Машина Грамма , кольцо Грамма , магнето Грамма или динамо Грамма — электрический генератор , вырабатывающий постоянный ток , названный в честь его бельгийского изобретателя Зеноба Грамма , и построенный либо как динамо , либо как магнето . [1] Это был первый генератор, вырабатывающий электроэнергию в коммерческих масштабах для промышленности. Вдохновленный машиной, изобретенной Антонио Пачинотти в 1860 году, Грамм разработал новый индуцированный ротор в форме кольца с проволочной обмоткой ( кольцо Грамма ) и продемонстрировал этот аппарат Академии наук в Париже в 1871 году. Хотя принцип обмотки Грамма был популярен в электрических машинах 19 века, он больше не используется, поскольку он неэффективно использует проводники. Часть обмотки на внутренней стороне кольца не разрезает поток и не способствует преобразованию энергии в машине. Обмотка требует вдвое большего числа витков и вдвое большего числа коллекторных стержней, чем эквивалентный якорь с барабанной обмоткой. [2]
Машина Грамма использовала кольцевой якорь с серией якорных катушек , намотанных вокруг вращающегося кольца из мягкого железа . Катушки 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 по порядку, когда якорь вращается. Это индуцирует напряжение в двух катушках на противоположных сторонах якоря, которое снимается щетками.
Ранее электромагнитные машины пропускали магнит вблизи полюсов одного или двух электромагнитов или вращали катушки, намотанные на якоря в форме двойной буквы Т в статическом магнитном поле, создавая кратковременные всплески или импульсы постоянного тока, приводящие к кратковременному выходу низкой средней мощности, а не к постоянному выходу высокой средней мощности.
При наличии более чем нескольких катушек на кольцевом якоре Грамма результирующая форма волны напряжения практически постоянна, что обеспечивает почти постоянный ток . Для этого типа машины нужны только электромагниты, создающие магнитное поле, чтобы стать современным генератором .
Во время демонстрации на промышленной выставке в Вене в 1873 году Грамм случайно обнаружил, что это устройство, если его снабдить источником постоянного напряжения , будет работать как электродвигатель . Партнер Грамм, Ипполит Фонтен , небрежно подключил клеммы машины Грамм к другой динамо-машине, которая вырабатывала электричество, и ее вал начал вращаться. [3] Машина Грамм была первым мощным электродвигателем, полезным не только как игрушка или лабораторная диковинка. Сегодня некоторые элементы этой конструкции составляют основу почти всех электродвигателей постоянного тока. Использование Граммом нескольких контактов коммутатора с несколькими перекрывающимися катушками и его нововведение в использовании кольцевого якоря были усовершенствованием более ранних динамо-машин и помогли начать разработку крупномасштабных электрических устройств.
Ранние конструкции электродвигателей были печально известны своей неэффективностью, поскольку имели большие или очень большие воздушные зазоры на протяжении большей части вращения роторов. Длинные воздушные зазоры создают слабые силы, что приводит к низкому крутящему моменту. Устройство под названием двигатель Сент-Луиса (все еще доступное в научных магазинах), хотя и не предназначено для этого, ясно демонстрирует эту большую неэффективность и серьезно вводит студентов в заблуждение относительно того, как работают настоящие двигатели. Эти ранние неэффективные конструкции, по-видимому, были основаны на наблюдении за тем, как магниты притягивают ферромагнитные материалы (такие как железо и сталь) с некоторого расстояния. Электротехникам потребовалось несколько десятилетий в 19 веке, чтобы понять важность небольших воздушных зазоров. Однако кольцо Грамма имеет сравнительно небольшой воздушный зазор, что повышает его эффективность. (На верхней иллюстрации большая часть, похожая на кольцо, представляет собой ламинированный постоянный магнит; кольцо Грамма довольно трудно увидеть у основания кольца.)
На этой иллюстрации показано упрощенное однополюсное кольцо Грамма с одной катушкой и график тока, вырабатываемого при вращении кольца за один оборот. Хотя ни одно фактическое устройство не использует эту точную конструкцию, эта диаграмма является строительным блоком для лучшего понимания следующих иллюстраций. [5]
Однополюсное двухкатушечное кольцо Грамма. Вторая катушка на противоположной стороне кольца подключена параллельно первой . Поскольку нижняя катушка ориентирована противоположно верхней, но обе погружены в одно и то же магнитное поле, ток образует кольцо на клеммах щетки. [5]
Двухполюсное кольцо Грамма с четырьмя катушками. Катушки A и A' суммируются вместе, как и катушки B и B', создавая два импульса мощности, сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга. Когда катушки A и A' находятся на максимальном выходе, катушки B и B' находятся на нулевом выходе. [5]
Трехполюсное кольцо Грамма с шестью катушками и график объединенных трех полюсов, каждый из которых сдвинут по фазе на 120° относительно другого и суммируется. [5]
Хотя кольцо Грамма позволяло выдавать более стабильную выходную мощность, оно страдало от технической неэффективности конструкции из-за того, как магнитные силовые линии проходят через кольцевой якорь. Линии поля имеют тенденцию концентрироваться внутри и следовать по поверхностному металлу кольца к другой стороне, при этом относительно небольшое количество силовых линий проникает внутрь кольца.
Следовательно, внутренние обмотки каждой маленькой катушки минимально эффективны в производстве энергии, поскольку они режут очень мало силовых линий по сравнению с обмотками на внешней стороне кольца. Внутренние обмотки фактически являются мертвым проводом и только добавляют сопротивление в цепь, снижая эффективность.
Первоначальные попытки вставить стационарную катушку поля в центр кольца, чтобы помочь линиям проникнуть в центр, оказались слишком сложными для проектирования. Кроме того, если бы линии проникали внутрь кольца, любая произведенная ЭДС противодействовала бы ЭДС снаружи кольца, поскольку провод внутри был ориентирован в противоположном направлении по сравнению с проводом снаружи, повернувшись на 180 градусов при намотке.
В конце концов было обнаружено, что более эффективно обернуть одну петлю провода по внешней стороне кольца и просто не пропускать никакую часть петли через внутреннюю часть. Это также снижает сложность конструкции, поскольку одна большая обмотка, охватывающая ширину кольца, может заменить две меньшие обмотки на противоположных сторонах кольца. Все современные якоря используют эту конструкцию с внешней обмоткой (барабанную), хотя обмотки не полностью простираются по диаметру; они больше похожи на хорды окружности в геометрическом отношении. Соседние обмотки перекрываются, как можно увидеть почти в любом современном роторе двигателя или генератора, имеющем коммутатор. Кроме того, обмотки помещаются в пазы с закругленной формой (если смотреть с конца ротора). На поверхности ротора пазы имеют ширину, равную необходимой для того, чтобы через них проходил изолированный провод при намотке катушек.
Хотя полое кольцо теперь можно заменить сплошным цилиндрическим сердечником или барабаном , кольцо все еще оказывается более эффективной конструкцией, поскольку в сплошном сердечнике линии поля концентрируются в тонкой поверхностной области и минимально проникают в центр. Для очень большого якоря для генерации электроэнергии диаметром в несколько футов использование якоря с полым кольцом требует гораздо меньше металла и легче, чем якорь с сплошным барабаном. Полый центр кольца также обеспечивает путь для вентиляции и охлаждения в приложениях высокой мощности.
В небольших арматурах часто используется сплошной барабан просто для простоты конструкции, поскольку сердечник можно легко сформировать из стопки штампованных металлических дисков, закрепленных шпонкой в пазу на валу. [13]
Медиа, связанные с машиной Gramme на Wikimedia Commons