generator (Получение и использование электрической энергии), страница 2

Удачное решение про­блемы было вскоре найдено бельгийским изобретателем Зиновием Теофилем Граммом. Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» столярным мастером. Здесь он познакомился с электричеством. Размышляя над усовершенствова­нием электрогенератора, Грамм в конце концов пришел к мысли заменить якорь Сименса другим, имеющим кольцевую форму. Важное отличие коль­цевого якоря в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса. Грамм пришел к своему открытию самостоятельно, но надо сказать, что еще в 1860 г. итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции построил электрический двигатель с кольцеобраз­ным якорем; впрочем, это открытие вскоре было забыто. Исходная точка поисков Грамма заключалась в том, чтобы заста­вить вращаться внутри проволочной катушки железное кольцо, на котором наведены магнитные полюсы и таким образом получить равномерный ток постоянного направления.

Генератор Грамма, имеет следующее приспособление. В магнитном поле, образуемом полюсами N магнита, вращаются восемь замкнутых металлических колец, которые прикреплены на равном расстоянии друг от друга к оси при помощи спиц.

Кольцо Грамма состоит из витков вращающейся ка­тушки, плотно намотанной на железное кольцо, в котором ток будет индуцироваться электрический ток. Но обе половинки кольца соединены противоположно друг к другу. Зна­чит, токи с обеих сторон направляются к верхней половине кольца, и там, следовательно, получается положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отри­цательный полюс. Можно, следовательно, сравнить кольцо с батареей, со­ставленной из двух частей, которые соединены между собой противополож­но. Если теперь соеди­нить противоположные концы кольца, то полу­чится замкнутая цепь по­стоянного тока. Но в действительности генератор Грамма имел более сложное устройство, поскольку здесь было налицо несколько техниче­ских затруднений: с одной стороны, для того чтобы снимать ток с кольца, витки обмотки должны быть обнажены, с другой — для получения сильных токов обмотка должна быть намотана плотно и в несколько слоев. Затруднение заключалось в том что было сложно изолировать нижние слои от верхних. На практике кольцо Грамма дополняло особое, довольно сложное устройство, называемое коллектором, которое и служило для отвода токов из обмотки. Коллектор состоял из ме­таллических пластин, прикрепленных к оси кольца и имевших форму секто­ров цилиндра. Каждая пластина тщательно изолировалась от соседних секто­ров и от оси кольца. Концы каждого сектора обмотки были соединены с одной из металлических пластин, а скользящие пру­жины помещались так, что постоянно находились в со­единении с самым верхним и самым нижним секторами обмотки. Из обеих половин обмотки получался постоян­ный ток, направленный к той пружине, которая была со­единена с верхним сектором. Ток обходил верхнюю цепь и возвращался в кольцо через нижнюю пружину. Таким образом, полюса с поверхности самого кольца переместились на его ось, откуда ток было снимать намного проще, в таком виде воплотилась первоначальная модель электрогенератора. Однако она оказалась неработоспособной. Как писал Грамм в воспоминаниях о своем изобретении, тут явилась новая сложность: кольцо, на которое был намотан проводник, сильно разогревалось вследствие того, что здесь тоже при быстром вращении генератора индуцировались токи. В результате пере­грева изоляция то и дело выходила из строя. Ломая голову над тем, как избе­жать этой неприятности, Грамм понял, что железный сердечник якоря нельзя делать сплошным, так как в этом случае вредные токи оказываются слишком большими. Но разбив сердечник на части так, чтобы образовались разрывы на пути возникающих токов, можно было сильно уменьшить их вредное дей­ствие. Этого можно было добиться, изготовив сердечник не из цельного кус­ка, а из проволоки, налагая ее в виде кольца и тщательно изолируя один слой от другого. На это проволочное кольцо затем навивалась обмотка. Каждый сектор якоря представлял собой катушку из многих слоев. Отдельные катушки соединялись так, что проволока непрерывке обегала железное кольцо и притом в одном и том же направлении. От мест соединения каждой пары катушек шел проводник к соответствующей пла­стине коллектора. Чем больше было число оборотов катушки, тем большей силы ток можно было снять с кольца. Изготовленный таким образом якорь устанавливался на ось генератора, Для этого железное кольцо с внутренней стороны снабжалось железными спицами, которые скрепля­лись с коллектором — мас­сивным кольцом, насажен­ным на ось машины. Кол­лектор, как уже говорилось, состоял из отдельных метал­лических пластин одинако­вой ширины. Отдельные слои коллектора были изо­лированы друг от друга и от оси генератора.

Для снятия тока служи­ли коллекторные щетки, представлявшие собой упру­гие латунные пластины, плотно прилегавшие к кол­лектору в надлежащих мес­тах, Они соединялись с за­жимами машины, откуда постоянный ток поступал во внешнюю цепь. Провод, идущий к одному из зажимов, кроме того, образовы­вал обмотку электромагнитов. Простейшее соединение генератора с обмот­ками электромагнита можно было получить, соединив один конец обмотки электромагнита с одной из щеток коллектора, например отрицательной. Дру­гой конец обмотки электромагнита подключался к положительной щетке. При таком соединении весь ток генератора проходил через электромагниты.

В целом первая динамо-машина Грамма представля­ла собой две железные вер­тикальные стойки, соеди­ненные сверху и снизу стержнями двух электро­магнитов. Полюсы этих электромагнитов находи­лись в их середине, так что каждый из них был как бы составлен из двух, одинако­вые полюса которых были обращены друг к другу. Можно рассматривать это устройство иначе и считать, что две половины, приле­гающие к каждой стойке и соединенные ею, образовывали два отдельных электромагнита, которые со­единялись одноименными полюсами сверху и снизу. В тех местах, где обра­зовывался полюс, к электромагнитам были присоединены особой формы же­лезные насадки, которые входили в пространство между электромагнитами и обхватывали кольцеобразный якорь машины. Две стойки, связывающие оба электромагнита и составлявшие основу всей машины, служили также для того, чтобы держать ось якоря и шкивы машины. В 1870 году, получив патент на свое изобретение, Грамм образовал «Общество производства магнитоэлектрических машин». Вскоре было нала­жено серийное производство его генераторов, которые произвели подлинную революцию в электроэнергетике. Обладая всеми достоинствами самовозбуж­дающихся машин, они вместе с тем были экономичны, имели высокий КПД и обеспечивали практически неизменный по величине ток. Поэтому машины Грамма быстро вытеснили другие электрогенераторы и получили широкое распространение в самых разных отраслях. Тогда только появилась возмож­ность легко и быстро преобразовывать механическую энергию в электриче­ство. Однако Грамм создавал свой генератор, как динамо-машину постоянного тока. Но когда в конце 70-х — начале 80-х годов XIX века резко возрос интерес к переменному току, ему не стоило большого труда переделать его для производства переменного тока. В самом деле, для этого надо было только заменить коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины. Сначала генераторами переменного тока пользовались только при освещении, но с развитием электрификации они стали получать все большее применение и постепенно вытеснили машины постоянного тока. Первона­чальная конструкция генератора также претерпела значительные изменения. Первая машина Грамма была двухполюсной, но в дальнейшем стали приме­нять многополюсные генераторы, в которых обмотка якоря проходила при каждом обороте мимо четырех, шести и более попеременно установленных полюсов электромагнита. В этом случае ток возбуждался не с двух сторон колеса, как раньше, но в каждой части колеса, обращенной к полюсу, и отсю­да отводился во внешнюю цепь. Таких мест было столько, сколько магнитных полюсов. Затем все щетки положительных по­люсов связывались вместе, то есть соединялись параллельно. Точно так же поступали и с отрицательными щетками.

По мере увеличения мощности генераторов возникла новая проблема — каким образом снять ток с вращающегося якоря с наименьшими потерями. Дело в том, что при больших токах щетки начинали искрить. Кроме больших потерь электроэнергии, это оказывало вредное воздействие на работу генера­тора. Тогда Грамм посчитал рациональным вернуться к самой ранней конст­рукции электрогенератора, примененной в машине Пиксии: он сделал арма­туру неподвижной, а вращаться заставил электромагниты, ведь снять ток с неподвижной обмотки было проще. Он поместил катушки якоря на железном неподвижном кольце и заставил электромагниты вращаться внутри него. От­дельные катушки он связал между собой так, чтобы все те катушки, которые в данный момент подвергались одинаковому действию электромагнитов, бы­ли соединены последовательно. Таким образом Грамм разбил все катушки на несколько групп и каждую группу употребил для доставления тока в отдель­ную самостоятельную цепь. Однако возбуждающие ток электромагниты не­обходимо было питать постоянным током, так как переменный ток не мог вызвать в них неизменной полярности. Поэтому при каждом генераторе пе­ременного тока необходимо было иметь небольшой генератор постоянного тока.