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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
発電機。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト 発電機は、非電気的形態のエネルギー (機械的、化学的、熱的) を電気エネルギーに変換する装置です。
長い間、さまざまな国の物理学者がこの依存性を発見しようとしましたが、失敗しました。 実際、たとえば永久磁石が導体またはコイルの隣にある場合、導体に電流は発生しません。 しかし、この磁石を動かし始めると、磁石をコイルに近づけたり遠ざけたり、磁石を挿入したり取り外したりすると、導体に電流が現れ、磁石が移動している間ずっと観察できます。 . つまり、電流は交流磁場でしか発生しません。 この重要なパターンは、1831 年にイギリスの物理学者マイケル ファラデーによって初めて確立されました。 一連の実験の後、ファラデーは、導体が相互に、または磁石に対して移動すると、これらすべての場合に電流が発生する（誘導される）ことを発見しました。 コイルに磁石を導入するか、同じように、固定磁石に対してコイルをかき混ぜると、コイルに電流が誘導されます。 電流が流れるコイルを別のコイルに移動すると、そのコイルにも電流が流れます。 回路を開閉するときにも同じ効果が得られます。これは、オンとオフを切り替える瞬間に、コイル内の電流が徐々に増減し、コイルの周囲に交流磁場が発生するためです。 したがって、回路に含まれていない別のコイルがそのようなコイルの近くにある場合、電流がそのコイルに発生します。
ファラデーの発見は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気エネルギーを機械エネルギーに戻す方法が明らかになったため、テクノロジーと人類の歴史全体に大きな影響を与えました。 これらの変換の最初のものは発電機の動作の基礎を形成し、XNUMX番目は電気モーターの基礎を形成しました。 しかし、この発見の事実は、この道筋に沿ったすべての技術的問題が解決されたことを意味するものではありませんでした.実行可能な発電機を作成するのに約XNUMX年かかり、産業用電動機の満足のいくモデルを発明するのにさらにXNUMX年かかりました. しかし重要なことは、電磁誘導現象の発見のおかげで、現代文明のこれらXNUMXつの最も重要な要素の動作原理が明らかになったということです。 最初の原始的な発電機はファラデー自身によって作成されました。 これを行うために、彼は永久磁石のN極とS極の間に銅の円盤を置きました。 ディスクが磁場の中で回転すると、電流がディスクに誘導されました。 スライド接点の形の集電体がディスクの周囲とその中央部分に配置された場合、ガルバニ電池のように、それらの間に電位差が現れました。 回路を閉じると、検流計に電流が連続的に流れるのを観察することができました。
ファラデーの設備はデモンストレーションにのみ適していましたが、その後、動作電流を生成するように設計された最初の磁気電気機械が登場しました (永久磁石を使用する発電機が呼び出されたため)。 これらの中で最も初期のものは、1832 年に建設された Pixia の磁気電気機械でした。
その動作原理は非常に単純でした。クランクとギアによって、馬蹄形の磁石ABの極が、それらの反対側にあり、コアコイルEとE'を備えた固定具を通過しました。どの電流がコイルに誘導されたか。 Pixiaのマシンの欠点は、重い永久磁石を回転させる必要があることでした。 その後、本発明者らは通常、磁石を静止させたまま、コイルを回転させた。 確かに、この場合、別の問題を解決する必要がありました。回転コイルから外部回路に電流を迂回させる方法は？ しかし、この困難は簡単に克服されました。 まず、コイルは配線の一端と直列に接続されていました。 次に、もう一方の端が発電機の極として機能する可能性があります。 スライド接点を使用して外部回路に接続しました。
滑り接点は次のように配置されています。XNUMXつの絶縁金属リングbとdが機械の軸に取り付けられ、それぞれが発電機の極のXNUMXつに接続されていました。 XNUMX つの平らな金属バネ B と B' がこれらのリングの周囲を回転し、その上に外部回路が取り囲まれています。 このような装置を使用すると、機械の軸の回転による問題はなくなりました。電流は、軸からばねの接触点に流れました。 もうXNUMXつの不便は、電流発生器の性質そのものです。 コイルの電流の方向は、磁石の極に近づいているか、離れているかによって異なります。 このことから、回転する導体に発生する電流は一定ではなく、変化することになります。 コイルが磁石の極の XNUMX つに近づくと、電流の強さはゼロからある最大値まで増加し、その後、離れると再びゼロまで減少します。 さらに移動すると、電流はその方向を反対に変え、再びある最大値まで増加し、その後ゼロまで減少します。 以降のローテーションでは、このプロセスが繰り返されます。 そのため、電池とは異なり、発電機は交流電流を生成するため、これを考慮する必要があります。 ご存知のように、最新の電化製品のほとんどは、交流で電力を供給するように設計されています。 しかし、XNUMX 世紀には、交流は多くの理由で不便でした。主に心理的な理由でした。以前は、人々は直流を扱うことに慣れていたからです。 ただし、交流は、一方向の断続的な電流に簡単に変換できます。 これを行うには、特別なデバイス（スイッチ）の助けを借りて、電流の方向が変わる瞬間にスライドスプリングがあるリングから別のリングに移動するように接点を変更するだけで十分でした。 この場合、一方の接点は常に一方向に電流を受け取り、もう一方の接点は反対方向に電流を受け取りました。
このようなバネと接点の装置は、一見すると非常に複雑に見えますが、実際には非常に単純です。 整流子の各リングは XNUMX つの半リングでできており、その両端は部分的に重なり合っており、スプリングは非常に幅が広いため、XNUMX つの半リングを並べてスライドすることができました。 同じリングの半分は互いに少し離れて配置されていましたが、相互に接続されていました。 このように、バネ c に接触しているハーフ リング a は、c' がスライドしたハーフ リング a' に接続されていました。 b と b' は同じように接続されているため、a に触れているばね c は半回転で b に移動し、ばね c' は b' から a' に移動しました。 コイル巻線の電流の方向が変化した瞬間にあるリングから別のリングに移動し、各スプリングが常に同じ方向の電流を流すようにスプリングを取り付けることは難しくありませんでした。 言い換えれば、それらは恒久的な極でした。 一方はプラス、もう一方はマイナスで、コイルの極は交流電流を供給します。 断続的な直流発電機は、多くの点で不便だったガルバニ電池を十分に置き換えることができたため、当時の物理学者や起業家の間で大きな関心を集めました。 1856 年には、フランスの会社「アライアンス」が、蒸気機関を動力源とする大型発電機の連続生産を開始しました。 これらの発電機では、鋳鉄製のフレームに馬蹄形の永久磁石が数列に固定されており、円周に沿ってシャフトに対して放射状に等間隔に配置されていました。 磁石の列の間の間隔で、多数のコイルを備えたベアリングホイールがシャフトに取り付けられました。 また、16 枚の金属板を備えたコレクターがシャフトに固定され、互いに分離され、機械のシャフトからも分離されていました。 シャフトの回転中にコイルに誘導された電流は、ローラーを使用してコレクターから除去されました。 そのような機械の 6 つは、駆動用に 10 ～ XNUMX 馬力の蒸気エンジンを必要としました。 アライアンス発電機の大きな欠点は、永久磁石を使用していたことです。 スチール磁石の磁気効果は比較的小さいため、強力な電流を得るには、大きな磁石を大量に使用する必要がありました。 振動の作用下で、これらの磁石の強さは急速に弱まりました。 これらすべての理由により、機械の効率は常に非常に低いままでした。 しかし、これらの欠点があっても、アライアンスの発電機はかなりの人気を得て、より高度な機械に取って代わられるまでの XNUMX 年間、市場を支配しました。 まず第一に、ドイツの発明者であるシーメンスは可動コイルとその鉄芯を改良しました。 (内部に鉄が入っているこれらのコイルは、「アンカー」または「補強材」と呼ばれていました。) シーメンスの「ダブル T」アンカーは、XNUMX つの縦方向の溝が反対側から切り取られた鉄のシリンダーで構成されていました。 ガターには絶縁されたワイヤーが配置され、シリンダーの軸の方向に沿って重ねられました。 このようなアンカーは、磁石の極の間で回転し、しっかりと固定されました。
以前のものと比較して、新しいアンカーは非常に便利でした. まず第一に、その軸を中心に回転する円筒形のコイルは、シャフトに取り付けられてシャフトとともに回転するコイルよりも機械的に有利であることは明らかです。 磁気作用に関して、シーメンスのアーマチュアには、アクティブな磁石の数を非常に簡単に増やすことができるという利点がありました（これには、アーマチュアを長くしていくつかの新しい磁石を追加するだけで十分でした）。 このような電機子を備えた機械は、シリンダーが磁石の極にしっかりと囲まれているため、はるかに均一な電流を供給しました。 しかし、これらの利点は、すべての磁気電気機械の主な欠点を補うものではありませんでした.磁場は、永久磁石を使用して発電機で作成されていました。 XNUMX 世紀半ばの多くの発明者は、不快な金属磁石を電気磁石に置き換えることは可能か?という疑問に直面しました。 問題は、電磁石自体が電気エネルギーを消費し、それらを励起するために別のバッテリーまたは少なくとも別の磁電機械が必要だったことです。 最初は、それらなしでは不可能だと思われました。 1866 年にワイルドは、金属磁石を電磁石に置き換えた発電機のモデルを作成し、発電機を作動させたのと同じ蒸気エンジンに接続された永久磁石を備えた磁電機械によって励磁を行った。 ここから、独自の電流で電磁石を励磁する実際のダイナモまであと XNUMX ステップでした。 同じ 1866 年に、Werner Siemens は自励式の原理を発見しました。 (彼と同時に、他の何人かの発明者が同じ発見をしました。) 1867 年 XNUMX 月、彼はベルリン アカデミーで「永久磁石を使用しない労働力の電流への変換について」というレポートを提出しました。 大まかに言うと、彼の発見は次のとおりです。 シーメンスは、すべての電磁石に、磁化電流が作用しなくなった後、常に小さな痕跡の磁気が残っていることを確立しました。これは、軟磁性の鉄心を備え、磁石の極の間で回転するコイルに弱い誘導電流を誘導することができました. これらの微弱な電流を使用して、外部の助けなしに発電機に電力を供給することができました。 最初の自励式ダイナモは1867年に英国人レッドによって作成されましたが、電磁石を励起するための別個のコイルも備えていました。 レッドの機械はXNUMXつの平らな電磁石で構成され、その両端の間でXNUMXつのシーメンスアーマチュアが回転しました。 アーマチュアのXNUMXつは電磁石に電力を供給するための電流を供給し、もうXNUMXつは外部回路に電力を供給しました。 電磁石のコアの弱い残留磁気は、最初に最初の電機子の電機子に非常に弱い電流を励起しました。 この電流は電磁石の周りを流れ、電磁石にすでに存在する磁気状態を強化しました。 その結果、電機子の電流が順番に増加し、後者は電磁石の強度をさらに増加させました。 電磁石が完全な力を獲得するまで、この相互強化は少しずつ続きました。 次に、XNUMX番目のアーマチュアを作動させ、外部回路用にそこから電流を受け取ることができました。
ダイナモの改良の次のステップは、アーマチュアの XNUMX つを完全に排除し、もう XNUMX つのアーマチュアを使用して電磁石を励磁するだけでなく、外部回路に電流を流すという方向で行われました。 これを行うには、アーマチュアから電磁石の巻線に電流を流し、電磁石が完全な強度に達して同じ電流を外部回路に流すことができるようにすべてを計算するだけで済みました。 しかし、このような設計の単純化により、シーメンスのアーマチュアは不適切であることが判明しました。極性が急速に変化すると、アーマチュアに強い寄生電流が励起され、コアの鉄が急速に加熱され、損傷につながる可能性があるためです。高電流でマシン全体に。 新しい操作モードに合わせて、別の形式のアンカーが必要でした。 この問題の解決策は、ベルギーの発明家ジノビー・テオフィルス・グラムによってすぐに発見されました。 彼はフランスに住み、大工としてアライアンス キャンペーンに参加しました。 ここで彼は電気に精通しました。 発電機の改善を反映して、グラムは最終的に、シーメンスのアンカーを環状の形状を持つ別のものに置き換えるというアイデアを思いつきました。 リング アーマチュアの重要な違い (以下に示すように) は、再磁化されず、恒久的な極を持っていることです (グラムは独自に発見しましたが、1860 年にイタリアの発明家パチノッティがフィレンツェで環状アンカーを備えた電気モーターを製造しましたが、この発見はすぐに忘れられました。) そこでグラムの探求の出発点は、磁極が誘導されたワイヤーコイルの中で鉄のリングを回転させ、一定方向の均一な電流を得ることでした。
Gramme ジェネレーターのデバイスを提示するために、まず次のデバイスを考えてみましょう。 N 極と S 極によって形成される磁場の中で、1 つの閉じた金属リングが回転します。これらのリングは、スポークの助けを借りて、互いに等距離で軸に取り付けられています。 一番上のリングNo.1を指定して、時計の針の方向に数えましょう。 最初にリング 5 ～ 1 を考えてみましょう。 リング 2 は、その平面が磁力線に垂直であるため、最も多くの磁力線をカバーしていることがわかります。 リング 3 は、ラインの方向に対して傾斜しているため、すでに少数のリングをカバーしており、リング 4 の平面はリングの方向と一致しているため、ラインはリング 4 をまったく通過しません。 リング 2 では、交差する線の数が増えますが、簡単にわかるように、リング 1 はリング 5 とは反対側で磁極に面しているため、交差する線はすでに反対側から入っています。ラインは最初と同じですが、反対側から入ります。 リングが取り付けられている軸を回転させると、各リングは順番に位置 1 ～ 3 を通過します。 この場合、3 番目の位置から 5 番目の位置に移動すると、リングに電流が現れます。 位置 1 から 3 への途中で、力線が同じ側からリングを横切った場合、位置 5-6 とは反対の電流がリングに現れますが、リングは極に対してその位置を変更するため、つまり、反対側に向けると、リング内の電流は同じ方向を保ちます。 しかし、環が 7 位から 1 位、XNUMX 位から XNUMX 位になると、最初とは逆の電流が誘導されます。
架空のリングを鉄のリングにしっかりと巻かれた回転コイルのターンに置き換えると、上記とまったく同じ方法で電流が誘導されるグラムリングが得られます。 巻線には絶縁がなく、鉄心は絶縁シースで覆われており、導体のターンに誘導された電流は通過できないとします。 次に、スパイラルの各ターンは、上記で検討したリングに似ており、リングの各半分のターンは、直列接続されたリング導体になります. しかし、リングの両方の半分は互いに反対側に接続されています。 これは、両側からの電流がリングの上半分に向けられることを意味し、したがって、そこに正極が得られます。 同様に、電流の方向が決まる下の点には、負極があります。 したがって、リングは、互いに逆向きに接続された XNUMX つの部品で構成される電池と比較することができます。
ここでリングの両端を接続すると、閉じた DC 回路が得られます。 私たちの架空のデバイスでは、これは、回転リングの上部と下部に接触して電流を放電するように、スプリングの形でスライド接点を強化することで簡単に実現できます。 しかし、実際には、Gramme ジェネレーターにはより複雑なデバイスがありました。ここにはいくつかの技術的な問題があったためです。一方で、リングから電流を除去するには、巻線のターンを露出させる必要があります。強い電流を得るには、巻線をしっかりと多層に巻く必要があります。 下層を上層から分離する方法は？ 実際には、グラムリングはコレクターと呼ばれる特別でかなり複雑なデバイスによって補完され、巻線から電流を排出する役割を果たしました。 コレクターは、リングの軸に取り付けられ、シリンダーのセクターのような形をした金属板で構成されていました。 各プレートは、隣接するセクターおよびリングの軸から注意深く分離されました。 巻線の各セクターの端は金属板のXNUMXつに接続され、スライドスプリングは、巻線の最上部と最下部のセクターに常に接続されるように配置されました。 巻線の両方の半分から、上部セクターに接続されたスプリングに向けられた直流が得られました。 電流は上部回路をバイパスし、下部スプリングを介してリングに戻りました。 したがって、極はリング自体の表面からその軸に移動し、そこから電流を除去するのがはるかに簡単になりました。 この形で、発電機のオリジナルモデルが具現化されました。 しかし、彼女は働くことができませんでした。 グラムが彼の発明についての回想録に書いたように、ここに新たな困難が現れました。発電機の急速な回転によって電流もここに誘導されたという事実のために、導体が巻かれたリングが強く加熱されました。 過熱の結果、絶縁が継続的に機能しなくなりました。
この問題を回避する方法に戸惑いながら、グラムはアーマチュアの鉄心を固めることができないことに気づきました。この場合、有害な電流が大きすぎることが判明したためです。 しかし、コアを細かく分割して、出現する流れの経路にギャップを形成することにより、それらの有害な影響を大幅に減らすことができました。 これは、コアを単一の部品からではなくワイヤーから作成し、リングの形で押し付け、ある層を別の層から注意深く分離することによって実現できます。 次に、このワイヤーリングに巻線を巻き付けました。 各電機子セクターは、多くのターン（層）のコイルでした。 別々のコイルは、ワイヤーが鉄の輪の周りを連続的に走り、さらに同じ方向に走るように接続されました。 コイルの各ペアの接合部から、対応するコレクタープレートへの導体がありました。 コイルの回転数が多いほど、リングから除去できる電流が大きくなります。
このようにして作られた電機子は、発電機の軸に取り付けられました。 これを行うために、内側の鉄のリングには鉄のスポークが付属しており、機械の車軸に取り付けられた巨大なリングでコレクターに固定されていました。 すでに述べたように、コレクターは同じ幅の別々の金属板で構成されていました。 個々のコレクタ層は、互いに分離され、ジェネレータ軸からも分離されていました。
電流を除去するために、適切な場所でコレクターにぴったりとフィットする弾性真鍮プレートであるコレクター ブラシが使用されました。 それらは機械のクランプに接続され、そこから直流が外部回路に流れました。 さらに、クランプのXNUMXつにつながるワイヤは、電磁石の巻線を形成しました。 発電機を電磁石巻線に最も簡単に接続するには、電磁石巻線の一端をコレクタ ブラシの XNUMX つ、たとえば負のブラシに接続します。 電磁石巻線のもう一方の端は、正のブラシに接続されていました。 この接続により、発電機の電流全体が電磁石を通過しました。 一般に、グラムの最初のダイナモは、XNUMXつの電磁石のロッドによって上部と下部で接続されたXNUMXつの鉄の垂直支柱で構成されていました。 これらの電磁石の極はそれらの真ん中にあったので、それらのそれぞれは、いわば、同じ極が互いに向き合っているXNUMXつで構成されていました。 このデバイスを別の方法で検討し、各ラックに隣接し、それによって接続されたXNUMXつの半分が、上下の同じ極によって接続されたXNUMXつの別々の電磁石を形成したと考えることができます。 ポールが形成された場所では、電磁石に特殊な形状の鉄製ノズルが取り付けられ、電磁石間のスペースに入り、機械のリング状のアンカーに巻き付けられました。 両方の電磁石を接続し、機械全体の基礎を形成するXNUMXつの支柱は、電機子車軸と機械の滑車を保持する役割も果たしました。
1870 年、彼の発明の特許を取得したグラムは、磁気電気機械製造協会を設立しました。 すぐに彼の発電機の大量生産が開始され、電力業界に真の革命をもたらしました。 自励式機械のすべての利点を備えていると同時に、経済的であり、効率が高く、実質的に大きさが変わらない電流を提供しました。 したがって、Gramma マシンはすぐに他の発電機に取って代わり、さまざまな業界で普及しました。 そうして初めて、機械エネルギーを簡単かつ迅速に電気に変換することが可能になりました。 すでに述べたように、グラムは発電機を直流発電機として作成しました。 しかし、70 世紀の 80 年代後半から XNUMX 年代前半にかけて交流への関心が急激に高まったとき、交流の生産のためにそれを作り直すのにそれほど労力はかかりませんでした。 実際、これには、スプリングがスライドするXNUMXつのリングでコレクターを交換するだけで済みました。 当初、交流発電機は照明のみに使用されていましたが、電化の進展に伴い、ますます使用されるようになり、徐々に直流機に取って代わりました。 発電機の元の設計も大幅に変更されました。 最初のグラム機はバイポーラでしたが、後に多極発電機が使用され、電機子巻線が XNUMX 回転ごとに電磁石の XNUMX つ、XNUMX つ、またはそれ以上の交互に設置された極を通過しました。 この場合、電流は以前のようにホイールの両側から励起されるのではなく、ポールに面するホイールの各部分で励起され、ここから外部回路に迂回されました。 磁極と同じ数のそのような場所（したがって、ブラシ）がありました。 次に、正極のすべてのブラシを互いに接続、つまり並列に接続しました。 ネガティブブラシでも同じことが行われました。 発電機の電力が増加するにつれて、新しい問題が発生しました-損失を最小限に抑えて回転電機子から電流を除去する方法です。 実際のところ、大電流ではブラシが火花を散らし始めました。 電力の大きな損失に加えて、これは発電機の動作に悪影響を及ぼしました。 その後、グラムはピクシアの機械で使用された発電機の最も初期の設計に戻ることが合理的であると考えました: 彼はアーマチュアを静止させ、電磁石を回転させました。 彼は電機子コイルを鉄の固定リングに配置し、その中で電磁石を回転させました。 彼は個々のコイルを互いに接続し、現在電磁石の同じ作用を受けているすべてのコイルが直列に接続されるようにしました。 したがって、グラムはすべてのコイルをいくつかのグループに分け、各グループを使用して個別の独立した回路に電流を供給しました。 ただし、電流を励起する電磁石には直流を供給する必要がありました。これは、交流では一定の極性が得られないためです。 したがって、各オルタネーターには、小さなDCジェネレーターが必要であり、そこからスライド接点を使用して電磁石に電流が供給されました。 著者：Ryzhov K.V.
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