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技术历史、技术、我们身边的事物
发电机。 发明和生产的历史
发电机是一种将非电能类型的能量（机械能、化学能、热能）转化为电能的装置。
长期以来，不同国家的物理学家试图发现这种依赖关系，但都失败了。 事实上，例如，如果永磁体靠近导体或线圈，则导体中不会产生电流。 但是如果我们开始移动这个磁铁：将它移近或远离线圈，插入和取出磁铁，导体中就会出现电流，并且在磁铁移动的整个期间都可以观察到电流. 也就是说，电流只能在交变磁场中出现。 1831 年，英国物理学家迈克尔·法拉第首次建立了这一重要模式。 经过一系列实验，法拉第发现，当导体相对于彼此或相对于磁铁运动时，所有这些情况下都会产生（感应）电流。 如果您将磁铁引入线圈，或者相同的是，相对于固定磁铁搅拌线圈，则会在其中感应出电流。 如果将一个线圈移到另一个线圈，电流通过线圈，其中也会出现电流。 当电路闭合和断开时可以达到相同的效果，因为在接通和断开的瞬间，线圈中的电流逐渐增加和减少，并在其周围产生交变磁场。 因此，如果在这样的线圈附近有另一个不包含在电路中的线圈，则其中会产生电流。
法拉第的发现对技术和整个人类历史都产生了巨大的影响，因为现在如何将机械能转换为电能，以及如何将电能转换回机械能变得很清楚。 这些转变中的第一个是发电机运行的基础，第二个是电动机的基础。 然而，这一发现本身并不意味着这条道路上的所有技术问题都得到了解决：制造一台可工作的发电机花了大约 XNUMX 年的时间，而发明出令人满意的工业电动机模型又花了 XNUMX 年的时间。 但最重要的是：这两个现代文明最重要元素的运作原理正是由于电磁感应现象的发现而变得显而易见。 第一台原始发电机是法拉第自己创造的。 为此，他在永磁体的 N 极和 S 极之间放置了一个铜盘。 当圆盘在磁场中旋转时，会在其中感应出电流。 如果将滑动触点形式的集电器放置在圆盘的外围及其中心部分，则它们之间会出现电位差，就像在原电池上一样。 闭合电路，可以观察电流计上电流的连续通过。
法拉第装置仅适用于演示，但在它之后出现了第一台磁电机（因为使用永磁体的发电机被称为），旨在产生工作电流。 其中最早的是 Pixia 的磁电机，建于 1832 年。
它的工作原理非常简单：通过曲柄和齿轮，位于它们对面的马蹄形磁铁 AB 的磁极经过固定的、装有磁芯线圈 E 和 E' 的磁极，由于在线圈中感应出哪些电流。 Pixia 机器的缺点是必须在其中旋转沉重的永磁体。 随后，发明人通常使线圈旋转，使磁铁保持静止。 诚然，在这种情况下，有必要解决另一个问题：如何将电流从旋转线圈转移到外部电路中？ 然而，这个困难很容易被克服。 首先，线圈与接线的一端串联。 然后另一端可以用作发电机极。 它们使用滑动触点连接到外部电路。
滑动触点布置如下：两个绝缘金属环 b 和 d 连接到机器的轴上，每个都连接到发电机的一个极。 两个扁平金属弹簧 B 和 B' 围绕这些环的圆周旋转，并在其上封闭了外部电路。 使用这样的装置，机器轴的旋转不再有任何困难 - 电流从轴流到它们接触点的弹簧。 另一个不便之处在于电流发生器的本质。 线圈中电流的方向取决于它们是接近磁极还是远离磁极。 由此得出，在旋转导体中产生的电流将不是恒定的，而是可变的。 当线圈接近磁铁的一个磁极时，电流强度将从零增加到某个最大值，然后随着它移开，再次减小到零。 随着进一步运动，电流将改变其方向，并再次增加到某个最大值，然后减小到零。 在随后的轮换中，将重复此过程。 因此，与电池不同的是，发电机会产生交流电，这一点必须加以考虑。 如您所知，大多数现代电器的设计方式都是由交流电供电。 但在 XNUMX 世纪，交流电不方便的原因有很多，主要是心理上的，因为在前几年人们习惯于处理直流电。 但是，交流电可以很容易地转换为具有一个方向的间歇性电流。 要做到这一点，在一个特殊装置的帮助下 - 一个开关 - 改变触点就足够了，当电流改变方向时，滑动弹簧从一个环传递到另一个环。 在这种情况下，一个触点持续接收一个方向的电流，而另一个触点持续接收相反方向的电流。
这样一个弹簧和触点的装置，乍一看很复杂，其实很简单。 换向器的每个环由两个半环组成，两个半环的末端部分重叠，弹簧很宽，可以沿着并排放置的两个半环滑动。 同一个环的两半彼此相距一定距离，但相互连接。 因此，接触弹簧c的半环a连接到c'在其上滑动的半环a'； b 和 b' 以相同的方式连接，因此在半圈内，接触 a 的弹簧 c 传递到 b，并且弹簧 c' 从 b' 传递到 a'。 将弹簧安装成这样并不难，即在线圈绕组中的电流方向发生变化的那一刻，它会从一个环传递到另一个环，然后每个弹簧都会始终提供相同方向的电流。 换句话说，它们是永久的两极。 一个正极，另一个负极，而线圈的两极提供交流电。 间歇性直流发电机可以很好地代替原电池，这在许多方面都不太方便，因此引起了当时物理学家和企业家的极大兴趣。 1856年，法国“联盟”公司甚至开始批量生产以蒸汽机为动力的大型发电机。 在这些发电机中，铸铁框架带有马蹄形永磁体，这些永磁体固定成几排，沿圆周均匀分布，并相对于轴呈径向分布。 在磁体行之间的间隔中，轴上安装了带有大量线圈的轴承轮。 此外，将带有 16 块金属板的收集器固定在轴上，彼此隔离并与机器轴隔离。 在轴旋转期间线圈中感应的电流使用滚轮从收集器中移除。 一台这样的机器需要一个 6-10 马力的蒸汽机来驱动。 联盟发电机的最大缺点是它们使用永磁体。 由于钢磁体的磁效应相对较小，因此为了获得强电流，需要大量使用大型磁体。 在震动的作用下，这些磁铁的强度迅速减弱。 由于所有这些原因，机器的效率一直很低。 但即使有这些缺点，Alliance 发电机还是获得了相当大的欢迎，并在市场上统治了十年，直到被更先进的机器取代。 首先，德国发明家西门子对动圈及其铁芯进行了改进。 （这些内部有铁的线圈被称为“锚”或“加强件”。）西门子的“双 T”锚由一个铁圆柱体组成，其中两个纵向凹槽从相对侧切开。 将绝缘线放置在排水沟中，沿着圆柱体的轴线方向叠加。 这样的锚在磁铁的两极之间旋转，紧紧地抓住它。
新主播相比之前的主播方便了很多。 首先，很明显，绕其轴线旋转的圆柱体形式的线圈在机械上比安装在轴上并随其旋转的线圈更有利。 关于磁作用，西门子电枢的优势在于可以非常简单地增加活动磁铁的数量（为此，延长电枢并添加一些新磁铁就足够了）。 具有这种电枢的机器提供了更加均匀的电流，因为圆柱体被磁铁的磁极紧紧包围。 但是这些优点并不能弥补所有磁电机的主要缺点——磁场仍然是使用永磁体在发电机中产生的。 XNUMX 世纪中叶的许多发明家都面临着这样一个问题：是否有可能用电磁铁代替不舒服的金属磁铁？ 问题是电磁铁本身会消耗电能，需要单独的电池或至少一个单独的磁电机来激励它们。 起初似乎没有他们是不可能的。 1866 年，王尔德创造了一个成功的发电机模型，其中金属磁铁被电磁体取代，它们的激励是由一个磁电机引起的，永磁体连接到同一台蒸汽机，使大型机器运转。 从这里到真正的发电机只有一步，它用自己的电流激发电磁体。 同年 1866 年，维尔纳·西门子发现了自激原理。 （与他同时，其他一些发明家也做出了同样的发现。）1867 年 XNUMX 月，他在柏林学院发表了一份报告“关于在不使用永磁体的情况下将劳动力转化为电流”。 一般来说，他的发现如下。 西门子发现，在每一个电磁铁中，当磁化电流停止作用后，总会留下微弱的磁痕，这些磁痕能够在装有软磁铁芯并在磁体两极之间旋转的线圈中感应出微弱的感应电流。 使用这些微弱的电流，可以在没有外部帮助的情况下为发电机供电。 1867 年，英国人莱德发明了第一台自激发电机，但它也提供了一个单独的线圈来激励电磁体。 Ledd 的机器由两个扁平电磁铁组成，两端之间有两个西门子电枢旋转。 其中一个电枢为电磁铁供电，另一个为外部电路提供电流。 电磁铁芯的微弱剩磁首先在第一个电枢的电枢中激发了非常微弱的电流； 这种电流在电磁铁周围流动并加强了它们已经存在的磁性状态。 结果，电枢中的电流依次增加，后者进一步增加了电磁铁的强度。 这种相互加强的过程一点一点地持续下去，直到电磁铁获得全部力量。 然后可以启动第二个电枢并从它接收电流用于外部电路。
改进发电机的下一步是完全消除其中一个电枢，而用另一个不仅激励电磁铁，还可以在外部电路中获得电流。 为此，只需将电流从电枢传导到电磁体的绕组，计算一切，以便后者能够达到其全部强度并将相同的电流引导到外部电路中。 但是由于设计如此简单，西门子电枢被证明是不合适的，因为极性的快速变化会在电枢中激发强大的寄生电流，铁芯的铁芯会迅速升温，这可能会导致损坏在大电流下到整个机器。 需要一种不同形式的锚，更符合新的操作模式。 比利时发明家Zinovy Theophilus Gramm很快就找到了一个成功的解决方案。 他住在法国，在联盟战役中担任木匠。 在这里，他熟悉了电。 考虑到对发电机的改进，Gramm 最终想出了用另一种具有环形形状的西门子锚来代替西门子锚的想法。 环形电枢（如下所示）之间的一个重要区别是它不会再磁化并且具有永久磁极（Gram 是自己发现的，但必须说早在 1860 年，意大利发明家 Pacinotti 在佛罗伦萨制造了一个带有环形锚的电动机；然而，这个发现很快就被遗忘了。） 因此，Gram 的研究出发点是让铁环在线圈内旋转，在线圈上感应出磁极，从而获得恒定方向的均匀电流。
为了介绍 Gramme 发生器的设备，让我们首先考虑以下设备。 在由 N 极和 S 极形成的磁场中，八个闭合的金属环旋转，它们借助辐条以彼此相等的距离连接到轴上。 让我们指定最上面的 1 号环，我们将按时钟指针的方向计数。 首先考虑环 1-5。 我们看到环 1 覆盖了最多数量的磁力线，因为它的平面垂直于它们。 环 2 已经覆盖了其中的一小部分，因为它向线的方向倾斜，而线根本不通过环 3，因为它的平面与它们的方向重合。 在环 4 中，相交线的数量增加了，但是，正如您所看到的，它们已经从另一侧进入，因为环 4 与环 2 相比，其另一侧面向磁极。第五环覆盖了同样多的磁极线作为第一条，但它们从对面进入。 如果我们旋转连接环的轴，那么每个环将依次通过位置 1-5。 在这种情况下，当从第 1 个位置移动到第 3 个位置时，环中会出现电流。 在从位置 3 到 5 的途中，如果力线从同一侧穿过环，则其中会出现与位置 1-3 相反的电流，但由于环相对于磁极的位置发生了变化，所以也就是说，它与另一侧转向它，环中的电流保持相同的方向。 但是，当环从位置 5 通过 6 和 7 再次到达 1 时，会在其中感应出与第一个相反的电流。
现在将我们想象的环替换为紧紧缠绕在铁环上的旋转线圈的匝，我们得到一个格莱姆环，其中电流将以与上述完全相同的方式感应。 假设绕组线没有绝缘层，但铁芯上覆盖着绝缘护套，导体匝中感应的电流无法通过。 那么螺旋的每一圈都将类似于我们上面考虑的环，并且每一半环中的匝将是串联的环形导体。 但是环的两半彼此相对连接。 这意味着来自两侧的电流都被引导到环的上半部分，因此在那里获得了正极。 同样，在较低的点，电流从那里流向，会有一个负极。 因此，可以将环比作一个由两部分组成的电池，它们彼此相对连接。
如果我们现在连接环的两端，我们得到一个闭合的直流电路。 在我们想象的装置中，这可以通过加强弹簧形式的滑动触点来轻松实现，使它们接触旋转环的顶部和底部并通过它们释放电流。 但实际上，Gramme 发电机有一个更复杂的装置，因为这里有几个技术难题：一方面，为了从环中移除电流，必须暴露绕组的匝数，另一方面，为了获得强电流，绕组必须紧密缠绕并多层缠绕。 如何将下层与上层隔离？ 在实践中，Gramm 环还辅以一种特殊的、相当复杂的装置，称为集电极，用于从绕组中排出电流。 收集器由金属板组成，金属板连接到环的轴上，形状像圆柱的扇形。 每个板都小心地与相邻的扇区和环的轴隔离。 绕组的每个扇区的末端连接到其中一个金属板上，并放置滑动弹簧，使它们始终与绕组的最高和最低扇区连接。 从绕组的两半获得直流电，直接流向连接到上部扇区的弹簧。 电流绕过上部电路并通过下部弹簧返回环。 因此，磁极从环本身的表面移动到其轴，从那里移除电流要容易得多。 以这种形式体现了发电机的原始模型。 然而，她无法工作。 正如格拉姆在他关于他的发明的回忆录中所写的那样，这里出现了一个新的困难：导体缠绕的环被强烈加热，因为随着发电机的快速旋转，这里也产生了电流。 由于过热，绝缘层不断失效。
对如何避免这种麻烦感到困惑，Gramm 意识到不能将电枢的铁芯制成实心，因为在这种情况下有害电流会变得太大。 但是通过将核心分解成碎片，从而在出现电流的路径中形成间隙，可以大大减少它们的有害影响。 这可以通过以下方式来实现：核心不是由单件制成，而是由金属丝制成，将其以环形的形式施加并小心地将一层与另一层隔离开来。 然后将绕组缠绕在该线环上。 每个电枢扇区都是多匝（层）的线圈。 单独的线圈以这样的方式连接，即电线连续绕着铁环运行，而且，沿着相同的方向。 从每对线圈的连接处都有一个导体连接到相应的集电板。 线圈的转数越大，可以从环中移除的电流就越大。
以这种方式制造的电枢安装在发电机的轴上。 为此，内部的铁环配有铁辐条，铁辐条通过安装在机器轴上的巨大环固定在收集器上。 如前所述，收集器由相同宽度的单独金属板组成。 各个收集器层彼此隔离并与发电机轴隔离。
为了消除电流，使用了集电刷，这是一种弹性黄铜板，可以在适当的位置紧贴集电体。 它们连接到机器的夹子上，直流电从那里流入外部电路。 此外，通向其中一个夹子的导线形成了一个电磁线圈。 发电机与电磁线圈的最简单连接可以通过将电磁线圈的一端连接到集电刷之一，例如负极刷来获得。 电磁铁绕组的另一端与正极电刷相连。 通过这种连接，整个发电机电流通过电磁铁。 一般来说，Gramm 的第一台发电机由两个铁立柱组成，其顶部和底部通过两个电磁铁的杆连接。 这些电磁铁的磁极在它们的中间，因此它们中的每一个都可以说是由两个相同的磁极彼此相对组成的。 可以不同地考虑这个装置，并认为与每个机架相邻并由其连接的两半形成两个独立的电磁铁，它们通过相同的磁极从上方和下方连接。 在那些形成磁极的地方，在电磁铁上附有异形铁喷嘴，进入电磁铁之间的空间，缠绕在机器的环形锚上。 连接两个电磁铁并构成整个机器基础的两个柱子还用于固定电枢轴和机器皮带轮。
1870 年，Gramm 获得了一项发明专利，成立了磁电机制造协会。 很快，他的发电机开始批量生产，这在电力行业掀起了一场真正的革命。 拥有自激电机的所有优点，同时它们很经济，效率高，提供的电流几乎没有变化。 因此，Gramma 机器迅速取代了其他发电机，并在各行各业广泛使用。 只有这样，才能轻松快速地将机械能转化为电能。 如前所述，格拉姆创造了他的发电机作为直流发电机。 但是当 70 世纪 80 年代末和 XNUMX 年代初对交流电的兴趣急剧增加时，他并没有花费太多的工作来改造它以产生交流电。 事实上，为此只需要用弹簧滑动的两个环替换收集器。 起初，交流发电机只用于照明，但随着电气化的发展，开始得到越来越多的使用，并逐渐取代了直流发电机。 发电机的原始设计也发生了重大变化。 第一台格拉姆电机是双极的，但后来使用了多极发电机，其中电枢绕组每转通过四个、六个或更多个交替安装的电磁铁极。 在这种情况下，电流并没有像以前那样从车轮的两侧激发，而是在车轮的每个面向极点的部分中激发，并从这里转移到外部电路。 这样的地方（以及相应的刷子）与磁极一样多。 然后将所有正极的电刷连接在一起，即并联。 负刷也是如此。 随着发电机功率的增加，出现了一个新问题——如何以最小的损耗从旋转电枢中去除电流。 事实是，在高电流下，电刷开始产生火花。 除了大量的电力损失外，这对发电机的运行也产生了不利影响。 然后格拉姆认为回到 Pixia 机器中使用的最早的发电机设计是合理的：他使电枢静止，并使电磁铁旋转，因为从静止绕组中去除电流更容易。 他把电枢线圈放在一个铁固定环上，让电磁铁在里面旋转。 他将各个线圈相互连接起来，使当前受到相同电磁铁作用的所有线圈串联起来。 因此，Gramm 将所有线圈分成几组，并使用每组将电流输送到单独的独立电路。 然而，激发电流的电磁铁必须用直流电供电，因为交流电不能在它们中产生不变的极性。 因此，对于每个交流发电机，都需要有一个小型直流发电机，通过滑动触点将电流从该发电机提供给电磁铁。 作者：Ryzhov K.V.
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