Кто создал динамо машину. Что такое динамо-машина
Динамо-машина
или, сокращенно, динамо
. - Так называется машина, посредством которой, при пользовании механической работой, получается электрический ток, и обратно, при пользовании электрическим током, который возбуждается каким-нибудь источником электричества (батареей из гальванических элементов или аккумуляторов или другой машиной) и проходит через эту машину, может совершаться механическая работа. В последнем случае Д.-машина получает название - "электрический двигатель"
(электромотор). Всякая динамо одинаково может служить как для получения тока, так, равным образом, и для приведения в движение различных механизмов, т. е. совершения механической работы. Небольшое различие, какое замечается между Д.-машиной, употребляемой как источник тока, и Д.-машиной, употребляемой как электрический двигатель, касается лишь второстепенных частей в устройстве машины. Действие Д., как источника тока, основывается на свойстве так называемого "магнитного поля",
т. е. пространства, в котором обнаруживаются магнитные силы, возбуждать электрический ток в проводнике, когда какой-либо посторонней силой этот проводник приводится в этом пространстве в движение по определенному направлению. Такое свойство магнитного поля открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. и названо им индукцией тока.
Действие Д., как двигателя, обязано другому свойству магнитного поля. Магнитное поле само вызывает движение проводника, если через этот проводник, помещенный соответственным образом в пол, пропускается электрический ток. Подобное свойство магнитного поля впервые особенно тщательно исследовано Ампером. Остановимся прежде всего на характеристике магнитного поля и ознакомимся с законом, которому подчинено явление индукции тока. Как уже сказано, магнитное поле представляет собой пространство, в котором обнаруживаются магнитные силы. Помещенный в каком-либо месте этого пространства небольшой магнит, под влиянием таких сил, действующих на оба его полюса, стремится расположиться своей осью (линия, мысленно проводимая в магните от южного полюса к сев.) по определенному направлению.
Если магнит может изменять свое положение вполне свободно, то направление, которое принимает ось магнита в данном месте магнитного поля, и представляет собой направление магнитной силы, действующей в этом месте поля на сев. полюс магнита. Путем опыта возможно найти направление магнитных сил в различных точках магнитного поля. Если эти силы имеют направления, лежащие в горизонтальных плоскостях, или если желательно определение направления проекций этих сил на горизонтальную плоскость, в таком случае вполне достаточно посыпать железные опилки на лист картона, расположенный горизонтально в исследуемой части поля. Опилки намагничиваются под влиянием действующих в поле магнитных сил и размещаются в виде цепей по направлениям этих сил в горизонтальной плоскости. Путем опыта возможно определить и величину магнитной силы, действующей на находящийся в магнитном поле магнит, а зная степень намагничивания последнего (его магнитный момент), можно рассчитать величину силы, какую испытывает каждая единица количества магнетизма, заключающегося в полюсе этого магнита. Сила, действующая на единицу магнетизма, находящегося в какой-нибудь точке магнитного поля, принимается за характеристику поля в этой точке. Эта сила носит название напряжения
магнитного поля в данной точке. Допустим, что для очень большого числа точек в изучаемом магнитном поле определены как направления магнитных сил, действующих на северный полюс магнита, так и величины напряжения поля. В таком случае возможно вообразить проведенными в этом поле магнитные силовые линии.
Каждая из них представляет собой линию, по которой стал бы двигаться в магнитном поле северный полюс магнита, если бы было возможно отделить этот полюс от южного, т. е. если бы было возможно иметь магнит однополюсный, или, иначе, магнитная силовая линия обладает тем свойством, что проведенная в какой-либо точке этой линии касательная совпадает с направлением магнитной силы, которую испытывает сев. полюс магнита, помещенный в этой точке. Число воображаемых силовых линий в магнитном поле вполне произвольно, но можно условиться проводить их определенным образом. Построим мысленно в каждом месте магнитного поля столько силовых линий, что число их, рассчитанное (по пропорциональности) на единицу (1 кв. см) поверхности, пересекающей под прямым углом эти линии, будет равно напряжению магнитного поля в этом месте (при этом нужно заметить, что сказанное следует понимать в общем, отвлеченном смысле, т. е. число линий, пронизывающих собой единицу поверхности, может быть и целое, и дробное). Легко видеть, что подобный способ построения силовых линий в магнитном поле дает возможность графически характеризовать это поле. Положим, что мы имеем какое-либо магнитное поле и знаем распределение в нем силовых магнитных линий. Опыт и теория показывают, что при движении в таком поле проводника не
по направлению силовых линий, а так, чтобы проводник как бы перерезывал собой эти линии, получается в проводнике особое явление: в нем образуется электродвижущая (или электровозбудительная) сила, которая может образовать электрический ток. Это явление представляет собой открытую Фарадеем индукцию тока. На основании разнообразных опытов Фарадей вывел закон индукции, впоследствии доказанный теоретически Максвеллом и вполне подтвержденный многими точными опытными исследованиями. Электродвижущая сила индукции, являющаяся в какой-либо момент времени в каждой части проводника, движущегося в магнитном поле, пропорциональна числу силовых линий, перерезываемых этой частью проводника
- числу, рассчитанному (по пропорциональности) на единицу времени.
Направление индукционного тока, который от этой электродвижущей силы может появиться в движущейся части проводника, также вполне определенное. Весьма легко запоминается следующее правило для этого. Вообразим себя плывущим по направлению силовых линий с лицом, обращенным в сторону движения проводника,
- электрический ток, появляющийся от индукции в рассматриваемой части проводника, будет казаться происходящим слева направо.
Электродвижущая сила индукции, появляющаяся во всем
проводнике, выражается суммой электродвижущих сил, возникающих в отдельных частях его. Слагаемые в этой сумме могут иметь положительные или отрицательные знаки, смотря по тому, какое направление по отношению ко всему проводнику имеет ток, возбуждаемый в отдельности каждой из этих слагаемых электродвижущих сил. Представим себе, что имеется какой-либо подковообразный магнит или электромагнит. Присоединим к концам этого магнита особые железные накладки, обращенные друг к другу вогнутыми цилиндрическими поверхностями. Поместим внутри между этими полюсными накладками кольцо или полый цилиндр из железа (см. рис. 1). В пространстве между полюсными поверхностями магнита и помещенным железным цилиндром силовые магнитные линии представят собой почти параллельные прямые линии, направляющиеся из концов магнита в железо цилиндра. На рис. 2 видно действительное распределение железных опилок в таком пространстве, располагающихся, как уже сказано выше, по силовым линиям. Приведем железный цилиндр во вращение около его оси. При таком движении около своей оси при всяком угле поворота цилиндр будет одинаково расположен по отношению к магниту, а потому движение этого цилиндра не повлияет на размещение и форму силовых магнитных линий в пространстве между полюсными поверхностями магнита и железным цилиндром. Пусть железный цилиндр будет обмотан медной проволокой так, что отдельные обороты проволоки не прикасаются друг к другу и расположены одинаково вокруг цилиндра. Концы проволоки такой кольцевой обмотки пусть будут спаяны вместе. Поместим такой окруженный проволокой цилиндр (или кольцо) между полюсными поверхностями магнита и заставим две медные пружинки касаться проволоки обмотки в двух местах, расположенных в плоскости, перпендикулярной к направлению силовых магнитных линий (см. рис. 1). Когда такой цилиндр будет приведен во вращение около собственной своей оси, в каждом обороте кольцевой обмотки внешняя
часть, т. е. часть проволоки, находящаяся на внешней поверхности цилиндра, будет перерезывать силовые линии, воображаемые в пространстве между магнитом и сердечником
обмотки. В каждой такой части обмотки будет возникать индукция тока. Применив к данному случаю вышеприведенный закон индукции, мы придем к заключению, что во всех оборотах каждой половины кольцевой обмотки (между двумя пружинками) во всякий момент времени индукция развивает электродвижущую (электровозбудительную) силу, образующую ток по одному направлению. Это направление, однако, противоположно в обеих половинах обмотки
. Итак, в обеих половинах обмотки вращающегося цилиндра электродвижущие силы, появляющиеся в отдельных оборотах, слагаются друг с другом и посылают по одному
направлению ток в проводник, помещенный между двумя пружинками. Обе половины обмотки вращающегося цилиндра уподобляются по отношению к этому проводнику двум гальваническим элементам или батареям (см. Батарея гальваническая), соединенным друг с другом параллельно.
На основании вышеприведенного закона индукции нетрудно показать, что электродвижущая сила,
возникающая при вращении покрытого кольцевой обмоткой железного цилиндра (или кольца) между полюсными поверхностями магнита и образующая ток в проводнике, который помещается между пружинками, нажимающими на обмотку, увеличивается вместе с числом оборотов цилиндра в единицу времени, вместе с числом оборотов проволоки в обмотке, длиной цилиндра и величиной напряжения магнитного поля, возбуждаемого магнитом в пространстве между полюсными поверхностями и сердечником обмотки, т. е. железным цилиндром (или кольцом).
Описанный прибор, позволяющий получить электрический ток за счет работы, которая затрачивается на вращение между полюсными поверхностями магнита обмотанного указанным образом железного цилиндрич. или кольцевого сердечника, и представляет собой магнитоэлектрическую машину Грамма.
Работа, необходимая для приведения во вращение подобного обмотанного проволокой железного сердечника, изменяется вместе с изменением силы получающегося тока. (При существовании тока в обмотке является противодействие вращению этой обмотки вследствие влияния, которое оказывает магнитное поле на проводники с током). Раньше машины Грамма, т. е. раньше употребления между полюсными поверхностями магнита подобного обмотанного железного цилиндра или кольца, существовали уже другие магнитоэлектрические машины, в которых точно так же возбуждалась электродвижущая сила индукции во вращающихся вблизи концов магнита особых катушках, приготовленных из проволоки, намотанной на железные стержни или пучки железных проволок. Первая подобная магнитоэлектрическая машина была устроена Пиксии в 1832 г. В этой машине вращался собственно сам магнит, катушки же оставались неподвижны; а именно, стальной подковообразный магнит с полюсами, обращенными кверху, вращался около вертикальной оси, проходившей посредине между двумя его половинами, над концами магнита помещались две неподвижные катушки. На основании вышеприведенного закона индукции можно видеть, что при движении магнита под этими катушками в каждой из них должна развиваться электродвижущая сила индукции. Но эта электродвижущая сила во всякий момент имеет прямо противоположные направления в обеих катушках и, кроме того, в той и другой катушке не остается постоянной во время полного обороте магнита. В каждой катушке она изменяется от нуля до наибольшей величины, когда один конец магнита при своем движении от положения непосредственно под катушкой переходит в положение, отстоящее от первого на 90°; она снова уменьшается до 0, когда этот конец подходит под вторую катушку, а под рассматриваемую катушку подходит другой полюс. При дальнейшем вращении магнита, т. е. при второй половине его оборота, направление электродвижущей силы индукции в той и другой катушке делается прямо противоположное. Ток, получающийся от такой машины в каком-либо проводнике, не будет менять своего направления только в том случае, когда вместе с магнитом вращается особый прибор, так называемый коммутатор,
посредством которого в соответствующие моменты переменяется соединение концов проводника с концами проволоки катушек. Но, при постоянстве направления, ток остается все-таки непрерывно меняющимся по своей силе. Такая машина, следовательно, дает ток волнистый,
что представляет собой большое неудобство во многих случаях. Само относительное размещение полюсных поверхностей магнита и катушек в машине Пиксии не отвечает условиям получения наибольшей электродвижущей силы индукции в данной катушке при данном магните. При помещении катушек над
концами магнита число силовых линий, перерезываемых проволокой катушек, не получается наибольшим, а следовательно, не получается и наибольшей возможной электродвижущей силы. Это замечание, касающееся машины Пиксии, относится и ко многим друг. магнитоэлектрическим машинам, которые были устроены позже. Вплоть до 1870 г. ни одна из существовавших машин даже при употреблении вместо стальных магнитов более сильных электромагнитов
не давала возможности получать мало изменяющийся по силе ток. Только в этом году, благодаря употреблению Граммом вышеописанного железного цилиндра (или кольца), обмотанного проволокой и помещенного между концами электромагнита, намагничивающегося тем же током, который развивается во вращающейся обмотке, впервые появилась электромагнитоэлектрическая машина, способная давать почти вполне постоянный ток. Железный, цилиндрический или имеющий форму кольца сердечник, окруженный кольцевой проволочной обмоткой, т. е. так называемое кольцо Грамма,
представляет собой изобретение, положившее начало всей современной электротехнике. Собственно такая же кольцевая обмотка на железном кольце, как и у Грамма, была сделана еще в 1865 г. проф. Пачинотти в его маленьком электромоторе. Но изобретение Пачинотти не имело практического характера и весьма мало обратило на себя внимание. При употреблении кольца Грамма может получаться в цепи машины постоянный, не меняющийся по силе ток по следующей причине. При большом числе оборотов проволоки в кольце, та и другая половина этого кольца, заключающиеся между двумя пружинками или металлическими щетками, как это изображено схематически на рис. 1, во время вращения кольца сохраняют почти неизменно свое положение относительно силовых линий. При этом вращении происходит непрерывное перерезание силовых линий частями оборотов обмотки кольца, но в то же время, по отношению к общему распределению силовых линий, происходит непрерывная замена одного оборота другим: каждый оборот занимает место, прежде принадлежавшее соседнему. Электродвижущая сила, являющаяся во всей половине кольца, остается постоянной в течение полного оборота кольца около его оси. Кольца Грамма, употребляющиеся на самом деле в машинах, устроены иначе, чем только что описано. Фиг. 5 (на табл.) показывает, как в действительности устраиваются подобные кольца. Железный сердечник кольца приготавливается из тонких железных проволок, покрытых на поверхности окалиной и, кроме того, еще слоем лака. Расположение проволок, как это видно на рисунке в разрезе кольца, таково, что поперечное сечение сердечника перпендикулярно направлению этих проволок; в этом сечении отдельные проволоки отделяются друг от друга слоями окалины и лака, а потому внутри массы железа не могут образовываться индукционные токи, направление которых совпадает с плоскостями поперечника сердечника (токи Фуко) и которые производят вредное влияние на действие машины. Кольцевая обмотка из изолированной медной проволоки подразделяется на отдельные части (36 или более), находящиеся однако в металлическом соединении друг с другом так, что все эти отдельные части обмотки вместе представляют сплошной, неразрывный проводник. От каждого места, где одна часть обмотки соединяется со следующей, идет проволока к медной пластинке, обозначенной на рисунке буквой R.
Таких пластинок столько, сколько подразделений в кольцевой обмотке. Все пластинки изолированы друг от друга или асбестом, или вулканизированной фиброй, или иногда полосками слюды, и расположены так, что составляют собой полый цилиндр. Этот цилиндр, или коллектор,
помещается на той же оси, на которой укреплено само кольцо Грамма, а потому и вращается одновременно вместе с этим кольцом. На внешнюю поверхность коллектора нажимают две металлические щетки подобно тому, как это схематически показано на рис. 1. Нетрудно видеть, что употребление описанного коллектора с прикасающимися к нему двумя проводящими щетками дает возможность при вращении кольца в магнитном поле получать в проводнике между этими щетками подобный же мало изменяющийся в силе ток, как это будет и в случае непосредственного прикосновения щеток к проволокам самой обмотки (в машинах Сименса, носящих название "Кольцевые Д.",
щетки и прикасаются к стержням, составляющим часть обмотки самого кольца). Во время действия машины положение мест прикосновения щеток к коллектору не должно совпадать с плоскостью, перпендикулярной к линии, соединяющей собой середины полюсных поверхностей, как это схематически изображено на рис 1. Причина этому та, что положение щеток на коллекторе обязательно должно находиться в плоскости, близко перпендикулярной к направлению силовых линий. Только при этом условии обе половины кольцевой обмотки будут симметричны относительно этих линий и, кроме того, только в этом случае не будет развиваться электродвижущая сила индукции в тех оборотах проволоки, которые соединяются с пластинками коллектора, подходящими под щетки, вследствие чего, при сдвигании щетки с одной пластинки на другую, не будет образовываться искра от действия самоиндукции в этих оборотах. Направление же силовых магнитных линий изменяется во время действия машины. Появляющийся в обмотке кольца ток сам возбуждает магнитное поле, которое слагается
с магнитным полем от электромагнита, в результате чего и происходит некоторое изменение в направлении силовых линий. Рис. 2-bis. показывает расположение железных опилок в пространстве между полюсными поверхностями и сердечником кольца, когда в обмотке кольца развивается ток. Кроме изменения в направлении силовых линий, еще и другое обстоятельство, а именно некоторое запаздывание в развитии электродвижущей силы индукции в обмотке кольца вследствие явления самоиндукции в последнем, заставляет устанавливать прикосновения щеток к коллектору под некоторым углом к плоскости, составляющей прямой угол с линией, которая соединяет собой середины полюсных поверхностей. Щетки приходится от этой плоскости передвигать на некоторый угол в сторону движения кольца. Угол подобного передвижения щеток изменяется вместе с изменением силы тока в кольце. Наблюдающий за работой машины поворачивает щетки, которые для этого укрепляются на особом рычаге, вращающемся около коллектора, до тех пор, пока почти совсем не прекратятся искры между щетками и пластинками коллектора. Неправильное положение щеток производит порчу (обгорание) коллектора. Из вышеприведенного закона индукции видно, что электродвижущая сила, появляющаяся в кольце Грамма, увеличивается вместе с возрастанием напряжения магнитного поля, в котором происходит вращение кольца. При употреблении стальных подковообразных магнитов довольно трудно получить очень сильное магнитное поле. Несравненно выгоднее в этом отношении пользоваться электромагнитами. Для возбуждения намагничивания этих электромагнитов нет надобности пользоваться каким-нибудь посторонним источником тока. Ток, развивающийся в самой машине, может служить для этой цели. В самом деле, в наиболее мягком железе, если только оно подвергалось намагничиванию, всегда остаются заметные следы магнетизма; но и без предварительного намагничивания железо проявляет признаки магнетизма вследствие действия, которое оказывает на него земной магнетизм. А поэтому между полюсными поверхностями электромагнита и сердечником вращающейся обмотки, даже при отсутствии тока в катушках электромагнита, все-таки существует магнитное поле, хотя и очень слабого напряжения. При приведении в движение обмотки в ней возбуждается индукция, которая и может образовать ток, нужный для намагничивания электромагнитов. В 1867 г. впервые Вернер Сименс устроил машину, в которой магнитное поле образовалось электромагнитом, кот. намагничивался током, получающимся от самой машины. В такой самовозбуждающейся машине электрический ток является непосредственно за счет механической работы, затрачиваемой для приведения в движение обмотки между концами электромагнита. В. Сименс назвал подобную машину Д.-электрической.
В настоящее время более сокращенное название "Динамо"
прилагается ко всем машинам, возбуждающим электрический ток при вращении их подвижной части, одинаково - намагничиваются ли их электромагниты током, появляющимся в самой машине, или употребляются для этого отдельные источники тока. Существуют три рода Д.-машин с самовозбуждением:
Д. с последовательным возбуждением (обычные Д.), Д. с ответвленным возбуждением (шунт-Д.) и со смешанным возбуждением (компоунд-Д.). В обычной
Д., весь
ток, получающийся в якоре
машины (якорем,
или арматурой,
называется та часть машины, в которой возбуждается индукция, т. е., напр., кольцо Грамма или иного вида обмотка с железным сердечником), проходит через катушки электромагнита. Фиг. 3 (на табл.) изображает схему устройства подобной машины. Щетка коллектора (а)
соединена с одним концом проволоки катушек электромагнита. Другая щетка коллектора (b)
и другой конец проволоки катушек электромагнита представляют собой "борны"
Д., т. е. к ним присоединяются внешние части цепи. Когда якорь R
будет приведен во вращение, то появляющийся в нем в первые моменты слабый ток от действия магнитного поля, которое создается остаточным магнетизмом железа электромагнита, проходя по обмотке электромагнита, усиливает намагничивание последнего, вследствие чего производит и усиление самой индукции. В следующие моменты времени через электромагнит уже проходит более сильный ток, от чего продолжает возрастать индукция. Таким образом, через сравнительно короткое время намагничивание электромагнита достигает некоторой наибольшей величины и машина дает ток, сила которого соответствует размерам машины и сопротивлению находящейся между ее борнами внешней части цепи. В Д.-машине с ответвленным возбуждением (шунт-динамо)
из якоря машины направляется в электромагнит только сравнительно малая часть тока. Катушки электромагнита для этого приготавливаются из тонкой проволоки, но зато число оборотов проволоки в них берется большое. Концы обмотки электромагнита соединяются со щетками коллектора, которые представляют вместе с тем оконечности внешней цепи, т. е. щетки соединяются непосредственно с "борнами" Д. Рис. 4 изображает схему устройства шунт-динамо. На практике такие Д. более удобны, чем обычные.
С изменением сопротивления внешней цепи должна изменяться сила тока, проходящего по этой цепи и в обычных Д. в то же время по обмотке электромагнита, вследствие чего должна изменяться весьма значительно развивающаяся в якоре этих машин электродвижущая сила индукции. В Д. с ответвленным возбуждением, напротив, изменение индукции зависит в меньшей степени от сопротивления внешней части цепи. При увеличении сопротивления внешней части цепи, т. е. при уменьшении силы тока, получающегося от машины, увеличивается та часть тока, которая ответвляется в электромагнит, как это следует по закону разветвления тока. Результатом этого может быть полная компенсация влияния увеличения сопротивления внешней части цепи, и потому машина при весьма различных сопротивлениях внешних проводников (при различном числе накаливаемых лампочек) может на своих борнах давать почти одну и ту же разность потенциалов. Однако, при значительных изменениях сопротивления внешней части цепи для достижения полного постоянства разности потенциалов на борнах Д., приходится производить регулировку машины. С этой целью вместе с обмоткой электромагнитов вводится в ответвление (шунт) динамо особый реостат (см. фиг. 4). Изменением сопротивления этого реостата и производится подобная регулировка. В компаунд-динамо
достигается постоянство разности потенциалов на борнах (или иногда постоянство силы
тока во внешней части цепи - это в так называемых Д. с током постоянной силы)
употреблением двух обмоток в электромагните. Одна обмотка приготавливается из толстой проволоки и соединяется со щетками так, как в обычных Д., т. е. помещается в цепь последовательно с якорем; другая обмотка делается из тонкой проволоки и с большим числом оборотов. Эта обмотка вводится в ответвление "параллельно" якорю (система Брёша) или в ответвление "параллельно" внешней части цепи (система Томпсона). В том и другом случае необходимы соответственные сопротивления и число оборотов обеих обмоток электромагнита. В настоящее время компаунд-динамо употребляются сравнительно редко. Наиболее распространены шунт-динамо. Кроме кольца Грамма, употребляются в Д.-машинах арматуры и другой формы. Против кольца Грамма приводится возражение, что в нем сравнительно малая часть обмотки непосредственно воспринимает индукцию. В самом деле, в кольце Грамма только та часть обмотки, которая находится на внешней поверхности сердечника, перерезывает силовые линии. Во избежание этого в машинах Сименса, Эдисона и др. употребляются арматуры, устроенные впервые Вернером Сименсом. Это - так назыв. арматуры типа "барабана Сименса".
Фиг. 6 показывает способ намотки проволоки на сердечник такого якоря. Сам сердечник представляет собой цилиндр; приготовленный из кружков листового железа, отделенных друг от друга листами бумаги и сжатых плотно вместе. Обмотка составляется, как и в кольце Грамма, из нескольких частей, и каждая часть обмотки присоединяется к пластинке коллектора. В машинах Шуккерта, Мордей, Гюльхера и др. употребляется якорь в виде кольца Грамма, имеющего большой внешний диаметр и большую толщину по направлению радиуса, но очень малую длину по направлению оси. Это так называемый якорь типа "плоского кольца". Существуют арматуры и иной формы: так, напр., в машине Дерозье якорь имеет вид диска, составляющегося из расположенных особым образом, в виде зигзагов, медных проволок. Этот якорь совсем без железного сердечника. Есть машина Фритче, в которой, напротив, дисковый якорь составляется только из железных проволок. В машине Томсона и Гоустона якорь имеет форму шара и состоит из 3 отдельных намоток, составляющих плоскостями своих оборотов друг с другом угол в 120°. Форма электромагнитов в различных машинах также весьма разнообразна. Наиболее простую форму имеет электромагнит в машинах Сименса (типа II). Фиг. 8 (табл.) представляет внешний вид таких машин. Фиг. 7 изображает внешний вид наиболее старой Д. Грамма. Электромагнит в ней представляет собой как бы соединение одинаковыми
полюсами двух подковообразных электромагнитов. Несколько отличный вид от этого имеет электромагнит в Д. типа "Манчестер" (фиг. 9). Машина "Манчестер" - одна из наиболее солидно и правильно устроенных Д.-машин. Фиг. 10 показывает устройство Д.-машин Шуккерта с плоской арматурой. В описанных Д. магнитное поле, в котором происходит вращение якоря, образуется двумя полюсами одного электромагнита. В настоящее время довольно часто устраиваются Д.-машины, в которых имеется несколько электромагнитов. Такие Д. носят название "многополюсных". Подобные Д. можно рассматривать, как соединение вместе нескольких "двухполюсных Д.". В них образуется несколько магнитных полей между последовательно расположенными по кругу противоположными полюсами. Коллектор таких Д. имеет или столько щеток, сколько полюсов электромагнитов, или всего две, прикасающиеся к коллектору в местах, угол между которыми равен углу, образуемому двумя полюсами в расположении этих полюсов по кругу. Так, напр., в четырехполюсной Д. угол между щетками равняется 90°. В последнем случае, т. е. при употреблении только двух щеток, необходимо особое расположение оборотов в обмотке якоря. Рис. 11 изображает 6-полюсную Д.-машину Шуккерта-Мордей (Виктория-Д.). Всевозможные Д., весьма отличные друг от друга по внешнему виду, но предназначенные для одной и той же цели, имеют между собой и нечто общее. Помимо того, что во всех Д. для приготовления электромагнитов берутся толстые и по возможности меньшей длины стержни из наиболее мягкого железа, чем достигается большее напряжение магнитного поля, обмотка арматуры в машинах делается всегда весьма небольшого сопротивления. В некоторых машинах вместо проволоки для приготовления арматур употребляются даже толстые медные прутья. Промежуток между полюсными поверхностями и обмоткой якоря во всех Д. имеет весьма незначительные размеры, настолько малые, насколько это возможно для свободного вращения арматуры. Д.-машины, употребляющиеся для электрического освещения, чаще всего развивают на своих борнах разность потенциалов около 100 вольт (см. Вольт). Д.-машины, назначающиеся для электролиза, дают на своих борнах около 2 или даже менее вольт. Сила тока, которая может быть получена от Д.-машины, вполне определяется размерами машины. Эта сила тока меняется в различных Д. от десятка до тысячи и более ампер (см. определение ампера в слове Вольт-аметр). Произведение числа вольт на борнах машины на число ампер, доставляемых последней, определяет производительность Д., т. е. дает число ватт (см. Вольт), развиваемое машиной в виде электрической энергии во внешней части цепи. Частное, получающееся от разделения числа ватт, доставляемых Д.-машиной, на 500, определяет действительно необходимое число лошадиных сил в двигателе, который употребляется для приведения в движение арматуры Д.-машины (теоретическое число лошадиных сил, соответствующее производительности машины, получается от разделения числа ватт на 736). Теория Д. машин дает следующее выражение (в вольтах) для электродвижущей (электровозбудительной) силы, получающейся во вращающемся якоре двухполюсной Д.-машины. E = nNZ
×10 -8
В этой формуле n
обозначает число оборотов, делаемых якорем в течение 1 сек. при его вращении, N
обозначает число проволок, располагаемых на внешней поверхности якоря, и Z
- так называемое полное число силовых линий, пронизывающих железный сердечник якоря. Называя через т
число оборотов проволок в обмотке электромагнита, через i
- силу тока (в амперах), проходящего через катушки электромагнита, через l a
- среднюю длину силовой линии внутри железа арматуры, т. е. среднее расстояние от места вхождения силовых линий внутрь железа арматуры и места выхода их, через s a
поперечное сечение арматуры, через μ a
- магнитную проницаемость железа арматуры, через l e , s e , μ e
- среднюю длину силовых линий, поперечное сечение и магнитную проницаемость для промежутка между сердечником арматуры и полюсной поверхностью и также через l m , s m μ, m ,
и l p , s p , μ p
- те же элементы для железа электромагнита и полюсных накладок, мы имеем, на основании теории, следующее (приближенное) выражение для Z
: 4πmi = Z[(l a /(μ a s a) + l e /(μ e s e)] + NZ[(l p /(μ p s p) + l m /(μ m s m) + l e /(μ e s e)].
В этой формуле N представляет собой отношение между числом силовых линий, пронизывающих поперечное сечение средней части электромагнита и числом силовых линий, соответствующих сердечнику арматуры. Это отношение изменяется вместе с изменением конструкции Д.; в среднем оно довольно близко к числу 1,4. Входящие в формулу величины μ a , μ m
и μ p
могут быть найдены в таблицах, представляющих собой результаты опытных исследований магнитных свойств различных сортов железа; величина μ e ,
т. е. магнитная проницаемость воздуха, может быть принята равной 1. Кроме Д.-машин, дающих ток постоянного направления, употребляются в электротехнике еще Д.-машины, от которых получается ток, быстро меняющий свое направление. Такие "Д. переменного тока"
(иначе назыв. альтернаторами)
вместе с "трансформаторами"
(см.) особенно удобны в тех случаях, когда приходится проводить ток на большие расстояния. В последнее время эти машины получили значительное развитие. Фиг. 12 показывает схему устройства подобных Д. В центре арматуры, устроенной наподобие кольца Грамма, но не имеющей коллектора, вращается "индуктор", который состоит из нескольких (четного числа) электромагнитов, расположенных по направлению радиусов кольца и обращенных к нему попеременно положительными и отрицательными полюсами. Индуктор намагничивается обычно при помощи тока, получающегося от какой-нибудь другой Д.-машины, дающей ток постоянного направления. Отдельные части обмотки арматуры соединены друг с другом так, что все токи, которые появляются от электродвижущих сил индукции в отдельных частях обмотки, когда мимо этих частей проходят полюсы электромагнитов, т. е. когда проволоки обмотки перерезываются силовыми линиями, имеют в каждый отдельный момент одно и то же направление. Начало первой части обмотки и конец последней ее части представляют "борны" Д. При вращении индуктора подобная арматура будет давать во внешней части цепи ток, направление которого непрерывно изменяется. Машины переменного тока устраиваются обычно высокого напряжения, т. е. разность потенциалов, получающаяся на борнах этих Д., измеряется большим числом вольт (напр. 2000 вольт или еще более). Особенно распространены в настоящее время машины переменного тока, устроенные по системе Ганца. Существуют еще Д.-машины переменного тока, обмотка арматуры которых подразделена на 2, на 3 или более частей так, что от такой машины получаются одновременно 2, 3 или более отдельных переменных токов. Все эти токи вполне тожественны друг с другом по своему характеру, но отличаются один от другого "фазами",
т. е. в тот момент, когда один ток достигает наибольшей силы, второй еще только что развивается, третий же ток имеет в тот же момент прямо противоположное направление. Такая система переменных токов носит название "системы многофазных токов".
Фиг. 13 изображает внешний вид машины Броуна, дающей "трехфазный ток". Эта машина употреблялась для получения тока в опытах над передачей электрической энергии (см. Передача энергии) из Лауфена на реке Неккар во Франкфурте-на-Майне, на расстояние 175 км, во время электрической выставки во Франкфурте, осенью 1891 г. Внутри неподвижной арматуры вращается система электромагнитов, возбуждаемых постоянным током, который получается от небольшой Д.-машины (на фиг. 13 показана машина со сдвинутой арматурой). Система электромагнитов устроена следующим образом. Железное кольцо с двумя фланцами на своем ободе обмотано по окружности проволокой. К этому кольцу с той и другой стороны привинчены стальные кольца, из которых каждое имеет на окружности 16 стальных рожков. Эти кольца привинчены так, что рожки одного кольца приходятся в промежутках между рожками другого. При прохождении тока через обмотку среднего железного кольца эти рожки обращаются в полюсные оконечности попеременно противоположного знака. Получаются таким образом 16 северных и 16 южных полюсов, расположенных поочередно один за другим. Основа арматуры машины представляет собой железное кольцо, укрепленное внутри чугунной рамы. Вблизи внутренней поверхности этого кольца, параллельно его оси, сделаны на одинаковом расстоянии друг от друга сквозные отверстия. В эти отверстия вставлены изолированные асбестом медные стержни. Эти стержни соединены в три отдельные системы, имеющие вид зигзагообразных линий. Каждая система состоит из 32 стержней. Расстояние стержней одной системы от соответствующих им стержней следующей системы равняется 2/3 расстояния между серединами двух соседних полюсных рожков. При вращении индуктора развивается в каждой такой системе переменный ток. Токи, появляющиеся в двух следующих друг за другом системах, отличаются друг от друга по фазе на 120°. Индуктор в машине Броуна в опытах в Лауфене вращался со скоростью 150 оборотов в минуту. Число полных перемен направления тока в каждой отдельной системе проводников арматуры равнялось 150×16 = 2400 в одну минуту, или 40 в одну секунду. Напряжение каждого из 3-х отдельных токов было всего около 50 вольт, сила же каждого тока доходила до 1400 ампер. Три тока, получавшиеся от машины, поступали в три отдельные трансформатора. Эти токи проходили по толстым обмоткам трансформаторов и возбуждали в тонких обмотках этих трансформаторов токи весьма высокого напряжения (до 10000 вольт). Последние токи и передавались по проводникам (медные проволоки 4 мм диам.) из Лауфена во Франкфурт.
Динамо-машина, или генератор электрического тока, - это устройство, которое преобразует в электрическую энергию другие состояния энергии: тепловую, механическую, химическую. До сегодняшнего дня остаются популярными велосипедные генераторы, питающие фары и задние фонари.
Принцип работы генератора электрического тока
Динамо-машина генерирует электрическую энергию благодаря принципу электромагнитной индукции. Обычно такое устройство конвертирует именно механические воздействия прямо в электрические импульсы. В его составе - ротор (открытая проволочная обмотка) и статор, в котором расположены полюса магнита. Ротор, не прекращая движения, все время вращается в силовом магнитном поле, что неизбежно приводит к возникновению тока в обмотке.
Схему своего устройства динамо-машина представляет следующую. Вращающийся проводник, или ротор, пересекает магнитное поле и в нем генерируется ток. Концы ротора подведены к кольцу (коллектор), через них и прижимные щётки ток перемещается в электрическую сеть.
Электрический ток в динамо-машине
Образующийся ток в проводнике будет иметь наибольшее значение при условии, если ротор располагается перпендикулярно магнитным линям. Чем больше поворот проводника, тем сила тока будет меньше. И наоборот. То есть, процесс вращения проводника в магнитном поле вынуждает генерируемый электрический ток менять направление за один оборот ротора два раза. Благодаря этому свойству такой род тока стали называть переменным.
Динамо-машина для выработки постоянного тока построена на таком же принципе, как и для переменного тока. Разницу можно заметить лишь в деталях, когда концы металлического провода закрепляют не к кольцам, а подсоединяют к полукольцам. Такие полукольца обязательно изолируются между собой, что при вращении проводника делает возможным контактировать со щёткой переменно то одно полукольцо, то другое. Значит, в щётки вырабатываемый ток будет поступать исключительно в одном направлении, одним словом - ток будет постоянным.
Как собрать динамо-машину?
Динамо-машина своими руками собирается быстро. Основанием для будущего генератора будет служить деревянная доска толщиной около 30 мм и площадью 150 на 200 мм. Двумя шурупами на неё крепится корпус так, чтобы электромагниты располагались по горизонтали, один против другого. Затем, сквозь прикреплённый к корпусу подшипник продевается ось якоря, который закрепляется на своём месте между электромагнитами. С внутренней стороны подшипниковой стойки продевают щётки, вставляют второй конец оси якоря. На этом конце закрепляют коллектор.
Перед прикреплением подшипниковой стойки к основанию, якорь нужно выровнять таким образом, чтобы его вращение между электромагнитами не задевало их. Щётки должны располагаться поперёк башмаков электромагнитов и закрепляться на подшипнике. На свободном конце ротора прикрепляется небольшой шкив.
Электромонтаж устройства заключается в соединении концов обмоток для электромагнитов со щётками. Также к ним соединяют отрезки гибкого провода для сообщения устройства с внешней цепью.
Генератор и велосипед
Свою мощность динамо-машина для велосипеда демонстрирует в зависимости от скорости вращения. Например,
недостаточно быстрое вращение или остановка велосипеда прекращает питать фонарь или иное устройство. Но при высокой скорости лампочки способны перегореть раньше срока выработки ресурса.
Различают несколько разновидностей велосипедных электрических генераторов:
Втулочный тип встраивается во втулку колеса. Конструктивно состоит из статичного сердечника на оси и обращающегося многополюсного магнита в форме кольца. Их стоимость больше, она компенсируется бесшумной работой и эффективностью.
Бутылочный тип наиболее популярный. Схожее с формой бутылки устройство оснащено небольшим колёсиком, что приводится в движение посредством трения о боковину резиновой покрышки колеса.
Кареточный генератор устанавливается рядом с кареточным стаканом, ниже перьев рамы. Движение подпружиненного ролика осуществляется благодаря трению о протектор покрышки. Следует упомянуть, что кареточная и бутылочная динамо машина перестают работать, попадая в мокрые условия.
Генератор, позволяющий получить электрическую энергию благодаря вращению (механической энергии), именуется динамо-машиной. Постоянный ток, ею вырабатываемый, в связи со своими качествами применяется в быту не так часто, как переменный. Все электростанции оснащены гигантскими генераторами переменного тока (альтернаторами). Несмотря на это, динамо-машина остается актуальным приспособлением, которое хорошо служит в некоторых электротехнических областях, например, при зарядке аккумуляторов. Поэтому небольшой генератор, собранный своими руками, всегда найдет себе применение.
Кто изобрел динамо-машину и как она устроена?
В 1831 году английский физик Фарадей обнаружил необычное электромагнитное явление. В медном проводе во время вращения между магнитными полюсами возникало электромагнитное поле. Именно оно возбудило движение электронов по проводнику. На основе исследований физик сформулировал закон электро-магнитной индукции. Проводником служила медная проволока, накрученная на стержень из металла, обладающий магнитным свойством. Когда магнитные частицы в стержне располагались в соответствии с полюсами, он превращался в магнит и притяги-вал к себе металлические предметы. Чтобы намагнитить стержень, можно использовать катушку или постоянный магнит. Эффект возникнет при силь-ном вращении одного электромагнита вокруг другого.
В том же году появился прибор для преобразования электрической энергии в механическую. Первые электродвигатели напоминали паровые машины: только вместо цилиндров устанавливали электромагниты, вместо поршней - металлические якоря.
В 1834 году русский академик Борис Якоби создал первый электродвигатель с вращающимся якорем. Через 4 года академик применил усовершенствованный электромотор на первой в мире моторной лодке. Первый в мире генератор переменного тока был построен Павлом Яблочковым. А поистине революционным стало изобретение другого русского ученого М. Доливо-Довольского - генератор трехфазного тока.
Динамо-машина своими руками, ее элементы
Для того чтобы построить динамо-машину, потребуются такие основные элементы, как корпус, вращающийся якорь, коллектор, щеткодержатель, щетки, медная проволока с изоляцией.
Рассмотрим подготовку каждого элемента в отдельности.
Устройство динамо-машины |
|
| Существуют разные варианты изготовления корпуса. Для него подойдет консервная банка, отрезок трубы (диаметр 100 мм). Во-первых, надо вырезать дно банки и утяжелить корпус. Для этого с внутренней или наружной стороны банки очень плотно в несколько рядов навернем полоску из железа такой же ширины. Затем приклепываем или припаиваем полоску к корпусу. Во-вторых, из жести или железа изготавливаем сердечники для электромагнитов и башмаки для них. Берем полоски жести по ширине корпуса, изгибаем, накладываем друг на друга, скрепляем железной проволокой и припаиваем их по бортам. К отверстиям в корпусе, расположенным напротив друг друга, крепим сердечники. С помощью шурупов приворачиваем корпус к колодке (деревянной или металлической). В корпусе делаем две подшипниковых полоски (латунь или толстая жесть, размер 110х20 мм) и стойку (80х20 мм) для закрепления якоря. Полоски спаиваем крестом, в центре делаем отверстие по диаметру оси. Такое же отверстие в стойке в 10 мм от конца. В отверстия подшипников можно впаять медные трубочки (10-15 мм с диаметром 8 мм). К корпусу первый подшипник припаиваем концами полос, после система выгнется наружу. |
| Изготавливать якорь надо тщательно, так как от него во многом зависит, как будет работать динамо-машина. Можно собрать якорь из жестяных пластин. Толщина всех пластин должна быть равна толщине корпуса (50 мм), при их изготовлении требуется особая точность. Из железа придется вырезать примерно 120 кругов (по 46 мм в диаметре). Каждый круг делим на восемь секторов с помощью циркуля, делаем разметку через центр круга, в центре кругов проводим по две окружности диаметром 8 и 38 мм. На пересечении большой окружности с линиями секторов проводим еще круги по 8 мм. На всех круглых пластинах, там, где расчертили окружности, с точностью просверливаем восемь отверстий по 8 мм. Плотно скрепляем пластины гайками и надеваем на ось, должен получиться якорь с круглыми продольными пазами. Острые углы в пазах закругляем напильником. |
Изготовление коллектора и щеткодержателя
При сборке динамо-машины, в частности коллектора и щеткодержателей, требуется внимание и аккуратность.
| Коллектор можно изготовить из трубки (медь, латунь) или собрать из пластин. Потребуется трубка диаметром 20-25 мм и длиной 25—30 мм, которая распиливается на 4 равные части. В пластинах просверливаются по два двухмиллиметровых отверстия. Затем вырезаем цилиндр (диаметр 20-25 мм, длина 25 мм) из фибры или эбонита, подойдет и сухое дерево. В центре цилиндра делаем отверстие, чтобы он плотно мог войти на ось якоря. Пластинки крепим к цилиндру с помощью мелких шурупов, каждый раз оставляя между ними пространство в 1-2 мм. Можно использовать скрутки из проволоки и изоляционную ленту. Шурупы не должны касаться оси, иначе будет замыкание. Зазоры между пластинами заполняем канифолью. |
|
| Щеткодержатель со щетками применяется для снятия напряжения в коллекторе. Щетки должны выдвигаться и поворачиваться вокруг оси якоря, чтобы менять силу и угол нажима на коллектор. Основание толщиной 10 мм изготовим из фибры, эбонита или пропарафиненного дерева. Просверлим в нем три отверстия, чтобы для двух крайних подошли болты. Берем болты из меди или радиоконтакты по 35 мм. Болтики, закрепляющие щетки, вкручиваем с гайками для зажима. Отверстие в центре должно быть равно диаметру трубки из меди, которая использовалась для первого подшипника в корпусе. Напротив центрального отверстия в торце колодки просверливаем сквозное отверстие и делаем нарезку под крепящий винт. Берем винт (для дерева - шуруп) с прорезью или гранями на головке. Делаем отверстие чуть меньше диаметра винта, вворачиваем винт. Сначала на 2-3 оборота ввернуть, потом вывернуть, повторяя до тех пор, пока он не будет свободно входить на три оборота. Затем точно также винтом обрабатываем следующий проход. Делаем подшипниковую стойку, в верхнем конце которой просверливаем отверстие, вставляем отрезок медной трубки и припаиваем. Щетки можно сделать разными способами, из медных, латунных пластин или приготовить угольные щетки. Это могут быть пластины длиной 40-50 мм с сечением 10-15 мм. На конце щетки просверливаем продолговатое сквозное отверстие длиной 20 мм под болтики. Такое отверстие позволит менять нажим, приближая щетки к коллектору. Крепим щетки шайбами. Чтобы щетки плотно касались коллектора, затачиваем их концы наискось. |
|
Обмотка
Для обмотки будем использовать медную проволоку с бумажной изоляцией сечением 0,5-0,8 мм. Необходимо приобрести полкилограмма проволоки, толщина которой будет влиять на напряжение и силу тока. Например, при обмотке проволокой 0,5 мм будет вырабатываться 25 вольт при силе тока в 1 ампер, если взять проволоку 0,8 - 8 вольт при силе в 3 ампера. Перед началом работ проволоку делим на две части. Для обмотки электромагнита потребуется 450 г провода 0,5 и 60 г для обмотки якоря. Если купили проволоку 0,8, для электромагнита отложим 430 г, а для якоря - 70 г.
Сборка динамо
Динамо-машина своими руками собирается в несколько этапов:
- Для основания подготовим доску размером 150х200 мм, толщиной 30 мм. Просверлим два отверстия с краев кольца электромагнитов.
- Крепим корпус к основанию двумя шурупами так, чтобы электро-магниты расположились на одной горизонтальной линии напротив друг друга.
- К бо-кам корпуса, чтобы он прочно сидел, подкладываем деревянные брусочки и привинчиваем их к основанию.
- Затем через подшипник на корпусе пропускаем свободный конец оси якоря. Вставляем его на место между электромагнитами.
- На подшипник подшипниковой стойки с внутрен-ней стороны надеваем щеткодержатель со щетками и вставляем конец оси якоря с коллектором. На коллектор предварительно должна быть надета толстая металли-ческая шайба или кольцо из проволоки.
- Устанавливаем якорь так, чтобы он при вращении между электромагнитами, не задевал их и находился от них на одном расстоянии. Стойка крепится на основание двумя шурупами.
Регулировка динамо-машины
- Закрепляем щетки так, чтобы они слегка касались коллектора и сильно не затормаживали его вра-щение.
- Проверим правильность соединений, отсутствие обрывов и замыканий. Подключаем к механизму батарею в 15-20 вольт. Если мотор работает, якорь быстро вращается, значит, динамо-машина своими руками собрана правильно.
- После проверки динамо-машину соединяем с при-водом, например от ножной швейной машины. К щеткам присоединяем напря-жение от батареи в 10 вольт, чтобы намагнитить электромагниты. Через минуту батарея должна отключиться, тогда начинаем быстро вращать якорь с помощью привода. К проводам от щеток подключаем вольтметр или лампу в 12 вольт. Если все собрано правильно, вольтметр будет показывать напряжение, а лампочка - накаливаться.
- С помощью равномерного вращения якоря надо слегка повернуть щеткодержатель в сторону вращения якоря, тогда щетки будут меньше искрить и лучше снимать напряжение. Опытным путем отрегулируем установку щеток.
Динамо-машина для велосипеда
Небольшой генератор для велосипеда устанавливается на боковой стенке покрышки. Он позволяет заряжать аккумуляторы мобильников, приемников и других устройств, зажигает фары. Бутылочная динамо-машина называется еще и боковым динамо. При езде покрышка приводит в движение ролик динамо, вращающий электрогенератор.
Для велосипедного генератора можно взять динамо-втулку, динамо-каретку. Подойдет и бесконтактная динамо-машина. Телефон она сможет зарядить вполне успешно.
- Бутылочный генератор во время работы создает сопротивление при езде и требует больше усилий для прокручивания, чем динамо-втулка. Правильная регулировка поможет уменьшить сопротивление.
- Бутылочная динамо-машина для велосипеда изнашивает покрышку в отличие от динамо-втулки.
- При влажности ролик динамо-бутылки возможно будет проскальзывать по покрышке, что существенно снизит количество вырабатываемой энергии.
- Для динамо-втулки не требуется хорошее сцепление и герметизация. Они не издают шума в отличие от динамо-машин.
Эксплуатация динамо-машины для велосипеда
Тщательная установка динамо очень важна, при этом надо учесть угол, высоту и давление. Для запуска велосипедная динамо-машина бутылочного типа перемещается и подсоединяется, а динамо-втулка просто включается вручную или автоматически.
Эксплуатировать динамо надо строго по инструкции.
- Перед тем, как крутить педали, проверяем вольтметр. Он должен показывать напряжение (12-13).
- Выбираем режим низкой мощности, включаем генератор, должна загореться лампочка индикатора.
- Крутим педали, постепенно увеличивая скорость, до включения генератора. Лампочка погасла, на вольтметре значение 13-14. Крутить педали надо быстро, чтобы схема могла поддерживать мощность.
- Вело динамо-машина работает более эффективно при высокой мощности. При тяжелых нагрузках лучше запускать генератор на низкой мощности, а после отключения нагрузки переключить на высокую.
Динамо-зарядник
В полевых условиях всегда пригодится простая «крутилка», динамо-машина для зарядки телефона. Актуальными являются зарядники со встроенным аккумулятором. Встречаются механические зарядники, также не занимающие много места. Многие современные «крутилки» снабжены фонариками.
Данные устройства вполне успешно заряжают мобильные телефоны. Например, при вращении ручки 2-3 оборота в секунду можно получить значение коэффициента от 0.65 до 2.5. Пару минут покрутил и можно говорить по телефону от 2 до 5 минут. Все зависит от модели и условий приема. Ручная динамо-машина не сможет снабжать мощный смартфон с большим дисплеем. Механическая зарядка обеспечит результат в связке с простым телефоном вместе с гарнитурой hands-free.
Зарядка динамо-машина сработает результативно при полностью разрядившемся аккумуляторе, но повысить заряд телефона кручением рукоятки можно только до 50%. Когда аккумулятор разряжен только наполовину, «крутилка» становится бесполезной игрушкой. Если в инструкции указан максимальный ток зарядки - 400 mA с мощностью 2 Вт, то дополнительную энергию выжать не удастся даже при быстром вращении рукоятки.
Мощный генератор своими руками
Мощный генератор электроэнергии можно собрать, используя старый велосипед без восьмерок на заднем колесе. Подойдет 28-дюймовое колесо и передняя звездочка на 52 зуба, но возможны и другие варианты, например, 26-дюймовое и звездочка на 46 зубов. В первую очередь снимаем ненужные детали: переднее колесо, покрышки, переключатель передач, тормоза. Устанавливаем велосипед на подставку.
Генератор должен быть автономным с двумя большими клеммами и одной маленькой. Две большие клеммы соединяем вместе, образуя плюс, а маленькую - с индикаторной лампочкой. Клемму заземления соединяем с корпусом (минус). Чистим генератор, снимаем с него вентилятор охлаждения. Закрепляем генератор на кронштейне за сидением, шпиндель должен находиться снаружи на 10-12 см от обода. Подбираем ремень, желательно зубчатый, окружностью примерно 82 дюйма. Для колес по 26 дюймов подойдут ремни A78, а для 27-дюймовых колес - A80.
Для регулировки натяжения генератора переменного тока используем натяжитель пружинного типа. Ремень не надо затягивать сильно, так как вращающий момент довольно низок. На руль закрепляем вольтметр, выключатель и лампочку. Если в доме есть дети, необходимо защитить движущиеся частям механизма, чтобы исключить возможность травматизма.
Задание 1 из 15
1 .
Нарушаются ли Правила в изображенных ситуациях?
Правильно
е) буксировать велосипеды;
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
г) во время движения держаться за другое транспортное средство;
е) буксировать велосипеды;
Задание 2 из 15
2 .
Кто из велосипедистов не нарушает правила?
Правильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
б) двигаться по автомагистралям и дорогам для автомобилей, а также по проезжей части, если рядом обустроена велосипедная дорожка;
Задание 3 из 15
3 .
Кто должен уступить дорогу?
Правильно
6. Требования к велосипедистам
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.5. Если велосипедная дорожка пересекает дорогу вне перекрестка, велосипедисты обязаны уступить дорогу другим транспортным средствам, движущимся по дороге.
Задание 4 из 15
4 .
Какие грузы разрешается перевозить велосипедисту?
Правильно
6. Требования к велосипедистам
22. Перевозка груза
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.4. Велосипедист может перевозить только такие грузы, которые не мешают управлять велосипедом и не создают препятствий другим участникам дорожного движения.
22. Перевозка груза
22.3. Перевозка груза разрешается при условии, что он:
б) не нарушает устойчивости транспортного средства и не затрудняет управление им;
Задание 5 из 15
5 .
Кто из велосипедистов нарушает Правила при перевозке пассажиров?
Правильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
д) перевозить пассажиров на велосипеде (за исключением детей до 7 лет, перевозимых на дополнительном сиденье, оборудованном надежно закрепленными подножками);
Задание 6 из 15
6 .
В каком порядке проедут перекресток транспортные средства?
Правильно
16. Проезд перекрестков
Неправильно
16. Проезд перекрестков
16.11. На перекрестке неравнозначных дорог водитель транспортного средства, движущегося по второстепенной дороге, должен уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся к данному перекрестку проезжих частей по главной дороге, независимо от направления их дальнейшего движения.
16.12. На перекрестке равнозначных дорог водитель нерельсового транспортного средства обязан уступить дорогу транспортным средствам, которые приближаются справа.
Этим правилом должны руководствоваться между собой и водители трамваев. На любом нерегулируемом перекрестке трамвай, независимо от направления его дальнейшего движения, имеет преимущество перед нерельсовыми транспортными средствами, приближающимися к нему по равнозначной дороге.16.14. Если главная дорога на перекрестке изменяет направление, водители транспортных средств, движущихся по ней, должны руководствоваться между собой правилами проезда перекрестков равнозначных дорог.
Этим правилом должны руководствоваться между собой и водители, движущиеся по второстепенным дорогам.Задание 7 из 15
7 .
Движение на велосипедах по тротуарам и пешеходным дорожкам:
Правильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.6. Велосипедисту запрещается:
в) двигаться по тротуарам и пешеходным дорожкам (кроме детей до 7 лет на детских велосипедах под присмотром взрослых);
Задание 8 из 15
8 .
Кто имеет преимущество при проезде пересечения с велосипедной дорожкой?
Правильно
6. Требования к велосипедистам
6.5. Если велосипедная дорожка пересекает дорогу вне перекрестка, велосипедисты обязаны уступить дорогу другим транспортным средствам, движущимся по дороге.
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.5. Если велосипедная дорожка пересекает дорогу вне перекрестка, велосипедисты обязаны уступить дорогу другим транспортным средствам, движущимся по дороге.
Задание 9 из 15
9 .
Какая дистанция должна быть между группами велосипедистов, движущихся в колонне?
Правильно
6. Требования к велосипедистам
Неправильно
6. Требования к велосипедистам
6.3. Велосипедисты, двигаясь группами, должны ехать друг за другом, чтобы не мешать другим участникам дорожного движения. Колонна велосипедистов, движущаяся по проезжей части, должна быть разделена на группы (до 10 велосипедистов в группе) с дистанцией движения между группами 80-100 м.
Задание 10 из 15
10 .
Транспортные средства проедут перекресток в следующем порядке
Правильно
16. Проезд перекрестков
16.11. На перекрестке неравнозначных дорог водитель транспортного средства, движущегося по второстепенной дороге, должен уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся к данному перекрестку проезжих частей по главной дороге, независимо от направления их дальнейшего движения.
Неправильно
16. Проезд перекрестков
16.11. На перекрестке неравнозначных дорог водитель транспортного средства, движущегося по второстепенной дороге, должен уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся к данному перекрестку проезжих частей по главной дороге, независимо от направления их дальнейшего движения.
16.13. Перед поворотом налево и разворотом водитель нерельсового транспортного средства обязан уступить дорогу трамваю попутного направления, а также транспортным средствам, движущимся по равнозначной дороге во встречном направлении прямо или направо.
Задание 11 из 15
11 .
Велосипедист проедет перекрёсток:
Правильно
16. Проезд перекрестков
Неправильно
8. Регулирование дорожного движения
8.3. Сигналы регулировщика имеют преимущество перед сигналами светофоров и требованиями дорожных знаков и являются обязательными для выполнения. Сигналы светофоров, кроме желтого мигающего, имеют преимущество перед дорожными знаками приоритета. Водители и пешеходы должны выполнять дополнительные требования регулировщика, даже если они противоречат сигналам светофоров, требованиям дорожных знаков и разметки.
16. Проезд перекрестков
16.6. Поворачивая налево или разворачиваясь при зеленом сигнале основного светофора, водитель нерельсового транспортного средства обязан уступить дорогу трамваю попутного направления, а также транспортным средствам, движущимся во встречном направлении прямо или поворачивающим направо. Этим правилом должны руководствоваться между собой и водители трамваев.
Задание 12 из 15
12 .
Мигающие красные сигналы данного светофора:
Правильно
8. Регулирование дорожного движения
Неправильно
8. Регулирование дорожного движения
8.7.6. Для регулирования движения на железнодорожных переездах используются светофоры с двумя красными сигналами или одним бело-лунным и двумя красными, имеющими следующие значения:
а) мигающие красные сигналы запрещают движение транспортных средств через переезд;
б) мигающий бело-лунный сигнал показывает, что сигнализация исправная и не запрещает движения транспортных средств.
На железнодорожных переездах одновременно с запрещающим сигналом светофора может быть включен звуковой сигнал, дополнительно информирующий участников дорожного движения о запрещении движения через переезд.
Задание 13 из 15
13 .
Водитель какого транспортного средства проедет перекресток вторым?
Правильно
16. Проезд перекрестков
16.11. На перекрестке неравнозначных дорог водитель транспортного средства, движущегося по второстепенной дороге, должен уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся к данному перекрестку проезжих частей по главной дороге, независимо от направления их дальнейшего движения.
16.14. Если главная дорога на перекрестке изменяет направление, водители транспортных средств, движущихся по ней, должны руководствоваться между собой правилами проезда перекрестков равнозначных дорог.
Этим правилом должны руководствоваться между собой и водители, движущиеся по второстепенным дорогам.
Неправильно
16. Проезд перекрестков
16.11. На перекрестке неравнозначных дорог водитель транспортного средства, движущегося по второстепенной дороге, должен уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся к данному перекрестку проезжих частей по главной дороге, независимо от направления их дальнейшего движения.
16.14. Если главная дорога на перекрестке изменяет направление, водители транспортных средств, движущихся по ней, должны руководствоваться между собой правилами проезда перекрестков равнозначных дорог.
Этим правилом должны руководствоваться между собой и водители, движущиеся по второстепенным дорогам.
16 Проезд перекрестков
Неправильно
8. Регулирование дорожного движения
8.7.3. Сигналы светофора имеют следующие значения:
Сигнал в виде стрелки, разрешающий поворот налево, разрешает и разворот, если он не запрещен дорожными знаками.
Сигнал в виде зеленой стрелки (стрелок) в дополнительной (дополнительных) секции (секциях), включенный вместе с зеленым сигналом светофора, информирует водителя о том, что он имеет преимущество в указанном стрелкой (стрелками) направлении (направлениях) движения перед транспортными средствами, движущимися с других направлений;
е) красный сигнал, в том числе мигающий, или два красных мигающих сигнала запрещают движение.
Сигнал в виде зеленой стрелки (стрелок) в дополнительной (дополнительных) секции (секциях) вместе с желтым или красным сигналом светофора информирует водителя о том, что движение разрешается в указанном направлении при условии беспрепятственного пропуска транспортных средств, движущихся с других направлений.
Стрелка зеленого цвета на табличке, установленной на уровне красного сигнала светофора с вертикальным расположением сигналов, разрешает движение в указанном направлении при включенном красном сигнале светофора с крайней правой полосы движения (или крайней левой полосы движения на дорогах с односторонним движением) при условии предоставления преимущества в движении другим его участникам, движущимся с других направлений на сигнал светофора, разрешающий движение;
16 Проезд перекрестков
16.9. Во время движения в направлении стрелки, включенной в дополнительной секции одновременно с желтым или красным сигналом светофора, водитель должен уступить дорогу транспортным средствам, движущимся с других направлений.
Во время движения в направлении стрелки зеленого цвета на таблице, установленной на уровне красного сигнала светофора с вертикальным расположением сигналов, водитель должен занять крайнюю правую (левую) полосу движения и уступить дорогу транспортным средствам и пешеходам, движущимся с других направлений.
Генератором электрической энергии называется устройство, преобразующее химическую, механическую или тепловую энергию в электрический ток. Таким генератором, использующимся на велосипедах для питания задних фонарей и передней фары, является динамо-машина .
Разновидности
Рассмотрим существующие виды велосипедных динамо-машин заводского исполнения.
Бутылочная
Этот вид велосипедного генератора наиболее доступный и простой. Однако его мощность не самая большая из всех видов. Приводной ролик генератора вращается за счет касания к протектору шины колеса во время движения.
Втулочная динамо-машина
Динамо-втулка по своему устройству является осевой динамо-машиной. Исполнения таких моделей могут быть различного вида. Стоимость втулочного генератора довольно высока. Установка более сложная, по сравнению с бутылочным вариантом.
При приобретении необходимо проверить число спиц и метод фиксации установочного колеса. К достоинствам втулочного генератора относится его защищенность от влаги, в отличие от бутылочного генератора, приводной ролик которого в сырую погоду проскальзывает по покрышке велосипеда. Устройство заключено внутри втулки колеса, и работа происходит от его вращения.
К недостаткам такого устройства относится то, что выключить работу втулочного генератора не получится.
Цепная
Цепной вариант велосипедного генератора встречается достаточно редко. Однако есть несколько разных исполнений этого вида. Устройство может оснащаться USB портом для зарядки мобильных гаджетов.
Недостатком такой конструкции является малый срок службы, так как при эксплуатации происходит воздействие металлической велосипедной цепи на пластиковые элементы генератора.
Бесконтактная
Это оригинальная динамо-машина с бесконтактным принципом действия. Колесо велосипеда играет роль ротора. На колесо фиксируется специальный обруч, на котором закреплены 28 магнитов. Они расположены поочередно, с разными полюсами.
Статором является индукционная катушка, в которой вырабатывается электрический ток. В эту систему включена аккумуляторная батарея для накопления энергии. По заверениям производителя для обеспечения нормального светового потока достаточно двигаться со скоростью 15 км в час.
Достоинствами этой конструкции является:
- Отсутствие трущихся элементов.
- Бесшумная эксплуатация.
- Неограниченный срок эксплуатации (кроме батареи аккумуляторов).
Недостатком бесконтактной модели является малая емкость аккумуляторов. Ее хватает всего на несколько минут. Однако многие умельцы легко исправляют этот недостаток различными способами, в том числе заменой батареи на более мощную.
Другие конструкции
В настоящее время очень популярны различные интересные устройства, которые изготовлены в Китае. Иногда видишь такие устройства, которые раньше нигде не производили. Даже их принцип действия не всегда понятен, однако они работают.
Такое китайское устройство можно смело назвать велогенератором будущего. Динамо-машина из поднебесной выглядит по аналогии фантастических фильмов. Судя по внешнему виду, для ее функционирования нет необходимости в контакте с шиной колеса или цепью. Также нет никаких магнитов.
Принцип ее работы не совсем понятен. Возможно, это является технологическим секретом завода изготовителя.
Конструктивные особенности и работа
Наиболее популярной моделью динамо-машины на велосипедах является ее бутылочная конструкция, за ней идет динамо-втулка. Остальные виды используются значительно реже. Поэтому рассмотрим самые распространенные модели.
Динамо-бутылка
Динамо-машина бутылочного вида работает на боковой части передней шины велосипеда. Выполнена в виде небольшого генератора электрической энергии, и служит для работы заднего фонаря и передней фары велосипеда, а также зарядки электронных мобильных устройств.
Такой мини-генератор может монтироваться как на переднее колесо, так и на заднее. В первом случае устройство может совмещаться со встроенным фонарем. Для отключения генератора предусмотрен специальный откидной механизм, фиксирующий корпус генератора в том положении, когда нет соприкосновения с шиной колеса велосипеда.
Название этого устройства происходит от внешнего сходства формы с бутылкой. Бутылочный велогенератор имеет и другое название – боковое динамо. Приводной резиновый или металлический ролик приводится во вращение на боковой стороне шины колеса. При движении велосипеда шина придает вращательное движение ролику велогенератора, который вырабатывает электрический ток.
Достоинства
- Отключенный привод генератора не оказывает сопротивления движению велосипеда. При включенном генераторе велосипедисту приходится прикладывать больше силы для движения. Динамо-втулка в отличие от бутылочного велогенератора, всегда оказывает сопротивление вращению колеса, хотя значение этого сопротивления незначительно. Если бутылочный велогенератор включен, но фонари и фара не подключены к питанию, то сопротивление движению велосипеда меньше.
- Легкая и простая установка . Такое устройство легко установить на любой велосипед, в отличие от втулочного генератора, для установки которого необходима сборка всего динамо-колеса со спицами.
- Небольшая стоимость . Такие модели обычно стоят дешевле других видов велосипедных генераторов, хотя бывают и исключения из этого правила.
Недостатки
- Сложная настройка . Требуется тщательная настройка и регулировка соприкосновения с покрышкой колеса под определенным углом, давлением в шине, высотой. Если велосипед упадет, либо ослабнут фиксирующие винты, генератор может быть поврежден. Неправильно отрегулированное устройство генератора будет издавать много шума, создавать чрезмерное сопротивление, проскальзывать по колесу. Если винты крепления слишком ослабнут, то механизм может сдвинуться с места и попасть в спицы колеса, что приведет к поломке спиц и выходу колеса велосипеда из строя. Некоторые велогенераторы оснащены специальными петлями, предохраняющими их попадание в спицы.
- Для переключения требуется физическое усилие . Чтобы привести в действие генератор, необходимо переместить его корпус до соприкосновения с колесом. Втулочные генераторы могут включаться автоматически или с помощью электроники. Для этого не нужно прикладывать усилия.
- Повышенный шум . При эксплуатации слышен шум в виде жужжания, в то время как динамо-втулки не создают шума.
- Износ шины колеса . Для эксплуатации генератора требуется соприкосновение с шиной, в результате происходит трение и износ покрышки. Если сравнить с динамо-втулкой, то там трение с покрышкой отсутствует.
- Сопротивление движению . Бутылочная динамо-машина оказывает значительно больше сопротивление движению велосипеда, чем втулочная модель. Однако при правильной настройке сопротивление незначительное, а в отключенном виде отсутствует.
- Проскальзывание . При сырой дождливой погоде приводной ролик бутылочного генератора будет скользить по шине колеса, что уменьшает выработку электрического тока и снижает яркость света фары и заднего фонаря. Втулочные генераторы не требуют для работы хорошего сцепления с покрышкой, и не зависят от погоды и других неблагоприятных условий.
Динамо-втулка
Втулочная конструкция велогенератора разработана в Англии, а производится различными фирмами во многих странах. Мощность такой конструкции может достигать 3 ватт при напряжении 6 вольт. Технологии их изготовления постоянно совершенствуются, размеры конструкции становятся меньше и мощнее. Современные фары для велосипеда стали излучать более эффективный свет, так как применяются и.
Динамо-втулки при работе не создают шума, но их масса больше, чем у других моделей. Трущиеся части во втулочном варианте устройства отсутствуют. Они функционируют за счет магнита, имеющего множество полюсов, и выполненного в виде кольца. Он находится в корпусе втулки и вращается вокруг неподвижного якоря с катушкой, зафиксированной на оси. Сопротивление вращению такой конструкции очень незначительное.
Динамо-втулки вырабатывают переменный ток. На малых скоростях вырабатывается больше электричества, по сравнению с бутылочной моделью, за счет низкой частоты тока. Существуют схемы выпрямителей для динамо-машины. Они выполнены по простой схеме моста из четырех диодов.
Динамо-машина втулка вырабатывает низкое напряжение, поэтому при применении кремниевых диодов потери составляют значительную величину – 1,4 вольта. С германиевыми диодами потери снижаются, и составляют всего 0,4 вольта.
Принцип работы динамо-машины
Динамо-машина вырабатывает электрический ток с помощью эффекта электромагнитной индукции. Ротор вращается в магнитном поле, в результате чего в обмотке возникает электрический ток. Концы обмотки ротора подключены к коллектору, выполненному в виде колец. Через них с помощью прижимающихся щеток электрический ток поступает в сеть.
Ток в обмотке имеет максимальное значение, если ротор находится перпендикулярно по отношению к магнитным линиям. Чем больше угол поворота обмотки, тем ток меньше. Вращение обмотки в магнитном поле изменяет направление тока за один оборот два раза. Поэтому ток называют переменным.
Подобный генератор для постоянного тока изготавливается на этом же принципе. Разница в некоторых деталях. Концы обмотки соединяют не с кольцами, а с полукольцами, которые изолированы друг от друга. При вращении обмотки щетка контактирует поочередно с каждым полукольцом. Поэтому ток, поступающий на щетки, будет иметь только одно направление и будет постоянным.
