Магнето — это электрический генератор , который использует постоянные магниты для создания периодических импульсов переменного тока . В отличие от динамо , магнето не содержит коммутатора для создания постоянного тока . Он классифицируется как форма генератора переменного тока , хотя обычно считается отличным от большинства других генераторов переменного тока, которые используют катушки возбуждения вместо постоянных магнитов.
Ручные генераторы магнето использовались для обеспечения вызывного тока в телефонных системах. Магнето также были приспособлены для создания импульсов высокого напряжения в системах зажигания некоторых двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, для подачи питания на свечи зажигания . [1] Использование таких магнето зажигания для зажигания в настоящее время ограничено в основном двигателями без низковольтной электрической системы, такими как газонокосилки и бензопилы , а также авиационными двигателями , в которых поддержание зажигания независимым от остальной части электрической системы гарантирует, что двигатель продолжит работать в случае отказа генератора или аккумулятора. Для избыточности практически все поршневые самолеты оснащены двумя системами магнето, каждая из которых подает питание на одну из двух свечей зажигания в каждом цилиндре.
Магнето использовались для специализированных изолированных систем питания, таких как системы дуговых ламп или маяки , для которых их простота была преимуществом. Они никогда не применялись широко для целей массового производства электроэнергии , для тех же целей или в той же степени, что и динамо-машины или генераторы переменного тока. Только в нескольких специализированных случаях они использовались для производства электроэнергии.
Производство электрического тока из движущегося магнитного поля было продемонстрировано Фарадеем в 1831 году. Первые машины для производства электрического тока из магнетизма использовали постоянные магниты; динамо- машина, которая использовала электромагнит для производства магнитного поля, была разработана позже. Машина, построенная Ипполитом Пикси в 1832 году, использовала вращающийся постоянный магнит для индуцирования переменного напряжения в двух фиксированных катушках. [2]
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1889S00044(2).jpg)
Первой электрической машиной, использованной для промышленного процесса, был магнето, электрический генератор Вулрича . [3] В 1842 году Джон Стивен Вулрич получил патент Великобритании 9431 на использование электрического генератора в гальваностегии вместо батарей. Машина была построена в 1844 году и лицензирована для использования на заводе Элкингтона в Бирмингеме . [4] Такое гальваностегическое производство расширилось и стало важным аспектом индустрии игрушек в Бирмингеме , производства пуговиц, пряжек и подобных мелких металлических изделий.
Уцелевшая машина имеет приложенное поле из четырех подковообразных магнитов с осевыми полями. Ротор имеет десять осевых катушек. Гальванопокрытие требует постоянного тока, поэтому обычный магнето переменного тока неработоспособен. Машина Вулрича, что необычно, имеет коммутатор для выпрямления своего выхода в постоянный ток.
.jpg/1280px-Permanent_magnet_magneto_alternator_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_III,_1903).jpg)
Большинство ранних динамо-машин были биполярными [примечание 1] , поэтому их выходной сигнал циклически менялся по мере вращения якоря мимо двух полюсов.
Для достижения адекватной выходной мощности магнитогенераторы использовали гораздо больше полюсов; обычно шестнадцать, из восьми подковообразных магнитов, расположенных в кольцо. Поскольку доступный поток был ограничен металлургией магнита, единственным вариантом было увеличить поле , используя больше магнитов. Поскольку это все еще было недостаточной мощностью, дополнительные роторные диски были уложены аксиально , вдоль оси. Это имело то преимущество, что каждый роторный диск мог по крайней мере разделить поток двух дорогих магнитов. Машина, показанная здесь, использует восемь дисков и девять рядов магнитов: всего 72 магнита.
Роторы, которые использовались впервые, были намотаны как шестнадцать осевых катушек, по одной на полюс. По сравнению с биполярным динамо, это имело преимущество в виде большего количества полюсов, что давало более плавный выход за оборот, [примечание 2] , что было преимуществом при управлении дуговыми лампами. Таким образом, магнето заняли небольшую нишу в качестве генераторов освещения.
Бельгийский инженер-электрик Флорис Нолле (1794–1853) стал особенно известен благодаря этому типу дугового осветительного генератора и основал британо-французскую компанию Société de l'Alliance для их производства.
Французский инженер Огюст де Меритенс (1834–1898) усовершенствовал магнето для этой цели. [5] Его нововведением была замена роторных катушек, ранее намотанных на отдельные бобины, на якорь с «кольцевой намоткой». [6] Эти обмотки были размещены на сегментированном железном сердечнике, похожем на кольцо Грамма , так, чтобы сформировать единый непрерывный обруч. Это давало более равномерный выходной ток, что было еще более выгодно для дуговых ламп. [7]
.jpg/1280px-Meritan's_permanent_magnet_lighthouse_magneto_alternator_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_III,_1903).jpg)
Сегодня Де Меритенса лучше всего помнят за его производство магнитогенераторов специально для маяков. Они были популярны за свою простоту и надежность, в частности, за отсутствие коммутаторов. [7] В морском воздухе маяка коммутатор, который ранее использовался с динамо-генераторами, был постоянным источником неприятностей. Смотрители маяков того времени, обычно полуотставные моряки, не имели достаточно механических или электрических навыков, чтобы обслуживать эти более сложные машины.
На иллюстрации генератора магнитопровода de Méritens показан якорь с кольцевой обмоткой. Поскольку теперь имеется только один роторный диск, каждый подковообразный магнит состоит из стопки отдельных магнитов, но действует через пару полюсных наконечников .
.jpg/1280px-Wilde's_self-exciting_magneto_alternator_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_III,_1903).jpg)
И динамо-машины, и генераторы переменного тока требовали источника питания для приведения в действие своих катушек возбуждения. Этого нельзя было добиться за счет выхода их собственного генератора, без некоторого процесса « бутстреппинга ».
Генри Уайльд , инженер-электрик из Манчестера, Англия, разработал комбинацию магнето и электромагнитного генератора, где магнето использовалось только для подачи поля на более крупный генератор переменного тока. Они проиллюстрированы в работе Рэнкина Кеннеди « Электрические установки» [8]. Сам Кеннеди разработал более простую версию этого, предназначенную для освещения на кораблях, где динамо и магнето были собраны на одном валу. [9] Инновация Кеннеди здесь заключалась в том, чтобы вообще избежать необходимости в щеточном механизме. Ток, генерируемый в магнето, передается по проводам, прикрепленным к вращающемуся валу, к вращающейся полевой катушке динамо. Затем выход динамо снимается с катушек статора. Это «изнутри-наружу» по сравнению с обычным динамо, но позволяет избежать необходимости в щеточном механизме.
Изобретение самовозбуждающегося поля Варли , Сименсом и Уитстоуном устранило необходимость в возбудителе магнито. Небольшое остаточное поле в железном якоре катушек возбуждения действовало как слабый постоянный магнит и, таким образом, магнето. Шунтирующая проводка генератора подает часть своего выходного тока обратно в катушки возбуждения, что, в свою очередь, увеличивает выход. Из-за этого поле «накапливается» регенеративно, хотя для этого может потребоваться 20–30 секунд, чтобы сделать это полностью. [10]
Использование магнето здесь теперь устарело, хотя отдельные возбудители все еще используются для мощных генераторных установок, поскольку они позволяют легче контролировать выходную мощность. Они особенно распространены в трансмиссиях дизель-электрических локомотивов .
Магнето имеют преимущества простоты и надежности, но ограничены в размерах из-за магнитного потока , доступного от их постоянных магнитов. Фиксированное возбуждение магнето затрудняло управление его напряжением на клеммах или выработкой реактивной мощности при работе в синхронизированной сети. Это ограничивало их использование для приложений высокой мощности. Магнето для генерации электроэнергии были ограничены узкими областями, такими как питание дуговых ламп или маяков, где их особые характеристики выходной стабильности или простой надежности были наиболее ценны.
Малые ветровые турбины , особенно конструкции самодельные, широко используют магнитоэлектрические генераторы для генерации. [11] [12] Генераторы используют вращающиеся неодимовые редкоземельные магниты с трехфазным статором и мостовым выпрямителем для производства постоянного тока (DC). Этот ток либо напрямую качает воду, либо хранится в батареях, либо приводит в действие сетевой инвертор , который может поставлять электроэнергию в коммерческую электросеть . Типичная конструкция представляет собой генератор с осевым потоком, переработанный из автомобильного тормозного диска и подшипника ступицы. Стойка Макферсона обеспечивает азимутальный подшипник для приведения турбины в движение ветром. [13] Тормозной диск с прикрепленными к нему редкоземельными магнитами вращается, образуя якорь. Рядом с ним размещается фанерный диск с несколькими осевыми катушками, а за ним — железное кольцо якоря.
Машины больших размеров, от 100 кВт до МВт, разработанные для современных ветряных турбин, называются синхронными генераторами с постоянными магнитами . [14]
Одним из популярных и распространенных способов использования магнето сегодня является питание фонарей и USB-устройств на велосипедах. Чаще всего небольшое магнето, называемое бутылочным динамо , трется о шину велосипеда и генерирует энергию при вращении колеса. Более дорогим и менее распространенным, но более эффективным является динамо-втулка , которая вращает неодимовые магниты вокруг медной катушки в клешне с полюсом внутри ступицы колеса. Обычно называемые динамо-машинами , оба устройства на самом деле являются магнето, вырабатывающими переменный ток в отличие от постоянного тока, вырабатываемого настоящим динамо-машиной .
Магнето также имело медицинское применение для лечения психических заболеваний в начале электромедицины . В 1850 году французский врач Дюшен де Булонь разработал и изготовил магнето с переменным внешним напряжением и частотой, посредством изменения оборотов вручную или изменения индуктивности двух катушек, для клинических экспериментов в неврологии .
Магнето, адаптированные для создания импульсов высокого напряжения для свечей зажигания, используются в системах зажигания поршневых двигателей с искровым зажиганием. Магнето используются в поршневых авиационных двигателях из-за их надежности и простоты, часто парами. Спортивные транспортные средства, такие как мотоциклы и снегоходы, могут использовать магнето, потому что они легче по весу, чем система зажигания, работающая от батареи. Небольшие двигатели внутреннего сгорания, используемые для газонокосилок, цепных пил, переносных насосов и подобных устройств, используют магнето для экономии и снижения веса. Магнето не используются в дорожных транспортных средствах, которые имеют пусковую батарею, для которой может потребоваться больше контроля опережения зажигания, чем может обеспечить система магнето, хотя сложные твердотельные контроллеры становятся все более распространенными.
Ручные телефоны для обслуживания местных аккумуляторных станций на магнитных станциях были оснащены генератором магнитного поля с ручным приводом для выработки переменного напряжения для оповещения оператора центрального офиса или для вызова звонков других телефонов на той же (партийной) линии .
Развитие современных редкоземельных магнитов делает простой магнитогенератор более практичным предложением в качестве генератора энергии, поскольку они позволяют значительно увеличить напряженность поля. Поскольку магниты компактны и имеют малый вес, они обычно образуют ротор, поэтому выходные обмотки могут быть размещены на статоре, избегая необходимости в щеточном механизме. [ необходима цитата ]
К концу 1980-х годов разработки в области магнитных материалов, таких как самарий-кобальт , ранний редкоземельный тип, позволили использовать генераторы переменного тока с постоянными магнитами в приложениях, требующих чрезвычайно надежного генератора. В управляемых ракетах такие генераторы могут заменить генератор переменного тока с переключением потока . [15] Они должны работать на высоких скоростях, напрямую соединенные с турбиной. Оба типа имеют преимущество в том, что выходные катушки являются частью статора, что позволяет избежать необходимости в щеточном механизме.
{{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )