Генератор Александерсона — вращающаяся машина , изобретенная Эрнстом Александерсоном в 1904 году для генерации высокочастотного переменного тока для использования в качестве радиопередатчика . Это было одно из первых устройств, способных генерировать непрерывные радиоволны , необходимые для передачи по радио амплитудно-модулированных сигналов. Примерно с 1910 года он использовался на нескольких «сверхмощных» длинноволновых радиотелеграфных станциях для передачи трансокеанского трафика сообщений с помощью азбуки Морзе на аналогичные станции по всему миру.
Несмотря на то, что в начале 1920-х годов генератор переменного тока Александерсона был заменен разработкой ламповых передатчиков , он продолжал использоваться до Второй мировой войны . Оно включено в список вех IEEE как ключевое достижение в электротехнике . [1]
После открытия радиоволн в 1887 году первое поколение радиопередатчиков , передатчики с искровым разрядником , создавало цепочки 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 звуковым сигналом для передачи звука. Были предприняты попытки изобрести передатчики, которые будут производить непрерывные волны — синусоидальный переменный ток одной частоты.
В лекции 1891 года Фредерик Томас Траутон отметил, что, если бы электрический генератор переменного тока работал с достаточно большой тактовой частотой (то есть, если бы он вращался достаточно быстро и имел достаточно большое количество магнитных полюсов на якоре), он бы 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 ни один из них не смог достичь требуемых частот. 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 для непрерывного радиосигнала . Генератор был разработан Эрнстом Александерсоном . Генератор переменного тока Александерсона широко использовался береговыми станциями для длинноволновой радиосвязи , но был слишком большим и тяжелым для установки на большинстве кораблей. В 1906 году были поставлены первые генераторы переменного тока мощностью 50 киловатт. Одно было Реджинальду Фессендену в Брант-Роке, штат Массачусетс , другое — Джону Хейсу Хаммонду-младшему в Глостере, штат Массачусетс , а третье — в компании American Marconi в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси .
Александерсон получил патент на свое устройство в 1911 году. Генератор переменного тока Александерсона последовал за вращающимся передатчиком с искровым разрядником Фессендена в качестве второго радиопередатчика, модулированного для передачи человеческого голоса. До изобретения ламповых (ламповых) генераторов в 1913 году , таких как генератор Армстронга , генератор Александерсона был важным мощным радиопередатчиком и позволял радиопередачу человеческого голоса с амплитудной модуляцией . Последний оставшийся в рабочем состоянии генератор Александрсона находится на ОНЧ-передатчике Грайметон в Швеции и находился в регулярной эксплуатации до 1996 года. Он продолжает работать в течение нескольких минут в День Александерсона , который приходится либо на последнее воскресенье июня, либо на первое воскресенье июля каждого года. .
Начало Первой мировой войны вынудило европейские страны временно отказаться от развития сетей международной радиосвязи, а США активизировали усилия по развитию трансокеанской радиосвязи. К концу войны генератор переменного тока Александерсона надежно обеспечивал трансокеанскую радиосвязь. Британский Маркони предложил General Electric 5000 долларов в обмен на эксклюзивные права на использование генератора, но как раз перед тем, как сделка была заключена, американский президент Вудро Вильсон потребовал, чтобы GE отклонила предложение, что дало бы британцам (которые были лидер в области подводных кабелей связи ) доминирует над всемирной 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 Радиокорпорацию Америки (RCA), предоставив американским компаниям контроль над американским радио. в первый раз. [9]
Торн Л. Мэйес определил производство десяти пар генераторов Александрсона мощностью 200 кВт, всего 20 передатчиков, в период до 1924 года: [10] [11]
Начиная с 1941 года семь из двадцати оригинальных генераторов переменного тока мощностью 200 кВт были приняты на вооружение ВМС и ВВС США: [12]
Во время Второй мировой войны ВМС США осознали необходимость надежной дальней длинноволновой (ОНЧ) передачи на Тихоокеанский флот. Новый объект был построен в Хайку на Гавайях, где были установлены два генератора переменного тока Alexanderson мощностью 200 кВт, перевезенные с материка. Военно-морской флот также использовал существующий передатчик в Болинасе, Калифорния, снова для связи в Тихом океане. [14] Оба генератора Haiku были проданы на утилизацию в 1969 году, возможно, компании Kreger Company из Калифорнии.
В конце 1940-х годов ВВС взяли под свой контроль объекты Хайку и Мэрион, штат Массачусетс. Военно-воздушные силы обнаружили, что длинноволновые передачи были более надежными, чем коротковолновые, при отправке информации о погоде исследователям Арктики, а также на базы в Гренландии, Лабрадоре и Исландии. Два передатчика Marion 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 Александерсона работает аналогично электрическому генератору переменного тока, но генерирует ток более высокой частоты в очень низкочастотном (ОНЧ) радиочастотном диапазоне. Ротор не имеет проводящих обмоток или электрических соединений; он состоит из твердого диска из магнитной стали с высокой прочностью на разрыв, с узкими прорезями по его окружности, образующими ряд узких «зубцов», которые действуют как магнитные полюса. Пространство между зубьями заполнено немагнитным материалом, чтобы придать ротору гладкую поверхность и уменьшить аэродинамическое сопротивление. Ротор вращается с высокой скоростью электродвигателем через повышающий редуктор.
Машина работает за счет переменного сопротивления (аналогично звукоснимателю электрогитары ) , изменяя магнитный поток, связывающий две катушки. Периферию ротора окружает круглый железный статор С-образного поперечного сечения, разделенный на узкие полюса того же числа, что и ротор, несущие два набора катушек. На один комплект катушек подается постоянный ток , который создает магнитное поле в воздушном зазоре статора, которое проходит аксиально (вбок) через ротор.
Когда ротор вращается, поочередно либо железная секция диска находится в зазоре между каждой парой полюсов статора, позволяя высокому магнитному потоку пересекать зазор, либо немагнитная прорезь находится в зазоре статора, что позволяет уменьшить магнитное поле. флюс пройти. Таким образом, магнитный поток через статор изменяется синусоидально с большой скоростью. Эти изменения магнитного потока индуцируют радиочастотное напряжение во втором наборе катушек статора.
Все катушки коллектора РЧ соединены между собой выходным трансформатором , вторичная обмотка которого подключена к цепи антенны. Модуляция или телеграфная манипуляция радиочастотной энергии осуществлялась магнитным усилителем , который также использовался для амплитудной модуляции и передачи голоса.
Частота тока, генерируемого генератором переменного тока Александерсона в герцах , является произведением числа полюсов ротора и количества оборотов в секунду. Таким образом, более высокие радиочастоты требуют большего количества полюсов, более высокой скорости вращения или того и другого. Генераторы переменного тока Александерсона использовались для производства радиоволн в очень низкочастотном диапазоне (ОНЧ) для трансконтинентальной беспроводной связи. Типичный генератор переменного тока с выходной частотой 100 кГц имел 300 полюсов и вращался со скоростью 20 000 оборотов в минуту (об/мин) (333 оборота в секунду). Для получения высокой мощности зазор между ротором и статором должен был составлять всего 1 мм. Производство прецизионных машин, вращающихся на таких высоких скоростях, создавало множество новых проблем, а передатчики Александерсона были громоздкими и очень дорогими.
Выходная частота передатчика пропорциональна скорости ротора. Чтобы поддерживать частоту постоянной, скорость вращения электродвигателя контролировалась с помощью контура обратной связи. В одном методе образец выходного сигнала подается на настроенную схему с высокой добротностью , резонансная частота которой немного выше выходной частоты. Частота генератора попадает на «юбку» кривой импеданса LC-цепи, где сопротивление быстро увеличивается с частотой. Выходной сигнал LC-цепи 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 LC-цепи увеличивается, а амплитуда радиочастотного сигнала, проходящего через LC-цепь, падает. Сигнал обратной связи на двигатель падает, и двигатель замедляется. Таким образом, выходная частота генератора «привязывается» к резонансной частоте настроенного контура.
Комплексы были созданы для работы на длинах волн от 10 500 до 24 000 метров (от 28,57 до 12,5 кГц). Это было достигнуто за счет трех переменных конструкции. Генераторы были построены с 1220, 976 или 772 полюсами. Были доступны три коробки передач с передаточными числами 2,675, 2,973 и 3,324, а приводной двигатель со скоростью 900 об/мин работал с проскальзыванием от 4% до 20%, обеспечивая скорость от 864 до 720 об/мин. Передатчики, установленные в Европе и работающие на мощности 50 Гц, имели диапазон длин волн от 12 500 до 28 800 метров из-за более низкой скорости приводного двигателя.
Большой генератор переменного тока Александерсона может производить 500 кВт выходной радиочастотной энергии и иметь водяное или масляное охлаждение. Одна такая машина имела 600 пар полюсов в обмотке статора, а ротор вращался со скоростью 2170 об/мин с выходной частотой 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 Александерсона был одним из первых радиопередатчиков, генерирующих непрерывные волны . Напротив, более ранние передатчики с искровым разрядником генерировали цепочку затухающих волн . Они были электрически «шумными»; энергия передатчика была распределена по широкому диапазону частот, поэтому они мешали другим передачам и работали неэффективно. В передатчике непрерывного излучения вся энергия концентрировалась в узком диапазоне частот , поэтому при заданной выходной мощности они могли общаться на больших расстояниях. Кроме того, непрерывные волны можно модулировать звуковым сигналом для передачи звука. Генератор Александерсона был одним из первых передатчиков, использовавшихся для передачи AM .
Генератор переменного тока Александерсона производил «более чистые» непрерывные волны, чем дуговой преобразователь, чей несинусоидальный выходной сигнал генерировал значительные гармоники , поэтому генератор переменного тока был предпочтителен для телеграфии на большие расстояния.
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 обеспечения надежности, чего было трудно достичь с помощью смазочных материалов, доступных в то время. Фактически, первые издания «Адмиралтейского справочника по беспроводной телеграфии» Королевского военно-морского флота описывают это довольно подробно, в основном как объяснение того, почему военно-морской флот не использовал эту конкретную технологию. Однако ВМС США это сделали.
Другая серьезная проблема заключалась в том, что изменение рабочей частоты было длительным и сложным процессом, и в отличие от искрового передатчика несущий сигнал нельзя было включать и выключать по желанию. Последняя проблема значительно усложняла «прослушивание» (то есть остановку передачи для прослушивания любого ответа). Существовал также риск того, что это позволит вражеским судам обнаружить присутствие корабля.
Из-за ограничений количества полюсов и скорости вращения машины генератор Александрсона способен генерировать частоты передачи примерно до 600 кГц в нижнем диапазоне средних волн , при этом коротковолновые и более высокие частоты физически невозможны. [а]