Безколекторний генератор постійного струму

Мрією багатьох вчених та винахідників, була і є мрія про створення безколекторної машини постійного струму. Бажання створити такий генератор цілком зрозуміле, тому що робочі характеристики колекторних машин – істотно краще, ніж у машин змінного струму, проте наявність вузла у вигляді колектора – обмежує потужність та застосування машин постійного струму. Безперспективність таких спроб призвело до того, що в деяких підручниках з електродинаміки та електротехніки з'явилися цілі розділи, присвячені теоретичному доказу того, що неможливо побудувати безколекторну машину постійного струму.

Проте, все ж таки заради історичної справедливості слід зауважити, що перший повноцінний генератор постійного струму був - безколекторним! Перший робочий генератор постійного струму, спільно з технікомЕрдлем Луї Шарлемд'Івернуа, винайшов і створив бельгійський електротехнік -Зеноб Теофіл Граму 1869 році. Однією з найважливіших переваг було те, що він застосував кільцевий якір, що дозволило давати постійний струм, практично незмінний за величиною. Такий струм повністю відповідав вимогам, які пред'являлися умовами самозбудження генератора. На противагу цьому в ранніх конструкціях генераторів із самозбудженням струм був різко пульсуючим. На малюнку представлено першу модель цього генератора (рис. 1). Як видно з малюнка в даному генераторі використовувалася спіраль, що обертається замкнута сама на себе, а для збору електрики використовувалися ковзні струмознімальні щітки, тобто. цей генератор був -безколекторним!

Розглянемо принцип роботи цього генератора докладніше. Візьмемо спіраль у вигляді колавиготовлену з мідного дроту і замкнуту саму себе і розташуємо дану спіраль між полюсами магніту (рис. 2). Уявімо подумки всю цю спіраль розділеної на дві половини - праву і ліву відносно в лінії, що утворюється1-3. З малюнка видно, що у всіх витках спіралі, що належать одній половині, збуджуватимуться електрорушійні сили одного напрямку. Оскільки всі витки з'єднані послідовно, всі ці окремі електрорушійні сили будуть складатися. На кінцях цієї половини спіралі, виявиться різниця потенціалів, яка дорівнюватиме сумі електрорушійних сил окремих витків, причому позитивний полюс буде в точціА.

Усі сітки правої сторони спіралі виявляються під дією однаково спрямованих електрорухомих сил. Напрямок їх протилежно напрямку електрорушійних сил на лівій половині спіралі. Всі електрорушійні сили правої половини також складаються в одну різницю потенціалів між точкамиАіВ, ця різниця протилежна за знаком тієї, яка утворюється на лівій половині спіралі. Так як на обох сторонах лініїАВвсе відбувається однаково, то і величина двох різниць потенціалів, що розбираються, - однакова.

Загальна різниця потенціалів на кінцях витків правої (звісно, також і лівої) половини залишається під час обертання кілець постійної за величиною. І хоча електрорушійна сила в окремих витках постійно змінюється; але в той час, як вона падає у витках, що рухаються від положення2до положення3, вона в тій же мірі росте у витках, що рухаються від положення1до положення2. Отже, сума електрорушійних сил усіх витків залишається завжди постійною.

Таким чином, дві половини нашої спіралі ми можеморахувати за два окремих джерела електрики, постійних по електрорушійній силі і з'єднаних один з одним у точкахАіВоднаковими полюсами тобто. з'єднаних паралельно. Коли ми обертаємо спіраль, не замкнувши точокАіВзовнішнім провідником, ці дві електрорушійні сили врівноважують один одного, тому що вони спрямовані в протилежні сторони, але якщо ми зв'яжемо загальні точки ( полюси)АіВзовнішнім провідником, тоді обидва джерела будуть діяти як елементи, пов'язані паралельно, і кожен дасть у провідник половину загального струму, при електрорушійній силі, яка постійна по величині і дорівнює різниці потенціалів, що розвивається у кожній половині спіралі. Залишається в точкахАіВрозташувати струмозйомні щітки, привести спіраль у обертання і отримати постійний струм, практично незмінний за величиною.

Звичайно електрорушійна сила, що розвивається даним генератором, була досить незначною, в порівнянні з сучасними колекторними генераторами постійного струму, і також у місцях зіткнення струмознімальних щіток зі спіраллю як і в колекторних генераторах спостерігалося іскріння.

По події майже 150 років після винаходу генератора Грама , про нього практично забули. Адже саме завдяки цьому генератору було відкрито принцип оборотності електричних машин і почалося масове застосування електрогенераторів та електродвигунів у промисловості. Мало того, деякі вчені пишуть наукові праці про неможливість створення безколекторного генератора постійного струму і при цьому готові звинуватити кожного в науковому невігластві, хто вважає інакше.

Історична довідка

Зеноб Теофіл Грам– був не першим, хто винайшов машину для перетворення механічної енергії наелектричну. Його заслуга в тому, що він зумів практично здійснити свою ідею та налагодити масове виробництво своїх генераторів у промислових масштабах.

Першим же винахідником генератора постійного струму, з використанням принципу самозбудження був датський винахідник -СоренХіорт. У 1852 році він представив науковому товариству в Копенгагені опис і креслення машини з самозбудженням, а через два роки взяв англійський патент на таку машину. Пізніше він удосконалив та побудував свою електричну машину. На превеликий жаль, ім'я цього датського винахідника, майже забуте і згадується історія електро техніки.

Слід згадати ще одного видатного вченого, італійського професора фізики в університеті Пізи – Антоніо Пачінотті. У 1860 році він побудував для кабінету технологічної фізики Пізанського університету, модель винайденої ним електромагнітної машини. У своїй електромагнітній машині,Антоніо Пачинотті, перший застосував кільцевий зубчастий якір, що було величезним технологічним проривом, проте самПачиноттібув далеким від практичної реалізації винайденого ним генератора.