Аккумулятор тока сэра уильяма томсона
«The Electrical Engineer», Нью-Йорк, 2 сентября 1891 г.
Фундаментальным открытиям, великим достижениям разума свойственно неослабно держать в своей власти воображение мыслителя. достопамятный эксперимент Фарадея с диском, вращающимся между двумя полюсами магнита, принесший такие великолепные плоды, давно стал обыденным явлением, и всё же у этого прообраза нынешних динамо-машин и двигателей есть определенные особенности, которые даже сегодня кажутся нам поразительными и заслуживают самого тщательного изучения.
Рассмотрим, например, диск из железа или другого металла, вращающийся между двумя противоположными полюсами магнита, когда поверхности полюсов полностью охватывают обе стороны диска, и предположим, что с помощью контактов ток равномерно снимается со всех точек периметра диска и поступает на него. Рассмотрим сначала двигатель. Во всех обычных двигателях их работа зависит от некоторого смещения или изменения равнодействующей силы магнитного притяжения, действующей на якорь. Этот процесс осуществляется или с помощью механического приспособления на двигателе, или благодаря действиям токов соответствующего свойства. Мы можем объяснить принцип действия такого двигателя с тем же успехом, как мы делаем это в отношении водяного колеса. Но в вышеприведенном примере с диском, находящимся полностью между полярными поверхностями, нет смещения магнитного воздействия, никаких изменений не происходит, но, насколько нам известно, вращение всё-таки имеет место. В этом случае привычные суждения неприменимы; мы не можем дать даже поверхностного объяснения явлению, как это было бы возможным для обычных моторов, и принцип действия станет нам понятным только тогда, когда мы осознаем истинную природу задействованных сил и поймем тайну невидимого связующего механизма.
Рассматриваемый в качестве динамо-машины диск в равной степени интересен и как объект изучения. В дополнение к своему особенному свойству вырабатывать токи одного направления без применения переключающих устройств такой генератор отличается от обычных динамо-машин еще тем, что в нем не происходит реактивного взаимодействия между якорем и полем. Ток в якоре имеет свойство создавать магнитное поле, направленное под прямым углом к полю возбуждения, но поскольку ток снимается равномерно со всех точек периметра и, если быть точным, внешний контур тоже можно смонтировать идеально симметрично к электромагниту, никакая реакция не может произойти. Это, однако, верно только до тех пор, пока магниты слабо подпитываются, ибо когда магниты более или менее насыщены, намагниченные под прямым углом поля, по-видимому, интерферируют.
Из одного только этого примера явствует, что мощность такого генератора должна быть намного больше, чем у другой подобной машины при одном и том же весе, в которой ток якоря имеет свойство размагничивать поле. Исключительно высокая мощность униполярной динамо-машины форбза и опыт автора подтверждают эту точку зрения.
С другой стороны, легкость, с которой такие машины, способные самовозбуждаться, могут быть построены, поразительна, но это может быть обусловлено — помимо отсутствия противодействия со стороны якоря — идеальной однородностью тока и отсутствием самоиндукции.
Если полюсы не охватывают диск полностью с обеих сторон, тогда, конечно, генератор станет работать очень неэффективно, если только диск не будет должным образом разделен. Кроме того, есть еще моменты, заслуживающие внимания. При условии, что диск вращается, а ток возбуждения прерывается, сквозь якорь он пойдет непрерывно, а возбуждающие магниты будут терять свою напряженность сравнительно медленно. Причина этого сразу станет понятной, когда мы рассмотрим направление токов в диске.
На схеме ил. 1 dобозначает диск со скользящими контактами ВВ’ уоси и на окружности. N и Sобозначают два полюса магнита. Предполагается, что полюс N находится впереди, как показано на схеме, а диск — в плоскости рисунка и вращается в направлении, указанном стрелкой D; ток в диске протекает от центра к краю, как указывает стрелка А. поскольку действие магнитного поля более или менее ограничено пространством между полюсами NS, другие части диска могут рассматриваться как неактивные. следовательно, создаваемый ток не полностью пройдет по внешнему контуру F, но будет замыкаться на самом диске, и, как правило, если расположение в какой-то степени подобно представленному на рисунке, значительная часть генерированного тока не выйдет наружу, так как контур F практически замкнут накоротко нерабочей частью диска. Можно предположить, что направление результирующих токов в последнем будет таким, как указано пунктирной линией и стрелками т и я, а направление питающего тока возбуждения обозначено стрелками abed.Рисунок показывает, что вихревой ток одного из двух направлений, а именно АВ’mВ,стремится размагнитить поле, в то время как другой ток, а именно АВ’mВ,производит противоположное действие. Следовательно, ток направления АВ’mВ,который создает приближающееся поле, будет расталкивать силовые линии, тогда как ток направления АВ’nВ,а именно создающий удаляющееся поле, будет притягивать силовые линии к себе.
Вследствие этого всегда будет проявляться тенденция к ослаблению тока в токопроводящем пути АВ’mВ,тогда как в пути тока АВ’nВтакого противодействия не будет, и эффект последнего из названных направлений, или токопроводящих путей, будет иметь перевес в большей или меньшей степени над первым. Общий эффект от токов в обоих предполагаемых направлениях может быть эквивалентен по результативности одиночному току того же направления, что и ток, создающий поле. Другими словами, вихревые токи, циркулирующие в диске, будут питать возбуждающий магнит. Этот результат совершенно противоположен тому, к которому мы могли бы прийти, поскольку, естественно, ожидали, что результирующее воздействие тока в обмотке якоря станет проявляться в противодействии току возбуждения, как это обычно происходит, когда проводники токов первичной и вторичной обмоток находятся в индуктивной связи. Но следует помнить, что в данном случае это происходит благодаря особому расположению двух путей, предоставленных току, и он выбирает тот, где при своем прохождении встречает наименьшее противодействие. Отсюда мы видим, что вихревые токи, проходящие в диске, частично подпитывают поле, и поэтому, когда ток возбуждения прерывается, токи в диске продолжают течь, и ослабление напряженности возбуждающего магнита будет происходить сравнительно медленно, и он сможет даже сохранять определенную степень напряженности, пока происходит вращение диска.
Конечно, результат в значительной степени будет зависеть от сопротивления и геометрических размеров пути результирующего вихревого тока и скорости вращения; эти факторы, в частности, обусловливают замедление этого тока и его положение относительно поля. Определенной скорости будет соответствовать максимальное возбуждающее действие; тогда при возрастании скорости оно будет постепенно падать до нуля и в конце концов реверсировать, то есть результирующий эффект вихревого тока должен будет ослаблять поле. Это взаимодействие лучше всего продемонстрировать экспериментально, разместив обмотки возбуждения NS и N’S‘ так, чтобы они свободно двигались на оси и располагались концентрически по отношению к оси диска. Если бы последний вращался, как и раньше, в направлении стрелки D, поле увлекалось бы в одном направлении с крутящим моментом, который до определенной точки будет нарастать вместе со скоростью вращения, затем спадать и, пройдя через нулевую отметку, в конце концов станет отрицательным; то есть поле начнет вращаться в обратном направлении относительно диска. Этот интересный результат наблюдался в опытах с электродвигателями переменного тока, в которых поле смещалось токами другой фазы. При очень низких скоростях вращения поля двигатель покажет крутящий момент в 900 фунто-футов или выше, который проявится на шпинделе диаметром 12 дюймов. Когда скорость вращения полюсов возрастала, крутящий момент уменьшался, доходил, в конце концов, до нуля, становился отрицательным, и тогда якорь начинал вращаться в противоположном относительно поля направлении.
Вернемся к основному вопросу. Допустим, что условия будут таковы, что вихревые токи, вызванные вращением диска, усиливают поле, и предположим, что поле постепенно перемещается, пока диск вращается с нарастающей скоростью. Ток, однажды возникнув, может затем быть достаточным, чтобы сохраниться и даже увеличить силу, и тогда мы получим то, что известно как «аккумулятор тока» сэра Уильяма Томсона. Но вышеизложенные соображения приводят к очевидному выводу: для успешного проведения эксперимента необходимо использовать неразделенный диск, ибо при наличии радиального деления вихревые токи не могут сформироваться и процесс самовозбуждения прервется. Если бы был использован такой радиально разделенный диск, возникла бы необходимость соединить деления с помощью токопроводящей скобы или любым другим подходящим способом, чтобы образовать симметричную систему замкнутых контуров.
Действие вихревых токов можно использовать для возбуждения машин любой конструкции. Например, на ил. 2 и 3 показана компоновка, при которой может возбуждаться машина с дисковым якорем. Здесь магниты NS, NSразмещаются радиально на каждой стороне металлического диска D, имеющего по краю определенное количество изолированных катушек СС. магниты образуют два обособленных поля, внутреннее и внешнее, при этом твердый диск вращается в ближайшем к оси, а катушки находятся в более удаленном от оси. допустим, что магниты изначально слабо намагничены; под воздействием вихревых токов в твердом диске их возбуждение может возрасти настолько, что создает более сильное поле для периферийных катушек. Однако, несмотря на то что при соблюдении надлежащих условий машина, несомненно, может возбудиться тем или иным способом, имеется достаточно много полученных экспериментальным путем доказательств расточительности такого способа возбуждения.
Но такой тип униполярной машины или двигателя, какой показан на ил. 1, может эффективно возбуждаться просто при правильном разделении диска или цилиндра, в которых образуются токи, что дает реальную возможность избавиться от обычно применяемых катушек возбуждения. Такая схема представлена на рисунке 4. Предполагается, что диск или цилиндр d установлен таким образом, чтобы он мог вращаться между полюсами N и S магнита, который полностью закрывает его с обеих сторон, контуры диска и полюсы представлены в виде окружностей dud 1 соответственно, передний полюс не показан, чтобы было лучше видно. В середине магниты должны быть полыми, чтобы сквозь них могла пройти ось С диска. Если необозначенный полюс находится сзади, а диск вращается но часовой стрелке, ток будет проходить, как и прежде, от центра к краю окружности, и с помощью скользящих контактов ВВ 1 он может поступать на ось и на окружность соответственно. В этом устройстве ток, проходящий сквозь диск и внешний контур, не будет оказывать заметного влияния на возбуждающий магнит.
А теперь предположим, что на диск нанесены разделительные линии в виде спирали, как показано на ил. 4 сплошными и пунктирными линиями. Разность потенциалов между точкой на оси и точкой на окружности останется неизменной как по знаку, так и по величине. Единственное отличие будет состоять в том, что сопротивление диска возрастает и перепад напряжения от точки на оси к точке на окружности будет большим, когда тот же ток будет проходить по внешнему контуру. Но поскольку ток вынужден придерживаться разделительных линий, мы увидим, что он будет способен то усиливать энергию поля, то ослаблять ее, и это будет зависеть, при прочих равных условиях, от направления разделяющих линий. Если разделение таково, как показывают сплошные линии на рисунке 4, то становится очевидным: если ток имеет направление, что и прежде, т.е. от центра к краю окружности, то его воздействие будет усиливать электромагнит, тогда как если разделение соответствует пунктирным линиям, генерированный ток будет ослаблять магнитное поле. В первом случае генератор сможет самовозбуждаться, когда диск вращается в направлении стрелки d, во втором случае направление вращения должно быть противоположным. Однако возможно соединение двух таких дисков. Два диска будут вращаться в противоположных полях в том же или в противоположном направлении.
Подобное можно, конечно, использовать в генераторах, в которых вместо диска вращается цилиндр. В таких униполярных генераторах можно обойтись без катушек возбуждения и без полюсов, как показано выше, и можно создать генератор, состоящий только из цилиндра или двух дисков, помещенных внутри металлического корпуса.
Вместо спиралевидных разграничительных борозд на диске или цилиндре, как показано на ил. 4, удобнее вставить один или несколько витков между диском и контактным кольцом на окружности, как показано на ил. 5.
Динамо-машина Форбза, к примеру, может работать по такому принципу. В результате опытов автор пришел к заключению, что вместо обычных скользящих контактов для снятия тока с двух таких дисков выгоднее использовать гибкую проводящую ленту. В этом случае на дисках имеются широкие бортики с очень большой контактной поверхностью. Проводящая лента должна быть смонтирована таким образом, чтобы она могла опираться на бортики под упругим давлением для создания контакта. Два года тому назад автором было построено несколько машин с ленточными контактами, которые удовлетворительно работали. Но из-за недостатка времени работа в этом направлении была временно приостановлена. ряд интересных находок, описанных выше, автор использовал в связи с некоторыми типами двигателей, работающих от переменного тока.
Источник
Аккумулятор тока сэра уильяма томсона
Особенностью фундаментальных открытий, великих достижений интеллекта является то, что они имеют непреходящую власть над воображением думающего человека. Незабвенный эксперимент Фарадея с диском, вращающимся между двумя полюсами магнита, породивший столь прекрасные плоды, давно стал тривиальным опытом и, вместе с тем, этот эмбрион современных генераторов и моторов тревожит нас и заслуживает быть в центре внимательного изучения благодаря некоторым своим особенностям.
Представим, например, случай, когда диск из железа или другого метала вращается между разноименными полюсами магнита и поверхности полюсов полностью покрывают обе стороны диска и, предположим, ток снимается или направляется контактами равномерно во всех переферийных точках диска. Рассмотрим сначала случай мотора. Во всех обычных моторах его работа зависит от движения или изменения результирующих магнитных сил притяжения, приложенных к ротору, этот процесс является результатом либо некоторых механических устройств мотора, либо действия токов с определенными характеристиками. Мы можем объяснить работу такого мотора просто, как мы объясняем работу водяной мельницы. Однако, если обратиться к вышеприведенному примеру с диском полностью окруженному поверхностями полюсов, мы не найдем движения магнитных сил и, насколько нам известно, никакого движения вообще, тем не менее мы будем наблюдать вращение. Здесь, обычные соображения не применимы; мы не можем дать даже поверхностное объяснение, как для обычных моторов, таким образом, принципы работы станут ясными для нас только когда мы поймем глубинную природу вовлеченных сил и проясним загадку невидимого механизма сцепления.
Рассмотренный как генератор, диск оказывается столь же интересным объектом изучения. В дополнение к его способности создавать токи одного направления без использования переключающих устройств, такая машина отличается от обычных генераторов тем, что в ней нет сил реакции между ротором и полем. Роторный ток имеет тенденцию создавать магнитное поле под прямыми углами к потоку внешнего поля, однако, так как ток снимается равномерно со всех периферийных точек, а внешняя цепь может быть организована идеально симметрично к полю магнита, никакой реакции не возникает. Это, однако, правильно только пока магниты слабо возбуждены, когда же магниты более или менее насыщены, оба магнитных поля, видимо, взаимодействуют друг с другом под прямыми углами.
Исходя из вышесказанного, можно предположить, что эффективность такой машины должна быть, при том же весе, намного большей чем любой другой машины в которой роторный ток стремится скомпенсировать магнитное поле. Экстраординарная эффективность униполярного генератора Форбса и эксперименты автора подтверждают эту точку зрения.
Далее, оборудование с помощью которого такая машина может быть построена и возбуждена, поражает, но это может быть объяснено – кроме отсутствия реакции ротора – благодаря постоянству тока и отсутствию самоиндукции.
Если полюсы не покрывают диск полностью с обеих сторон, тогда, конечно, если только диск не будет правильно разделен, машина будет очень неэффективной. И опять, в этом случае многое можно подметить. Если диск вращался и поток поля был прерван, ток в цепи будет продолжать идти и магниты будут терять свою силу сравнительно медленно. Причина этого будет ясна, если мы рассмотрим направление системы токов в диске.
Посмотрите на диаграмму Фиг.1, где d обозначает диск со скользящими контактами B и B` на оси и переферии, N и S обозначают два полюса магнита.
Если полюс N будет сверху (перед диском, биже к зрителю – прим. перев.), как показано на диаграме, диск располагается в плоскости листа бумаги и вращается в направлении, указанном стрелкой D, то ток в диске будет течь от центра к переферии, как показано стрелкой A. Так как действие магнитного поля более или менее сосредоточено в пространстве между полюсами NS, другие части диска можно считать не активными. Ток на показанной схеме, таким образом, не полностью будет идти через внешнюю цепь F, но будет замкнут через сам диск и, в общем случае, если схема будет в какой-то части похожа на указанную, намного большая часть сгенерированного тока не появится снаружи, так как цепь F, фактически, замкнута накоротко через неактивные части диска. Направление результирующих токов, в итоге, можно принять такими, как показано пунктирными линиями и стрелками a b c d, изучение рисунка показывает, что одна из двух частей вихревого тока, а именно A B` m B будет стараться скомпенсировать магнитное поле, тогда как другая часть – A B` n B, будет иметь противоположный эффект. Поэтому часть A B` m B та, которая приближается (курсив здесь и далее автора – прим. перев.) к полю будет отталкивать его линии, тогда как часть A B` n B, которая покидает поле, будет собирать силовые линии на себе.
В результате этого, будет присутствовать постоянная тенденция уменьшить ток на пути A B` m B, тогда когда на другой стороне, по пути A B` n B, такого противодействия не будет и эффект последней части или пути будет более или менее преобладать над первой. Сумарный эффект обоих рассматриваемых частей токов может быть представлен одним единственным током того же направления, которое усиливает поле. Другими словами, вихревые токи, циркулирующие в диске, будут усиливать магнитное поле. Это достаточно противоречивый результат, по сравнению с тем, что мы могли бы предположить изначально, и естественно ожидать, что результирующий эффект роторных токов должен бы быть таким, чтобы сопротивляться потоку поля, как, в общем, и происходит когда первичный и вторичный проводники приведены к индуктивному взаимодействию друг с другом. Однако, мы должны помнить, что в данном случае это результат именно специфического взаимного расположения двух выбранных путей тока и последующего выбора пути, создающего меньшее сопротивление своему течению. Из этого мы видим, что вихревые токи, текущие в диске, частично усиливать поле, и по этому, когда поток поля прерван, токи в диске будут продолжать течь и поле магнита будет терять свою силу относительно медленно и может даже сохранить некоторую силу пока вращение диска продолжается.
Результат будет, конечно, сильно зависить от сопротивления и геометрических размеров пути результирующего вихревого тока и от скорости вращения; именно эти элементы и определяют замедление этого тока и его положение относительно поля. При некоторой скорости эффект усиления поля будет максимальным, далее, при больших скоростях, он постепенно упадет до нуля и, в конечном итоге, обратится вспять, этот результирующий вихревой ток будет уже ослаблять поле. Эффект может быть наилучшим образом продемонстрирован экспериментально созданием полей NS, N`S`, свободно передвигающихся вокруг оси концентрически с осью диска. Если последний вращался, как и ранее, в направлении стрелки D, поле будет сдвигаться в том же направлении с крутящим моментом, который до некоторой точки будет увеличиваться с увеличением скорости вращения и далее упадет и, пройдя через нулевую точку, в итоге станет отрицательным; то есть, поле будет вращаться в противоположную сторону по отношению к диску. В экспериментах с моторами переменного тока в которых поле сдвигалось токами различной фазы, были обнаружены интересные результаты. При очень низких скоростях вращения поля, двигатель мог показать крутящий момент в 900 фунтов или более, измеренный на шкифе диаметром 12 дюймов. Когда скорость вращения полюсов была увеличена, крутящий момент пропал и, в итоге, обратился в нуль и стал отрицательным, и далее ротор начал вращаться в противоположную сторону по отношению к полю. Возвращаясь к предмету обсуждения, предположим, что условия были таковы, что вихревые токи, созданные вращением диска усилили напряженность поля и, предположим, последнее было постепенно убрано пока диск продолжал вращаться с увеличивающейся скоростью. Ток, изначально возникший, может быть достаточным далее для поддержания самого себя и, даже, увеличивать свою силу, и, в итоге, мы имеем случай «аккумулятора тока» Сэра Вильяма Томсона.
Однако из вышеописанных рассуждений видно, что для успеха эксперимента будет необходимо использовать неразделенный диск, так как если диск будет иметь радиальное деление, вихревые токи не сформируются и самовозбуждение не возникнет. Если используется такой радиально разделенный диск, необходимо соединить спицы проводящим ободом или любым другим способом для формирования симметричной системы замкнутых цепей.
Действие вихревых токов может быть использовано для возбуждения машины любой конструкции. Например, на Фиг. 2 и 3 показана конфигурация с помощью которой может быть возбуждена машина с дисковым ротором. Здесь несколько магнитов NS, NS, установленые радиально с каждой стороны металлического диска D, несут на его ободе множество изолированных катушек, CC. Магниты формируют два отдельных поля: внутреннее и внешнее; сплошной диск вращается в поле, ближайшем к оси, а катушки — в поле дальше от нее. Предположим, что магниты слабо усилены в начале, они могут быть усилены действием вихревых токов в сплошном диске, таким образом, усиливая поле в области переферических катушек. Хотя нет сомнений, что при благоприятных условиях машина может быть возбуждена этим или сходным образом, есть достаточно экспериментальных оснований это утверждать, такой способ возбуждения был бы неэкономным.
Однако униполярный генератор или мотор, такой, как изображенный на Фиг. 1, может быть эффективно возбужден просто правильным делением диска или цилиндра в котором, могут возникать токи и будет правильным избежать катушек, которые обычно используются. Такой план проиллюстрирован на Фиг. 4. Диск или цилиндр D сделан так, чтобы вращаться между двумя полюсами N и S магнита, который полностью покрывает его с обеих сторон, контуры диска и полюсов представлены кругами d и d` соответственно.
Верхний полюс не показан в целях ясности рисунка. В центральной части магнитов предполагаются отверстия через которые проходит ось C. Если необозначенный полюс будет внизу и диск будет вращаться в соответствии с правилом винта, ток будет, как и прежде, идти от центра к переферии и может быть снят подходящими скользящими контактами B, B` на оси и переферии соответственно. В этой конфигурации, ток текущий через диск и внешнюю цепь не будет иметь никакого заметного влияния на магнитное поле.
Но давайте представим, что диск поделен спирально, как показано сплошными и пунктирными линиями, Фиг. 4. Разница потенциалов между точкой на оси и точкой на переферии останется прежней, как по знаку так и по значению. Единственная разница будет в том, что сопротивление диска увеличится и падение потенциала между точкой на оси и точкой на переферии увеличится когда тот же ток будет проходить через внешнюю цепь. Однако, так как ток будет вынужден следовать линиям раздела, мы увидим, что он будет стараться либо усилить либо ослабить поле, и это будет зависеть, при прочих равных условиях, от направления линий раздела. Если линии раздела будут такими как показано сплошными линиями на Фиг. 4, ясно, что если ток будет течь в том же направлении как и раньше, то есть от центра к переферии, он будет создавать эффект усиления поля магнита, тогда как если разделение будет таким как показано пунктирными линиями, то создаваемый ток будет ослаблять магнит. В первом случае машина будет способна самовозбудиться когда диск вращается в направлении стрелки D, а во втором случае направление вращение должно быть обратным. Два таких диска могут быть совмещены, однако, как показано, эти два диска вращаются в противоположных полях и в том же или в противоположном направлении.
Такая же конфигурация, конечно, может быть использована в машине, в которой вместо диска вращается цилиндр. В таких униполярных машинах, описанной конструкции, обычные катушки и полюсы могут быть опущены и машина может состоять только из цилиндра или двух дисков, заключенных в металлический корпус.
Вместо спирального разделения диска или цилиндра, как показано на Фиг. 4, лучше поместить один или более витков между диском и контактным кольцом на переферии, как показано на Фиг. 5.
Генератор Форбса, к примеру, может быть возбужден таким образом. По опыту автора, вместо съема тока с двух таких дисков, как обычно, посредством скользящих контактов, выгоднее использовать гибкий проводящий ремень. Диски, в этом случае изготавливаются с широкими фланцами, дающими прекрасную поверхность для контакта. Ремень должен быть сделан так, что бы быть натянутым на фланцах и пружинить, растягиваясь. Два года назад автором были сконструированы несколько машин с ременным контактом, которые работали удовлетворительно, но из-за нехватки времени это направление работы было временно приостановлено. Несколько решений, отмеченных здесь, было использовано автором в области моторов переменного тока некоторых типов.
Источник