Генератор Александерсона — это вращающаяся машина , разработанная Эрнстом Александерсоном в 1904 году для генерации переменного тока высокой частоты для использования в качестве радиопередатчика . Это было одно из первых устройств, способных генерировать непрерывные радиоволны , необходимые для передачи амплитудно-модулированных (АМ) сигналов по радио. Он использовался примерно с 1910 года на нескольких «сверхмощных» длинноволновых радиотелеграфных станциях для передачи трансокеанских сообщений с помощью кода Морзе на аналогичные станции по всему миру.
Хотя в начале 1920-х годов он был вытеснен развитием передатчиков на вакуумных лампах , генератор Александерсона продолжал использоваться до Второй мировой войны . Он находится в списке IEEE Milestones как ключевое достижение в области электротехники . [1]
После открытия радиоволн в 1887 году первое поколение радиопередатчиков , передатчики с искровым зазором , производили строки затухающих волн , импульсы радиоволн, которые быстро затухали до нуля. К 1890-м годам стало понятно, что затухающие волны имеют недостатки: их энергия была распределена по широкому диапазону частот , поэтому передатчики на разных частотах мешали друг другу, и их нельзя было модулировать аудиосигналом для передачи звука. Были предприняты попытки изобрести передатчики, которые производили бы непрерывные волны — синусоидальный переменный ток на одной частоте.
В лекции 1891 года Фредерик Томас Траутон указал, что если электрический генератор переменного тока будет работать с достаточно большой частотой цикла (то есть, если он будет вращаться достаточно быстро и будет иметь достаточно большое количество магнитных полюсов на якоре), он будет генерировать непрерывные волны на радиочастоте. [2] Начиная с Элиу Томсона в 1889 году, [3] [4] [5] [6] ряд исследователей построили высокочастотные генераторы переменного тока: Никола Тесла [7] [8] (1891, 15 кГц), Саломонс и Пайк [8] (1891, 9 кГц), Парсонс и Юинг (1892, 14 кГц), Сименс [8] (5 кГц), Б. Г. Ламме [8] (1902, 10 кГц), но никто не смог достичь частот, необходимых для радиопередачи, выше 20 кГц. [5]
В 1904 году Реджинальд Фессенден заключил контракт с General Electric на генератор переменного тока, который генерировал частоту 100 000 герц [ требуется ссылка ] для непрерывной радиоволны. Генератор переменного тока был разработан Эрнстом Александерссоном . Генератор переменного тока Александерссона широко использовался для длинноволновой радиосвязи береговыми станциями, но был слишком большим и тяжелым для установки на большинстве кораблей. В 1906 году были поставлены первые 50-киловаттные генераторы переменного тока. Один был передан Реджинальду Фессендену в Брант-Рок, Массачусетс , другой — Джону Хейсу Хаммонду-младшему в Глостер, Массачусетс, и еще один — компании American Marconi в Нью-Брансуике, Нью-Джерси .
В 1911 году Александерсон получил патент на свое устройство. Генератор Александера последовал за ротационным искровым разрядником Фессендена в качестве второго радиопередатчика, который модулировался для передачи человеческого голоса. До изобретения ламповых (ламповых) генераторов в 1913 году, таких как генератор Армстронга , генератор Александера был важным мощным радиопередатчиком и позволял осуществлять амплитудную модуляцию радиопередачи человеческого голоса. Последний оставшийся работоспособным генератор Александера находится на ОНЧ-передатчике Гриметон в Швеции и находился в регулярной эксплуатации до 1996 года. Он продолжает работать в течение нескольких минут в День Александера , который приходится либо на последнее воскресенье июня, либо на первое воскресенье июля каждого года.
Начало Первой мировой войны заставило европейские страны временно отказаться от разработки международных сетей радиосвязи, в то время как Соединенные Штаты активизировали усилия по развитию трансокеанского радио. К концу войны генератор переменного тока Alexanderson работал, надежно обеспечивая трансокеанское радиообслуживание. Британский Marconi предложил General Electric 5000 долларов в обмен на эксклюзивные права на использование генератора переменного тока, но как раз в тот момент, когда сделка должна была состояться, американский президент Вудро Вильсон потребовал, чтобы GE отклонила предложение, которое дало бы британцам (которые были лидером в области подводных кабелей связи ) господство над мировой радиосвязью. GE выполнила просьбу и объединилась с American Telephone and Telegraph (AT&T), United Fruit Company , Western Electric Company и Westinghouse Electric and Manufacturing Company, чтобы сформировать Radio Corporation of America (RCA), впервые предоставив американским компаниям контроль над американским радио. [9]
Торн Л. Мейес определил производство десяти пар генераторов Alexanderson мощностью 200 кВт, в общей сложности 20 передатчиков, в период до 1924 года: [10] [11]
Начиная с 1941 года, семь из двадцати оригинальных генераторов переменного тока мощностью 200 кВт были введены в эксплуатацию ВМС и ВВС США: [12]
Во время Второй мировой войны ВМС США осознали необходимость надежных дальних длинноволновых (ОНЧ) передач для Тихоокеанского флота. Новый объект был построен в Хайку на Гавайях, где были установлены два 200-киловаттных генератора Alexanderson, привезенных с материка. ВМС также эксплуатировали существующий передатчик в Болинасе, Калифорния, снова для связи по Тихому океану. [14] Оба генератора Haiku были проданы для утилизации в 1969 году, возможно, компании Kreger Company of California.
В конце 1940-х годов ВВС взяли под контроль объекты Хайку и Мэрион, Массачусетс. ВВС обнаружили, что длинноволновые передачи были более надежными, чем коротковолновые, при отправке метеорологической информации арктическим исследователям, а также на базы в Гренландии, Лабрадоре и Исландии. Два передатчика Мэрион использовались до 1957 года. Один был списан в 1961 году, а другой, как сообщается, был передан Бюро стандартов США [15] и хранился на складе Смитсоновского института. [16]
Генератор переменного тока Alexanderson работает аналогично электрогенератору переменного тока, но генерирует ток более высокой частоты в диапазоне радиочастот очень низкой частоты (ОНЧ). Ротор не имеет токопроводящих обмоток или электрических соединений; он состоит из сплошного диска из высокопрочной магнитной стали с узкими прорезями по окружности, создающими ряд узких «зубцов», которые выполняют функцию магнитных полюсов. Пространство между зубцами заполнено немагнитным материалом, чтобы придать ротору гладкую поверхность для уменьшения аэродинамического сопротивления. Ротор вращается на высокой скорости электродвигателем через повышающую коробку передач.
Машина работает за счет переменного сопротивления (похожего на звукосниматель электрогитары ) , изменяя магнитный поток, связывающий две катушки. Периферия ротора охвачена круглым железным статором с С-образным поперечным сечением, разделенным на узкие полюса, столько же, сколько и ротор, несущие два набора катушек. Один набор катушек питается постоянным током и создает магнитное поле в воздушном зазоре статора, которое проходит аксиально (сбоку) через ротор.
При вращении ротора попеременно либо железная секция диска находится в зазоре между каждой парой полюсов статора, что позволяет высокому магнитному потоку пересекать зазор, либо немагнитная прорезь находится в зазоре статора, что позволяет проходить меньшему магнитному потоку. Таким образом, магнитный поток через статор изменяется синусоидально с большой скоростью. Эти изменения потока вызывают радиочастотное напряжение во втором наборе катушек на статоре.
Все катушки коллектора РЧ соединены между собой выходным трансформатором , вторичная обмотка которого подключена к антенному контуру. Модуляция или телеграфная манипуляция радиочастотной энергии осуществлялась магнитным усилителем , который также использовался для амплитудной модуляции и передачи голоса.
Частота тока , вырабатываемого генератором Александера в герцах, является произведением числа полюсов ротора и оборотов в секунду. Таким образом, более высокие радиочастоты требуют большего количества полюсов, более высокой скорости вращения или и того, и другого. Генераторы Александера использовались для получения радиоволн в диапазоне очень низких частот (ОНЧ) для трансконтинентальной беспроводной связи. Типичный генератор с выходной частотой 100 кГц имел 300 полюсов и вращался со скоростью 20 000 оборотов в минуту (RPM) (333 оборота в секунду). Для получения высокой мощности зазор между ротором и статором должен был составлять всего 1 мм. Производство точных машин, вращающихся с такими высокими скоростями, создавало много новых проблем, а передатчики Александера были громоздкими и очень дорогими.
Выходная частота передатчика пропорциональна скорости ротора. Чтобы поддерживать частоту постоянной, скорость вращения электродвигателя контролировалась с помощью петли обратной связи. В одном из методов образец выходного сигнала подается на высокодобротный настроенный контур , резонансная частота которого немного выше выходной частоты. Частота генератора попадает на «юбку» кривой импеданса LC-контура, где импеданс быстро увеличивается с частотой. Выход LC-контура выпрямляется, и полученное напряжение сравнивается с постоянным опорным напряжением для получения сигнала обратной связи для управления скоростью двигателя. Если выходная частота становится слишком высокой, импеданс, представленный LC-контуром, увеличивается, а амплитуда радиочастотного сигнала, проходящего через LC-контур, падает. Сигнал обратной связи на двигатель падает, и двигатель замедляется. Таким образом, выходная частота генератора «привязывается» к резонансной частоте настроенного контура.
Установки были построены для работы на длинах волн от 10 500 до 24 000 метров (от 28,57 до 12,5 кГц). Это достигалось тремя конструктивными переменными. Генераторы были построены с 1220, 976 или 772 полюсами. Были доступны три коробки передач с передаточными отношениями 2,675, 2,973 и 3,324, а приводной двигатель на 900 об/мин работал при скольжении от 4% до 20%, давая скорости от 864 до 720 об/мин. Передатчики, установленные в Европе, работающие на мощности 50 циклов, имели диапазон длин волн от 12 500 до 28 800 метров из-за более низкой скорости приводного двигателя.
Большой генератор переменного тока Alexanderson мог вырабатывать 500 кВт выходной радиочастотной энергии и охлаждался водой или маслом. Одна такая машина имела 600 пар полюсов в обмотке статора, а ротор вращался со скоростью 2170 об/мин, что давало выходную частоту около 21,7 кГц. Для получения более высоких частот требовались более высокие скорости ротора, до 20 000 об/мин.
Наряду с дуговым преобразователем, изобретенным в 1903 году, генератор переменного тока Александера был одним из первых радиопередатчиков, которые генерировали непрерывные волны . Напротив, более ранние передатчики с искровым разрядником генерировали ряд затухающих волн . Они были электрически «шумными»; энергия передатчика была распределена по широкому диапазону частот, поэтому они мешали другим передачам и работали неэффективно. С передатчиком непрерывной волны вся энергия была сосредоточена в узкой полосе частот , поэтому при заданной выходной мощности они могли общаться на больших расстояниях. Кроме того, непрерывные волны можно было модулировать аудиосигналом для переноса звука . Генератор переменного тока Александера был одним из первых передатчиков, которые использовались для передачи AM .
Генератор Александера вырабатывал более «чистые» непрерывные волны, чем дуговой преобразователь, чей несинусоидальный выходной сигнал генерировал значительные гармоники , поэтому генератор был предпочтительнее для дальней телеграфии.
Из-за чрезвычайно высокой скорости вращения по сравнению с обычным генератором переменного тока генератор Alexanderson требовал постоянного обслуживания квалифицированным персоналом. Эффективная смазка и масляное или водяное охлаждение были необходимы для надежности, которую было трудно достичь с помощью смазочных материалов, доступных в то время. Фактически, ранние издания «Admiralty Handbook of Wireless Telegraphy» Королевского флота освещают это довольно подробно, в основном как объяснение того, почему флот не использовал эту конкретную технологию. Однако ВМС США использовали.
Другие основные проблемы заключались в том, что изменение рабочей частоты было длительным и сложным процессом, и в отличие от искрового передатчика, несущий сигнал не мог включаться и выключаться по желанию. Последняя проблема значительно усложняла «прослушивание» (то есть остановку передачи для прослушивания любого ответа). Также существовал риск, что это позволит вражеским судам обнаружить присутствие корабля.
Из-за ограничений по количеству полюсов и скорости вращения машины генератор Александера способен генерировать частоты передачи до 600 кГц в нижнем диапазоне средних волн , при этом короткие волны и более высокие частоты физически невозможны. [a]