Hippolytus Pixia's first generator was an alternator.

Першим альтернатором був генератор Іполита Піксії 1832

Read English

Дуже цікаве питання виникло між мною і рядом переконаних прихильників електромагнітної індукції, коли лінії електропередач перерізають дроти фазних обмоток в електрогенераторах.

Тільки один тип генераторів і подібні до них працювали за принципом перерізання провідника силовими лініями - це генератор Грамма і аналогічні Динамо, де провідник переміщався в проміжку між полюсом електромагніту збудження і сердечником якоря, де обмотка намотується поверх металевої основи якоря.

Про все це я докладно розповів у своїй публікації «Винахід електромагнітного генератора», де власне і констатував, що генератор Pixia (1892) і невідомий Р. М. (1892), який написав листа Фарадею з описом своєї конструкції генератора, працювали за принципом зміни Анапольного моменту, замкнутого магнітного потоку в замкнутому сердечнику.

Давайте коротко розглянемо імпульси ЕРС, які можуть бути отримані в конструкції генератора Hippolyte Pixia.

Магнітна індукція (Бм) є основною характеристикою магнітного поля, як і напруженість електричного поля. У системі СІ магнітна індукція вимірюється в тесла (Т).

Прямолінійність провідника (L) котушки по відношенню до вектора магнітної індукції, в такому виконанні складе не більше 45-75* [sin (75° 10') = 0,9666746. sin (75° 9') = 0,9666001].

Лише невелика частина витків (і лише невелика частина повороту) може потрапляти в зону різання силовими лініями. Навіть в цьому питанні необхідно розуміти, яку індукцію викличе це явище. Давайте розглянемо реальну конструкцію, а не те, що намальовано в підручниках.

 

Розумієте, реальність буває інша, особливо форма кінчиків, П-подібних магнітів. По-друге, проміжок між ними. Магнітний потік завжди прагне сконцентруватися в бік меншого опору. Тому я змоделював приблизне співвідношення магнітів (щоб наблизитися до реальності, взяв магніти Alnico) і зробив моделювання з визначенням магнітної індукції в районі передбачуваного перетину провідника по силових лініях.

Наступним кроком є три епізоди моделювання, що наближають полюси магніту до волют сердечника за допомогою котушок. Даних достатньо для того, щоб зробити попередні розрахунки.

У програмі розрахована магнітна індукція зони провідника котушки. Оптимальним параметром для першого варіанту індукції [E = Bm L v] є перша позиція (лівий екран), так як магнітні лінії охоплюють більшу кількість витків при середньому значенні магнітної індукції Bm = 0,1 Тесла. Припустимо, діаметр сердечника дорівнює 30 мм, довжина кола буде [P = 2πr = 2π15 = 30π ≈ 94,24776 мм]. Приймемо загальне число витків в котушці за N = 200, число витків в зоні різання магнітними лініями складе 10% (200 0,1 = 20), тобто в двох котушках це буде 40 витків. Далі активною є не вся довжина витка, а тільки та, яка знаходиться на прямій лінії розрізання провідника. Визначимо його як 40% від окружності без урахування кута [94,2 0,4 = 37,68 мм * 40 dbnrjd = 1507,2 мм (1,5 м).

Далі нам потрібно з'ясувати швидкість, з якою магнітні лінії перетинають провідник. Припустимо, ручний привід з коробкою передач може розкручувати магніт до 500 об / хв. Коло, навколо якого він обертається, буде діаметром 70 мм. Ми можемо розрахувати кутову та лінійну швидкості: w = (1 об/хв = π/30 рад/с = 0,104719) 500 об/хв = 52,36 рад/с, v = wR = 52,36 рад/с, 0,035 м = 1,83 м/с.

E = Bm L v = 0,1 Т, 1,5 м, 1,83 м/с = 0,27 вольта і всі дві котушки послідовно. І це найбільш ідеалізований результат. У другому положенні площа пересічених витків різко зменшиться, що погіршить результат навіть при незначному збільшенні індукції.

Маємо ще один результат – магнітну індукцію в тілі сердечника. Він становив Bm = 0,11 Тесла. Але цей результат буде діяти на всі витки котушок, на ті ділянки провідника, які знаходяться у фокусі замкнутого потоку. Момент Анаполея.

1) E = 4,44 NBSf (де f = pRPM/60 = 2 500 / 60 = 16-17 Гц; S = 0,025 0,025 = 0,000625 м^2) = 4,44 400 0,11 Т 0,000625 м^2 * 16 Гц = 1,95 вольта

У другій позиції ми вже маємо магнітну індукцію в сердечнику 0,2 Тесла.:

2) E = 4,44 НBSf = 4,44 400 0,2 Т 0,000625 м^2 16 Гц = 3,5 вольта

Якщо врахувати опір всіх обмоток і опір гальванометра, то якби працював тільки варіант перерізання провідника магнітними ліліями, то Ампер нічого б не побачив.

І ще більше скажу, що принцип генератора Іпполіта Піксії повністю повторив Кромрей у своєму генераторі, який витягнув Бедіні з небуття.

На малюнку показана осцилограма імпульсу ЕРС в обмотках генератора Кромрея.

Ми бачимо провали в піку синусоїди. Це пов'язано з особливостями роботи петлі гістерезису при замиканні магнітного потоку між магнітними збудниками (постійними магнітами, встановленими статично) і обертовим сердечником, на який намотані котушки.

Основним фактором, який не враховує трансформаторна формула ЕРС, є швидкість зміни магнітного потоку. В основі вивчено таке явище, як гістерезис. Звернемося до визначення ресурсу Britannica.

гістерезис, відставання намагнічування феромагнітного матеріалу, наприклад заліза, за варіації намагнічуючого поля. Коли феромагнітні матеріали розміщуються в котушці дроту, що несе електричний струм, намагнічуюче поле або напруженість магнітного поля H, викликане струмом, змушує деякі або всі атомні магніти в матеріалі вирівнятися з полем. Кінцевий ефект від такого вирівнювання полягає у збільшенні загального магнітного поля, або щільності магнітного потоку В. Процес вирівнювання не відбувається одночасно і не в такт з полем намагнічування, а відстає від нього. 

Розглянемо діаграму реального гістерезису і частина кривої осцилограми ЕРС генератора Кромрея. Ми бачимо, що зі збільшенням насичення індикатор магнітної індукції змінюється повільніше, що свідчить про зміну швидкості зміни потоку. На графіку основна швидкість – жовта, вторинна – синій. Осцилограма ЕРС при повільному зростанні магнітної індукції якраз і дасть падіння номінального значення ЕРС. Що ми власне спостерігаємо на власні очі.

Якби Піксі або Ампер змогли отримати осцилограму ЕРС в своєму генераторі, то у них був би аналогічний графік, так як третій епізод розрахунку збільшив значення магнітної індукції в сердечнику всього на 0,01 Т (з 0,20 Т до 0,21 Тл).

Електрорушійна сила — енергія на одиницю електричного заряду, яка передається джерелом енергії, наприклад, електрогенератором або батареєю. Енергія перетворюється з однієї форми в іншу в генераторі або акумуляторі, так як пристрій працює на електричний заряд, що передається всередині себе. Одна клема пристрою стає позитивно зарядженою, інша – негативною. Робота, виконана на одиниці електричного заряду або енергії, отриманої таким чином за одиницю електричного заряду, є електрорушійною силою. Електрорушійна сила - це характеристика будь-якого джерела енергії, здатного приводити електричний заряд в рух по колу. У міжнародній метричній системі вона позначається абревіатурою E, але також, в народі, як EMF. Незважаючи на свою назву, електрорушійна сила насправді не є силою. Зазвичай він вимірюється в одиницях вольт, еквівалентних в системі метр-кілограм-секунда одному джоулю на кулон електричного заряду. В електростатичних одиницях системи сантиметр–грам–секунда одиницею електрорушійної сили є статвольт, або одна ерга на електростатичну одиницю заряду.

----------------------------

Давайте візьмемо ще одне чудове відео, де лектор демонструє найпростіший електромагнітний генератор: Просте пояснення генератора - YouTube

Креслення освітньої моделі можна подивитися у викладачів китайської мови. ПОСИЛАННЯ

Лектор в кінці своєї демонстрації пояснює, як індукується ЕРС в дроті, вдаючись до демонстрації постійної фізики (А), яка не може бути застосована в даному випадку. При цьому електромагнітна індукція (В) спрацьовує при зміні замкнутого магнітного поля (тороїдального моменту або анапольного моменту), динамічного тороїдального диполя.

----------------------------

Купив цей ручний генератор на шкільні уроки фізики. Оснастив його системою визначення положення ротора на основі лінійного датчика Arduino.

Вимірюється напруга на клемах обмотки в режимі генератора змінного струму при включеній і вимкненій лампочці. Осцилограми нагадують трикутну форму сигналу.

Щоб визначити положення якоря, я розділив оборот на дві половини, білу та чорну лінію від центру одного полюса до іншого якірного стовпа. Датчик при знаходженні білої лінії показує логічний 1 (+), коли чорна лінія логічна 0 (-). Щупи осцилографа підключив до фазного виходу, а також до виходу генератора та виходу датчика. Я зробив відповідні старти. На перший погляд, якір повертається дротами до полюса статора і лінії повинні перетинати дроти для індукції ЕРС. Але... Симуляцію я робила в програмі FEMM.

Якщо подивитися на графіки, то можна помилково стверджувати, що максимальна ЕРС індукується в той момент, коли магнітні лінії перетинають провідник. Програма в зоні проводу показує значення магнітної індукції, близьке до нуля.

В обох максимальних положеннях якоря по відношенню до полюсів статора магнітні лінії фізично не можуть перетнути дроти обмотки якоря.

Найбільше значення магнітної індукції становить 1,699 Тесла, це в залізному мосту між магнітами з перетином S = 25 мм * 5 мм. Крім того, це єдине місце, де проходять всі силові лінії магнітопроводу. Таким чином, можна визначити магнітний потік Ф = Bm S = 1,699 Т (0,025 м * 0,005 м) = 0,000212 Вебера.

Далі, знаючи частоту перемикання 20 Гц і число витків котушки якоря (500 витків), можна розрахувати ЕРС холостого ходу (без підключеного навантаження) на основі трансформаторної формули ЕРС:

E = 4,44NФf = 4,44 * 500 віткив* 0,000212 Вебер * 20 Гц = 9,42945 Вольт

Я сам не очікував такого точного попадання, ваш може відрізнятися на вольт і більше, все залежить від точності вихідних даних для розрахунку. Головне показано принцип роботи індукції ЕРС в системах із замкнутими магнітопроводами.

Ми можемо розрахувати силу струму на лампочці, використовуючи закон Ома:

 I = U/R = 3,4 В / 11,3 Ом = 0,30 А.

Якщо застосувати загальну формулу для визначення сили струму в замкнутому колі, то ми не отримаємо рівності з вимірюванням холостого ходу ЕРС:

I = (E-U)/(R+r) = (9,4В-3,4В)/ (11,3Ω+12,1Ω) = 0,25А

Тому що струм в якорі при замиканні навантаження сприяє посиленню магнітного потоку в ланцюзі (що видно на другому екрані програми FEMM). Відбувається самозбудження, за рахунок чого виникає ЕРС збільшується.

Нам залишається тільки розрахувати цей рівень отриманої ЕРС, він буде 11,9 вольт. Перевіримо: 

I = (E-U)/(R+r) = (11,9В-3,4В)/ (11,9Ω+12,1Ω) = 0,30А

Це дуже важливий момент у конструкції генератора. Хороший генератор - це коли самозбудження мінімальне. У нашому випадку магнітна система абсолютно марна, демонструвати учням, що при обертанні якоря в магнітному полі загорається лампочка. Тому ми отримуємо такий результат.

Якщо розглянути складові магнітопровода і ЕРС-діаграму, то бачимо, що індукція електромагнітної сили виникає при зміні перерізу, в якому замкнуто магнітопровод. Індукція виникає лише в дроті, який знаходиться у фокусі змінного магнітного кола. У той же час при повному замиканні в мінімальному або максимальному значенні перерізу, в якому замкнуто магнітопровод, індукція ЕРС не індукується. Основним елементом при цьому є зміна перерізу провідного контуру, в якому знаходиться замкнуте джерело постійного магнітного поля.

Ф = Bm * S,  де  змінюється: S = ​​a*b 

Модуляція з навантаженням обмотки і холостого ходу показали дещо інші показники магнітопроводу системи.

1) Холостий хід – саме те, що ми мали на увазі.

2) Під навантаженням обмотка якоря здійснює замикання з намагнічуванням якоря і розмикання       з розмагнічуванням. Що збігається з графіком ЕРС під навантаженням.

Але фактор магнітних силових ліній, що перетинають дроти якоря, взагалі відсутній.

----------------------------

Найбільш очевидним доказом роботи синхронного електромагнітного генератора на явище зміни анапольного моменту є генератор змінного струму - встановлений на «Скутері». Конструктивно на штоки статора намотано вісім котушок (6 генераторних і 2 для запалювання). Магнітне збудження здійснюється постійними магнітами, вбудованими в зовнішній металевий обертовий обід. По суті, вдосконалене інженерне рішення першого генератора змінного струму Іполита Піксьє, виконане ним на замовлення Андре-Марі Ампера в 1832 році.

---------------------------------

Для конструкторів механічних електромагнітних генераторів важливим фактором є організація лінійності кривої гістерезису, це досягається за рахунок кривизни (нерівномірності зазору від центру до країв) кінчика полюса магнітного ротора.

Проектування синхронних генераторів (КПІ, Харків, Україна)

Малюнок є скріншотом з лекції в Харківському національному технічному університеті України. (рисунок 4.1 - Розміри елементів конструкції полюсів ротора). Де ми бачимо, що проміжок між полюсом ротора і статором має криву, яка збільшується від центру кінчика полюса до його країв: δ - δmax (виділено жовтим кольором).

Збудження дуже важливо для роботи генератора, так як настройка струму збудження управляє кінцевим розсіюванням напруги, а активна потужність визначається швидкістю обертання турбіни і її крутним моментом. Для турбогенераторів потужність збудження становить приблизно від 0,5% до 3% від потужності генератора. Тобто розрахувати ККД генерації від збудження нескладно, ККД складе 3333%.

Основним завданням, яке виконує механічна сила в механічному генераторі, є обертання сердечника магнітного ротора зі збудженим постійним магнітним полем (магнітними полюсами). Цей магнітний потік полюсів ротора, замикаючись через сердечник статора з обмотками, утворює постійний магнітний замкнутий потік ANAPOL, який характеризується моментом ANAPOL. (Американська версія - Тороїдальний момент). Фізичне обертання цих замкнутих магнітних потоків - тороїдальних моментів, долаючи магнітне притягання між сердечниками ротора і статора, є механічними витратами, а не енергією перетворення.

Досить пояснити роботу альтернатора з точки зору зміни магнітного поля (тороїдальний  момент) і все буде виглядати по-іншому (замінимо перерізання на анапольний момент). 

Принцип роботи генератора змінного струму

Необхідно лише організувати обертання тороїдальних моментів в структурі синхронного генератора за допомогою алгоритму перемикання електромагнітів збудження.

Такий метод насправді був запатентований і впроваджений доктором Робертом Холкомбом. Патент на цей тип пристроїв і перемикачів був виданий Патентним відомством США 2022-05-17 US11336134B2 (2038-07-01 адаптовано до терміну dii).

Столітня загадка - твердотільний електромагнітний генератор

Мені подобається, що він поставив усім інженерам і фізикам неприємності своїми новими стандартами, від яких  течуть слинки у богатьох. Багато людей цінують свої дисертації або докторські ступені, які такий принцип роботи просто зводить нанівець. І система освіти також може позбавити ліцензії на викладацьку діяльність, якщо це питання навіть буде порушено.

Я дослідив це питання і запропонував найбільш оптимальну конструкцію генератора без фізичного обертання магнітного ротора. Питання тільки в бажанні і можливостях. Але для початку досить знайти підходящий якір від двигуна постійного струму і статора з трифазною обмоткою, зробити пристрій для обертання щіток навколо стаціонарних колекторних пластин з арматурними штуцерами, вставленими в статор з обмотками, і подивитися, що там вийде - це зможе зробити будь-хто, у кого є розум і руки.

Нерухомий АЛЬТЕРНАТОР