування і поступово витіснили машини постійного струму. Первісна конструкція генератора також зазнала значних змін. Перша машина Г. була двополюсної, але надалі стали застосовувати багатополюсні генератори, в яких обмотка якоря проходила при кожному оберті повз чотирьох, шести і більше поперемінно встановлених полюсів електромагніту. У цьому випадку струм, збуджувався не з двох сторін колеса, як раніше, але в кожній частині колеса, зверненої до полюса, і звідси відводився в зовнішній ланцюг. Таких місць (а відповідно і щіток) було стільки, скільки магнітних полюсів. Потім всі щітки позитивних полюсів зв'язувалися разом, тобто з'єднувалися паралельно. Точно так само чинили і з негативними щітками.
У міру збільшення потужності генераторів виникла нова проблема - яким чином зняти струм з обертового якоря з найменшими втратами. Справа в тому, що при великих струмах щітки починали іскрити. Крім великих втрат електроенергії, це справляло шкідливий вплив на роботу генератора. Тоді Грам порахував раціональним повернутися до самої ранньої конструкції електрогенератора, застосованої в машині Пікс: він зробив арматуру нерухомою, а обертатися змусив електромагніти, адже зняти струм з нерухомою обмотки було простіше. Він помістив котушки якоря на залізному нерухомому кільці і змусив електромагніти обертатися всередині нього. Окремі котушки він пов'язав між собою так, щоб всі ті котушки, які в даний момент піддавалися однаковому дії електромагнітів, були з'єднані послідовно. Таким чином, Г. розбив всі котушки на кілька груп і кожну групу вжив для доставляння струму в окрему самостійну ланцюг. Однак збуджуючі струм електромагніти необхідно було живити постійним струмом, так як змінний струм не міг викликати в них незмінною полярності. Тому при кожному генераторі змінного струму необхідно було мати невеликий генератор постійного струму, звідки струм підводився до електромагнітам за допомогою ковзних контактів.
Список літератури
1. Рейд С., Фара П., Еверетт Ф. Історія відкриттів (енциклопедія). Переклад з англ. Голова А.М. - М.: Росмен, 1997.
2. Ю.В. Селезньов - Методи та пристрої магнітних і електричних вимірювань
3. Ю.Н. Маслов Магнітні вимірювання та прилади