Что такое динамо в двигателе

Что такое динамо-машина. Первые генераторы постоянного тока

Динамо-машинами в позапрошлом веке стали называть генераторы постоянного тока, — первые промышленные генераторы, которые позже были вытеснены генераторами переменного тока, пригодного для преобразования посредством трансформаторов, и крайне удобного для передачи на большие расстояния с незначительными потерями.

Сегодня под словом «динамо», как правило, подразумевают маленькие велосипедные генераторы (для фар) или ручные генераторы (для туристических фонариков). Что касается промышленных генераторов, то на сегодняшний день все это — генераторы переменного тока. Давайте, однако, вспомним, как развивались и совершенствовались первые «динамо».

Первый образец генератора постоянного тока, или униполярного динамо, был предложен в далеком 1832 году Майклом Фарадеем, когда он только открыл явление электромагнитной индукции. Это был так называемый «диск Фарадея» — простейший генератор постоянного тока. Статором в нем служил подковообразный магнит, а в качестве ротора выступал вращаемый вручную медный диск, ось и край которого пребывали в контакте с токосъемными щетками.

Когда диск вращали, то в той части диска, которая пересекала магнитный поток между полюсами магнита статора, наводилась ЭДС, приводящая, в случае если цепь между щетками была замкнута на нагрузку, к появлению радиального тока в диске. Подобные униполярные генераторы по сей день используются там, где требуются большие постоянные токи без выпрямления.

Генератор переменного тока впервые построил француз Ипполит Пикси, это произошло в том же 1832 году. Статор динамо-машины содержал включенные последовательно пару катушек, ротор представлял собой подковообразный постоянный магнит, кроме того в конструкции имелся щеточный коммутатор.

Магнит вращался, пересекал магнитным потоком сердечники катушек, наводил в них гармоническую ЭДС. А автоматический коммутатор служил для выпрямления и получения в нагрузке постоянного пульсирующего тока.

Позже, в 1842 году, немецкий и русский физик-изобретатель Борис Якоби предложит разместить магниты на статоре, а обмотку — на роторе, который также вращался бы через редуктор. Это сделает генератор более компактным.

Якоби Борис Семенович (Мориц Герман) (1801 — 1874) — один из пионеров электротехники, петербургский академик. С 1837 г. по его инициативе в Петербурге при Академии наук была создана комиссия, учрежденная для приложения электромагнетизма к движению машин. Здесь Якоби провел ряд выдающихся работ.

Поставив задачу применения электродвигателя на транспорте, он осуществил ее в 1838 г. Его двигатель приводил в движение против течения шлюпку с 14 пассажирами. Это было первое в мире судно с электрическим двигателем. Якоби изобрел гальванопластику и значительно усовершенствовал электрический телеграф Шиллинга, создав первую в мире конструкцию пишущего телеграфа.

В 1856 году, для питания серийных дуговых ламп Фредерика Холмса, (эти лампы использовали в прожекторах маяков), самим Фредериком Холмсом была предложена конструкция генератора, похожая на генератор Якоби, но дополненная центробежным регулятором Уатта для поддержания напряжения на лампе постоянным при разном токе нагрузки, что достигалось путем автоматического сдвига щеток.

Статор содержал 50 магнитов, а конструкция в общем весила 4 тонны, и развивала мощность чуть больше 7 кВт. Было выпущено примерно 100 таких генераторов под маркой «Альянс».

Между тем, машины с постоянными магнитами отличались одним существенным недостатком — магниты теряли со временем намагниченность и портились от вибрации, в итоге генерируемое машиной напряжение становилось со временем все ниже и ниже. При этом намагниченностью нельзя было управлять, чтобы стабилизировать напряжение.

В качестве решения пришла идея электромагнитного возбуждения. Идея пришла в голову английского изобретателя Генри Уайльда, который в 1864 году запатентовал генератор с возбудителем на постоянном магните, — магнит возбуждения просто монтировался на валу генератора.

Позже настоящую революцию в генераторах совершит немецкий инженер Вернер Сименс, который откроет подлинный динамоэлектрический принцип, и поставит производство новых генераторов постоянного тока на поток.

Принцип самовозбуждения заключается в том, чтобы использовать остаточную намагниченность сердечника ротора для пускового возбуждения, а затем, когда генератор возбудится, использовать в качестве намагничивающего тока ток нагрузки, или включить в работу специальную обмотку возбуждения, питаемую генерируемым током параллельно нагрузке. В результате, положительная обратная связь приведет к увеличению магнитного потока возбуждения генерируемым током.

В числе первых принцип самовозбуждения, или динамоэлектрический принцип, отметит инженер из Дании Сорен Хиорт. Он упомянет в своем патенте от 1854 года возможность использования остаточной намагниченности с целью реализации явления электромагнитной индукции для получения генерации, однако, опасаясь того, что остаточного магнитного потока будет недостаточно, Хиорт предложит дополнить конструкцию динамо постоянными магнитами. Этот генератор так и не будет воплощен.

Читайте также:  Чем отличается двигатель к4м от к7м

Позже, в 1856 году, аналогичную идею выскажет Аньеш Йедлик — член Венгерской академии наук, но ничего так и не запатентует. Только спустя 10 лет Самюэль Варлей, ученик Фарадея, реализует на практике принцип самовозбуждающегося динамо.

Его заявка на патент (в 1866 году) содержала описание устройства очень похожего на генератор Якоби, только постоянные магниты уже были заменены обмоткой возбуждения — электромагнитами возбуждения. Перед стартом сердечники намагничивались постоянным током.

В начале 1867 года в Берлинской Академии наук с докладам выступал изобретатель Вернер Сименс. Он представил публике генератор похожий на генератор Варлея, названный «динамо-машиной». Старт машины осуществлялся в режиме двигателя, для того чтобы обмотки возбуждения намагнитились. Затем машина превращалась в генератор.

Это была настоящая революция в понимании и проектировании электрических машин. В Германии начался широкий выпуск динамо-машин Сименса — генераторов постоянного тока с самовозбуждением — первых промышленных динамо-машин.

Конструкция динамо-машин с течением времени менялась: Теофил Грамм, в том же 1867 году, предложил кольцевой якорь, а в 1872 году главный конструктор компании Сименс-Гальске, Гефнер Альтенек, предложит барабанную намотку.

Так генераторы постоянного тока примут свой окончательный облик. В 19 веке, с переходом на переменный ток, гидроэлектростанции и тепловые электростанции станут вырабатывать уже переменный ток на генераторах переменного тока. Но это уже совсем другая история.

Источник

Первые электрогенераторы и принцип динамо

В статье освещается начальный этап развития электромеханического способа генерирования электроэнергии, завершившийся в середине XIX века созданием динамомашин, идея самовозбуждения которых (принцип динамо) был использован и в ХХ веке для объяснения механизма образования магнитного поля Земли.

В предыдущих статьях данного цикла рассматривались первые электрические двигатели, созданные в начале XIX века с питанием от единственного известного источника – гальванической батареи [1 — 3]. Низкая экономическая эффективность такого электрохимического источника, препятствующая замене паровых двигателей электрическими, заставляла изобретателей искать другие, электромеханические способы генерации электроэнергии. В данной статье отражен процесс создания электрогенераторов постоянного тока, в результате которого было открыто явление самовозбуждения за счет положительной обратной связи, называемое принципом динамо.

Первый электромеханический генератор был предложен Фарадеем в 1832 г. сразу после открытия им закона электромагнитной индукции (рис. 1) [4, 5]. Диск Фарадея содержит: статор в виде подковообразного магнита – 1 и медный диск (ротор) – 2, снабженный подвижными контактами на оси и ободе.

При вращении диска в магнитном поле в нем наводится ЭДС постоянного знака, вызывающая индукционные токи, текущие по правилу правой руки радиально, т. е. между осью и ободом (в данном случае, снизу вверх). По правилу Ленца индукционные токи создают магнитный поток, препятствующий потоку магнита, т. е. направленный вдоль оси вращения диска. Это единственный известный униполярный генератор постоянного тока, применяемый для выработки больших токов до сих пор. Остальные генераторы постоянного тока являются, по существу, генераторами переменного тока с выпрямителем (коммутатором) на выходе.

Первый генератор переменного тока был построен во Франции мастером Ипполитом Пикси (Hippolyte Pixii) в том же 1832 г. [4 — 7]. За свою короткую жизнь в 27 лет Пикси создал много научных приборов, включая дилатометрический термометр и вакуумный насос. Генератор Пикси показан на рис. 2, где обозначены: 1 – статор с двумя катушками, включенными последовательно, 2 – ротор с постоянным магнитом, 3 – щеточный коммутатор (выпрямитель). Силовые линии вращающегося магнита пересекают обмотку катушек, наводя в них ЭДС, близкую к гармонической. Идея катушек и вращающегося магнита принадлежит изобретателю, приславшему письмо Фарадею, подписанное латинскими инициалами P.M. Вероятное имя изобретателя – Фредерик Мак Клинток (Frederick Mc-Clintock) – долгое время оставалось неизвестным [7]. Фарадей незамедлительно опубликовал это письмо в научном журнале. Однако это устройство генерировало переменный ток, тогда как в начале XIX века применялся только постоянный ток. Поэтому Пикси по совету Ампера снабдил его щеточным коммутатором. Генератор Пикси использовался Э. Х. Ленцем для доказательства открытого им в 1833 г. принципа обратимости электрической машины. Однако еще долго двигатели и генераторы развивались по отдельности.

При создании высоковольтного дистанционного взрывателя морских мин в 1842 г. [2] Якоби предложил поместить магниты на статоре, а обмотку на роторе, что повысило компактность генератора. Генератор Якоби представлен на рис. 3 [4 — 6], где обозначены: 1 – статор с двумя постоянными магнитами, 2 – вал, 3 – якорь (ротор с обмоткой), 4 – коммутатор, 5 – мультипликатор, т. е. повышающий редуктор для увеличения скорости вращения ротора.

Читайте также:  Появился стук в двигателе и пропал

Аналогичную конструктивную схему имел генератор, предложенный английским инженером Фредериком Холмсом (Frederick Holmes) для питания запатентованной им дуговой лампы. Для серийного производства генераторов в 1856 г. была создана компания «Альянс» [5, 6]. Вид генератора представлен на рис. 4, где: 1 – статор с постоянными магнитами; 2 – ротор с обмоткой (якорь); 3 – центробежный регулятор, 4 – механизм сдвига щеток.

В нем использовался центробежный регулятор Уатта для автоматического поддержания выходного напряжения путем сдвига щеток с нейтрали при изменении нагрузочного тока, что обеспечивало компенсацию реакции якоря. Генератор имел 50 постоянных магнитов, развивал мощность 10 л.с. при весе до 4 тонн. Всего было выпущено более 100 генераторов «Альянс», применявшихся, помимо дуговых прожекторов маяков, и в гальванопластике.

В эксплуатации у машин с постоянными магнитами обнаружился неприятный недостаток снижения выходного напряжения из-за постепенного размагничивания магнитов от вибрации и старения. Другим недостатком возбуждения от постоянных магнитов была невозможность регулирования их магнитного потока для стабилизации генерируемого напряжения. Для борьбы с этими недостатками предлагалось применить электромагнитное возбуждение, обеспечивающее к тому же, как отмечалось в статье [3], большую компактность. Так, преуспевающий английский изобретатель Генри Уайльд (Henry Wilde) получил в 1864 г. патент на генератор с отдельным маломощным возбудителем на постоянном магните, установленном на общем валу с генератором [4 — 6]. Уайльд не имел университетского образования, начинал свою карьеру учеником механика, но ему удалось наладить производство своих генераторов для гальванопластики. Тем не менее, становилось ясно, что наличие постоянных магнитов в генераторах – серьезный тормоз развития телеграфии и электрического освещения.

Кардинальное решение проблемы появилось после открытия возможности самовозбуждения генераторов, названного Сименсом динамоэлектрическим принципом, или принципом динамо [4 — 7]. Идея самовозбуждения состоит в том, что – как показано на рис. 5 – начальный поток возбуждения при пуске машины создается остаточной намагниченностью магнитопровода, где напряжение генератора снимается с обмотки якоря Я, а возбуждение машины выполняется либо обмоткой ОВ1, включенной последовательно с нагрузкой R н, либо обмоткой ОВ2, включенной параллельно якорю через регулировочный резистор R (так называемое шунтовое возбуждение). Далее поток возбуждения увеличивается за счет положительной обратной связи от генерируемого тока.

Одним из первых на возможность самовозбуждения генератора указал в патенте 1854 г. датский инженер и организатор железнодорожного сообщения Сорен Хиорт (S?ren Hjorth). Однако, опасаясь слабости остаточной намагниченности, он дополнил генератор постоянными магнитами. Этот генератор Хиорта так и не был реализован. Независимо от Хиорта идею самовозбуждения высказал в 1856 г. профессор Будапештского университета Аньеш Йедлик (?nyos Jedlik). Он также предложил один из первых электродвигателей, описанный в статье [1]. Однако Йедлик своих изобретений не патентовал и сведения о них публиковал весьма скупо, поэтому его новаторские предложения остались незамеченными.

Практически идея самовозбуждения была реализована лишь через десять лет в одно и то же время несколькими изобретателями. В заявке на патент в декабре 1866 г. инженер английской телеграфной компании, ученик Фарадея Самюэль Варлей (Samuel Alfred Varley) предложил схему генератора, аналогичного генератору Якоби, в котором, однако, обмотка возбуждения заменяла постоянные магниты. Схема генератора показана на рис. 6, где: 1 – электромагниты возбуждения, 2 – якорь, 3 – коммутатор, 4 – добавочный регулировочный резистор. Перед пуском сердечники возбуждения намагничивались постоянным током.

Через месяц, в январе 1867 г., в Берлинской Академии наук был представлен доклад известного немецкого изобретателя и промышленника Вернера Сименса (Werner Siemens) с подробным описанием генератора с самовозбуждением, названного им динамо-машиной. Перед пуском генератор включался как двигатель для намагничивания возбуждения. Впоследствии Сименс наладил широкий промышленный выпуск таких генераторов в Германии.

В феврале того же 1867-го г. известный английский физик Чарльз Уитстон (Charles Wheatstone) запатентовал и продемонстрировал генератор с шунтовым возбуждением (рис. 5). Владелец мастерской музыкальных инструментов, перенявший дело от своего отца, впоследствии профессор Королевского колледжа King’s College в Лондоне, Уитстон известен также своими изобретениями метода измерения сопротивления (мост Уитстона), однофазного синхронного электродвигателя, музыкального инструмента концертино, стереоскопа, хроноскопа (электрического секундомера) и усовершенствованного вида телеграфа Шиллинга.

В печати возникла дискуссия о приоритете данного технического решения, на который претендовали также Уайльд и Хиорт. Следует отметить, что существует три вида приоритета: научный, патентный и промышленный. Научный приоритет принадлежит ученому, впервые опубликовавшему или публично продемонстрировавшему какое-либо устройство, эффект или теорию. Промышленным приоритетом владеет лицо или компания, впервые наладившие производство изделия и его широкое внедрение. Например, при открытии радио научный приоритет принадлежит Попову, а патентный и промышленный – Маркони. Относительно генератора с самовозбуждением следует признать патентный приоритет за Варлеем, научный – за Йедликом и Сименсом, а промышленный – за Сименсом. Уитстону же принадлежит приоритет в частном, хотя и весьма важном, техническом решении – шунтовом возбуждении.

Читайте также:  Шаговый двигатель что это такое где при

Дальнейшее улучшение характеристик динамо-машины было связано с изменением конструкции ее якоря путем применения в 1867 г. бельгийским электротехником Зиновием Граммом (Zenobe Gramme) кольцевого якоря, а затем внедрением барабанной намотки, предложенной в 1872 г. Гефнером Альтенеком (Hefner Alteneck), ведущим конструктором компании Сименс-Гальске [5 — 7]. После этого электродвигатели и генераторы практически приняли современный вид. Однако к концу XIX века в связи с широким внедрением систем переменного тока основная доля электроэнергии на гидро- и тепловых электростанциях вырабатывалась уже генераторами переменного тока.

Что касается самого принципа динамо, то о нем снова вспомнили уже в ХХ веке для объяснения причин земного магнетизма, которое Эйнштейн в 1905 г. назвал одной из пяти главных загадок физики того времени [8, 9]. До сих пор окончательного ответа, подтвержденного компьютерным моделированием или физическими экспериментами, не получено, но наиболее популярной является теория, называемая гидромагнитным динамо (геодинамо). Еще со времен Уильяма Гильберта (конец XVI века) установлено, что Земля – это гигантский магнит, силовые линии которого направлены от южного полюса к северному. Согласно уравнениям Максвелла, магнитные потоки могут создаваться только токами, поэтому естественно было предположить, что Земля – это электромагнит, токи которого текут в плоскостях, параллельных экватору, а сердечником служит твердое ферромагнитное ядро Земли, показанное на рис. 7, с предполагаемым вертикальным расположением оси вращения Земли. Это железоникелевое ядро (1) диаметром около 1200 км окружено жидкой оболочкой (2) из тех же металлов толщиной 2300 км, за которым следуют горные породы мантии и коры Земли.

Если предположить, что вследствие вращения Земли (3) в жидкой оболочке ядра образуются концентрические течения в плоскостях, параллельных экватору (на рисунке не показаны), то в них могут индуктироваться токи за счет пересечения силовых линий (4) магнитным потоком от твердого ядра – как в генераторе Фарадея. Однако твердое ядро принципиально не может быть намагниченным, поскольку его температура, вызванная термоядерными реакциями, выше 5000оС (как на поверхности Солнца), а все ферромагнитные материалы теряют свои магнитные свойства выше точки Кюри (около 750оС). Кроме того, ученые не могли предложить разумного объяснения причин образования таких концентрических течений. Поэтому в настоящее время принята более сложная модель, называемая конвективным геодинамо.

Температура поверхности жидкого ядра на границе с мантией (5) примерно на 600оС ниже температуры твердого ядра, что вызывает радиальные конвективные потоки жидкости (6), которые под действием кариолисовых сил, вызванных вращением Земли, закручиваются в вихри (7), ось вращения которых совпадает с осью вращения Земли. Далее в этих жидких вихрях, аналогично диску Фарадея, индуктируются токи, создающие магнитные потоки (4) вдоль оси вращения Земли.

Более сложным является вопрос о первоначальном образовании магнитного поля Земли. В 1919 г. ирландский физик и математик Джозеф Лармор (Joseph Larmor), выпускник Кембриджского университета, один из создателей теории электрона и основателей релятивистской теории, предложил для его решения идею самовозбуждения, аналогичного процессу в динамо-машине. Необходимая первоначальная намагниченность мантии Земли могла быть вызвана магнитным полем Солнца, направленным вдоль оси вращения. Затем за счет механизма положительной обратной связи в вихрях жидкости постепенно нарастали токи, намагничивающие мантию, пока локальный нагрев жидкого ядра за счет омических потерь не начал разрушать конвективные потоки и магнитное поле Земли не приняло устойчивый современный уровень [8, 9].

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Литература

  • Микеров А. Г. Первые демонстрации электромагнитного вращения . Control Engineering Россия. 2015. № 4 (58).
  • Микеров А. Г. Первый практически полезный электродвигатель Якоби. Control Engineering Россия. 2015. № 5 (59).
  • Микеров А. Г. Создание прототипов электродвигателей автоматики . Control Engineering Россия. 2016. № 1 (61).
  • Динамомашина в ее историческом развитии / Сост. Д.В. Ефремов, М.И. Радовский, под ред. В.Ф. Миткевича. Л.: Изд-во АН СССР, 1934.
  • Белькинд Л. Д. и др. История энергетической техники. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1960.
  • История электротехники / Под ред. И. А. Глебова. М.: Изд-во МЭИ. 1999.
  • History – The invention of the electric motor 1800-1854.

Источник