Alternator Goldschmidta

Alternator Goldschmidt o mocy 100 kW w Eilvese w Niemczech. Silnik elektryczny prądu stałego o mocy 250 KM (po prawej) obracał wirnik o średnicy 3 stóp i wadze 5 ton (w środku) z prędkością 4000 obr./min. Wirnik miał 360 biegunów, a częstotliwość podstawowa alternatora wynosiła 24 kHz. Skomplikowane obwody „reflektorowe” (zestawy kondensatorów przy ścianach) zmusiły maszynę do wytwarzania prądu przemiennego o czterokrotnie większej częstotliwości, 96 kHz. Nadajnik służył do transatlantyckiego radiotelegraficznego , wymieniając alfabet Morse'a wiadomości z podobną stacją Goldschmidt w Tuckerton, New Jersey, USA. Podczas I wojny światowej był to główny kanał komunikacyjny Niemiec ze światem zewnętrznym i był używany do negocjacji dyplomatycznych między Woodrowem Wilsonem a cesarzem Wilhelmem II prowadzących do zawieszenia broni .

Alternator Goldschmidta lub alternator reflektorowy , wynaleziony w 1908 roku przez niemieckiego inżyniera Rudolpha Goldschmidta , był wirującą maszyną , która wytwarzała prąd przemienny o częstotliwości radiowej i była używana jako nadajnik radiowy . Alternatory radiowe, takie jak Goldschmidt, były jednymi z pierwszych nadajników radiowych z falą ciągłą . Podobnie jak podobny alternator Alexandersona , był krótko używany w okresie I wojny światowej w kilku stacjach radiowych o dużej mocy na falach długich do przesyłania transoceanicznego ruchu radiotelegraficznego , aż do lat dwudziestych XX wieku, kiedy to stał się przestarzały przez nadajniki lamp próżniowych .

Opis

Chociaż urządzenie było nadajnikiem radiowym, przypominało generator elektryczny służący do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni. Podobnie jak inne generatory, składał się z wirnika o średnicy kilku stóp, nawiniętego cewkami z drutu, który obracał się wewnątrz nieruchomej ramy zwanej stojanem, która miała własne cewki. Interakcja między polami magnetycznymi wirnika i stojana wytwarzała prądy o częstotliwości radiowej w uzwojeniach stojana, które były doprowadzane do anteny .

Alternator o częstotliwości radiowej różnił się od zwykłego generatora elektrycznego tym, że aby wytworzyć prąd przemienny o wystarczająco wysokiej częstotliwości , aby wytworzyć fale radiowe ( prąd o częstotliwości radiowej ), obracał się znacznie szybciej i miał znacznie więcej „biegunów” magnetycznych na wirniku i stojanie, zwykle 300 do 600. Alternator Goldschmidta był obracany przez mocny silnik elektryczny prądu stałego przymocowany do wału za pośrednictwem przekładni co zwiększyło prędkość silnika do kilku tysięcy obrotów na minutę. Zaletą konstrukcji Goldschmidta było to, że dzięki zastosowaniu zewnętrznych baterii kondensatorów „reflektorowych”, które powodowały, że częstotliwość wyjściowa była wielokrotnością ( harmonicznej ) prędkości obrotowej alternatora, pozwoliło to na utrzymanie niższej prędkości obrotowej, upraszczając konstrukcję mechaniczną. Nadajniki Goldschmidta działały na fal długich ( LF i VLF ) od około 20 do 100 kHz.

Maszyny Goldschmidta były używane od 1910 do około 1930 jako nadajniki w kilku centralnych „supermocarstwach” długofalowych stacjach radiowych, które były wykorzystywane nie do nadawania, ale do telegrafii bezprzewodowej , do przesyłania wiadomości telegraficznych alfabetem Morse'a do podobnych stacji w innych krajach na całym świecie. świat. Tylko nadajniki alternatora, takie jak Goldschmidt i Alexanderson mógłby wytwarzać duże moce (od 50 do 200 kW) niezbędne do niezawodnej komunikacji na odległości transoceaniczne. Goldschmidt był mniej powszechnie używanym projektem, używanym głównie na stacjach europejskich. Same stacje przypominały elektrownię, z dużymi silnikami elektrycznymi napędzającymi szumiące alternatory, które były połączone przez ogromne cewki ładujące z ogromnymi drutowymi systemami antenowymi rozciągającymi się na wiele kilometrów, zawieszonymi na stalowych wieżach.

Historia

Alternator Goldschmidta o mocy 12,5 kW zainstalowany w 1910 r. Na stacji bezprzewodowej w Eberswald w Niemczech. Miał moc wyjściową 12,5 kW przy częstotliwości 30 kHz lub od 8 do 10 kW przy 60 kHz. Składa się z silnika elektrycznego prądu stałego (po lewej) napędzającego alternator (po prawej) przez przekładnię (w środku) , która zwiększa prędkość obrotową.

Alternatory radiowe

Około 1900 roku zdano sobie sprawę, że istniejąca technologia generowania fal radiowych , nadajnik iskiernikowy , jest niewystarczająca, ponieważ generuje fale tłumione . Podjęto wysiłki w celu zaprojektowania nadajnika, który generowałby sinusoidalne fale ciągłe , ponieważ można je było odbierać z większego zasięgu, a także można by je modulować w celu przesyłania dźwięku (dźwięku) oprócz alfabetu Morse'a . W 1891 roku Frederick Trouton zwrócił uwagę, że jeśli generator prądu przemiennego ( alternator ), który wytwarza prąd przemienny , mógłby być zbudowany tak, aby działał wystarczająco szybko, z wystarczającą liczbą biegunów magnetycznych na tworniku , generowałby prąd przemienny w zakresie częstotliwości radiowych . Jeśli $P}$ $jest$ par biegunów i prędkością obrotową w obrotach na sekundę, częstotliwość $displaystyle$ hercach prądu wytwarzanego przez alternator wynosi P. {\

{\ displaystyle f = PU \,}

Wielu badaczy, poczynając od Elihu Thomsona i Nikoli Tesli , próbowało zbudować alternatory radiowe, ale nie byli oni w stanie wytworzyć częstotliwości powyżej 15 kHz z powodu problemów inżynieryjnych związanych z budową maszyny z wieloma biegunami, która obracałaby się wystarczająco szybko. W 1906 roku Reginald Fessenden i Ernst Alexanderson z General Electric zaczęli rozwiązywać problemy i budować alternatory, które mogły wytwarzać częstotliwości w zakresie radiowym, powyżej 20 kHz. Jednak alternator Alexandersona biegł z bardzo dużą prędkością; osiągnięcie 100 kHz przy 300-biegunowym wirniku wymagało prędkości wirnika 20 000 obr./min, co było na granicy możliwości inżynieryjnych tamtych czasów. Dopiero w 1916 roku maszyny Alexandersona osiągnęły dużą moc potrzebną do komunikacji transatlantyckiej, a były one niezwykle złożone i drogie.

Maszyna Goldschmidta

Rotor maszyny Eilvese

W 1908 roku inżynier Westinghouse, Rudolph Goldschmidt, opracował skomplikowaną metodę umożliwiającą alternatorowi generowanie wysokiej częstotliwości bez konieczności stosowania nadmiernych prędkości. Jego technika polegała na wykorzystaniu rezonansu i nieliniowej charakterystyki nasycenia żelaznego wirnika w celu wykorzystania alternatora jako mnożnika częstotliwości oraz generatora. Dołączając strojone obwody zwane obwodami „odbłyśnikowymi” do uzwojeń stojana i wirnika, Goldschmidt odkrył, że alternator może wytwarzać moc wyjściową przy wielokrotności ( harmonicznej ) jego podstawowej $.$ Częstotliwość wyjściowa alternatora Goldschmidta wynosiła

{\ displaystyle f = NPU \,}

gdzie była $całkowitą$ , liczbą harmoniczną. ${\ displaystyle N}$ $był$ ograniczony do 4 w większości praktycznych maszyn, ponieważ straty spowodowane strumieniem wycieków szybko rosły wraz ze . Tak więc maszyna Goldschmidta 100 kHz z $biegunami$ wymagałaby prędkości wirnika tylko $,$ czyli jednej czwartej prędkości równoważnej maszyny Alexandersona. 80% wydajności można było osiągnąć, ale w celu utrzymania strumień wycieku wystarczająco niski, aby to osiągnąć, maszyna wymagała bardzo wąskiego prześwitu 0,8 mm między stojanem a wirnikiem, który mógłby ważyć 5 ton i poruszać się z prędkością obwodową 200 metrów na sekundę. Kolejnym wyzwaniem było zmniejszenie histerezy straty w żelaznym wirniku przy częstotliwościach radiowych, musiał być wykonany z bardzo cienkich warstw folii o grubości 0,05 mm (0,002 cala), oddzielonych arkuszami papieru, więc wirnik składał się z ponad 1/3 papieru. Żaden wirnik o tej konstrukcji nie był nigdy używany w dużej maszynie. Limit częstotliwości wyjściowej dla alternatorów Goldschmidta, jak również innych technologii alternatorów, wynosił około 200 kHz. Problemy mechaniczne ostatecznie ograniczyły użycie maszyn Goldschmidt.

Używać

Maszyna została opracowana i wyprodukowana przez niemiecką firmę Hochfrequenz-Maschinen Aktiengesellschaft für Drahtlose Telegraphie („Homag”) i była używana głównie w Europie. Maszyna Goldschmidta, podobnie jak Alexanderson i inne nadajniki alternatora, była używana głównie w stacjach długofalowych dużej mocy, które nadawały radiotelegraficzne , zarówno stacjach komercyjnych obsługujących ruch prywatny, jak i stacjach morskich, które utrzymywały rządy w kontakcie z ich koloniami i flotami morskimi. Pierwsza maszyna Goldschmidta w Wielkiej Brytanii, nadajnik 12 kW, 60 kHz, została zainstalowana w Stough w 1912 r. Jednostka 100 kW, 400 biegunów (u góry strony) została uruchomiona w Eilvese, Neustadt-am-Ruebenberger, Niemcy, a pierwszą maszyną w USA była podobna jednostka o mocy 120 kW, 400 biegunów, 40,5 kHz w Tuckerton, New Jersey. Maszyna Eilvese była głównym kanałem komunikacji Niemiec ze światem podczas I wojny światowej i była używana przez cesarza Wilhelma II i prezydenta USA Woodrowa Wilsona do negocjowania zawieszenia broni kończącego wojnę.

Okres rozkwitu wielkich nadajników radiowych z alternatorem przypadł na rok 1918. I wojna światowa uświadomiła narodom strategiczne znaczenie komunikacji radiowej, ponieważ bez niej wrogowie mogliby łatwo zostać odizolowani przez przecięcie podmorskich kabli telegraficznych . To przyspieszyło powojenny boom budowlany dużych transkontynentalnych stacji radiowych z alternatorem. Jednak te drogie behemoty były przestarzałe, nawet gdy zostały zainstalowane. Wynalezienie lampy próżniowej triody w 1906 roku przez Lee De Foresta i obwodu oscylatora ze sprzężeniem zwrotnym w 1912 roku przez Edwina Armstronga i Alexander Meissner stworzyli mniejsze i tańsze nadajniki lampowe , które pod koniec I wojny światowej mogły wytwarzać tyle samo mocy radiowej, co alternatory. Do 1921 roku firma Marconi Co. zainstalowała nadajniki rurowe o mocy 100 kW do transatlantyckiego ruchu wiadomości na swoich stacjach w Carnarvon w Walii i Glace Bay w Nowej Fundlandii. Ze względu na ogromne koszty inwestycyjne, starsze nadajniki alternatora były używane przez lata 30. XX wieku i były używane podczas II wojny światowej do komunikacji z okrętami podwodnymi. Nie wiadomo, kiedy ostatnia maszyna Goldschmidta została wycofana.

Inne alternatory do radia

Alternator Goldschmidta był jednym z kilku typów wirujących „alternatorów częstotliwości radiowej” używanych jako nadajniki radiowe w pierwszych dwóch dekadach XX wieku. Nadajniki alternatora wytwarzały „czystszy” sygnał z mniejszą liczbą harmonicznych niż ich główny konkurent, łuku Poulsena , dlatego były używane w stacjach radiotelegraficznych najwyższej mocy. Maszyny różniły się tym, jak rozwiązały podstawowy problem wytwarzania wystarczająco wysokich częstotliwości bez przekraczania możliwości mechanicznych maszyn wirujących:

Alternator Alexandersona - wynaleziony przez Ernsta Alexandersona w General Electric w 1911 roku, maszyna ta miała wirnik, który obracał się z wystarczająco dużą prędkością, aby bezpośrednio wytwarzać sygnał o częstotliwości radiowej. Był to prawdopodobnie najczęściej używany typ. Jednak wymagana duża prędkość obrotowa, około 20 000 obr./min, bardzo skomplikowała konstrukcję mechaniczną, wymagając stojana chłodzonego wodą i wymuszonego smarowania olejem. Opracowanie alternatora Alexandersona zajęło 10 lat i było bardzo drogie. Został wyprodukowany przez General Electric i używany przez jego spółkę zależną RCA i US Navy.
Alternator Bethenod-Latour - wynaleziony przez Josepha Bethenoda i Mariusa LaTour w Société Française Radio-électrique, maszyna ta miała dwa lub trzy wirniki na tym samym wale. Prąd wyjściowy z pierwszego wirnika, przy częstotliwości podstawowej, $PU }$ przyłożony do cewek polowych drugiego wirnika, wytwarzając prąd o częstotliwości ${\ displaystyle f$ . Wyjście drugiego wirnika było doprowadzane do cewek polowych trzeciego wirnika, wytwarzając moc wyjściową przy ${\ displaystyle 3f}$ . Wirnik wymagał wymuszonego smarowania olejem, a obudowa musiała zostać częściowo opróżniona, aby zmniejszyć tarcie. W St. Assise w Paryżu pracowały maszyny Bethenod o mocy 25 kW, 250 kW, 500 kW.
Alternator Joly-Arco - W tej maszynie, wynalezionej przez Georga von Arco około 1911 r., alternator wytwarzał sygnał przy niższej częstotliwości podstawowej, a częstotliwość była mnożona 2 do 4 razy w oddzielnych podwajaczach częstotliwości magnetycznej , wynalezionych przez Vallauri i Maurice Joly w 1911, nieliniowy transformator z żelaznym rdzeniem namagnesowanym prądem stałym w uzwojeniu pomocniczym, który wytwarzał harmoniczną o częstotliwości podstawowej. To urządzenie zostało opracowane przez firmę Telefunken/AEG i zostało zainstalowane na ich transatlantyckich stacjach telegrafii bezprzewodowej w Sayville na Long Island w USA i Buenos Aires w Argentynie. Niektóre z największych to dwa alternatory o mocy 400 kW zainstalowane w 1916 r. Nauen Transmitter Station , Nauen, Niemcy, która generowała 6 kHz przy 1200 amperach z 7-tonowym wirnikiem o średnicy 1,65 m i 240 biegunami, obracającym się z prędkością 1500 obr./min, która została zwiększona do 24 kHz za pomocą dwóch chłodzonych olejem podwajaczy magnetycznych. Nauen był głównym kanałem komunikacyjnym Niemiec podczas wojny, a alternatory były używane podczas drugiej wojny światowej do komunikacji z okrętami podwodnymi.