Maszyna Gramme’a – elektryczność na wyciągnięcie ręki

0
23

Można dyskutować na temat doniosłości upowszechnienia i wykorzystania prądu elektrycznego dla rozwoju cywilizacji. Konkurencyjne będzie tutaj oczywiście legendarne koło. Pozostawimy to jednak miłośnikom motoryzacji, i nie wdając się w tego typu dywagacje, zajmiemy się dziś maszyną Gramme’a, pierwszym w historii silnikiem prądu stałego, wynalazkiem, który umożliwił skok z epoki pary w erę działania urządzeń opartych na zastosowaniu energii elektrycznej. Skok, którego doniosłość naprawdę trudno jest przecenić.

Próby silnikowe

Silniki prądu stałego były obecne od 1821 roku. To właśnie wtedy pojawił się prototyp skonstruowany przez Michaela Faradaya, udoskonalony w roku 1831 i znany jako tarcza Faradaya. Innym projektem była konstrukcja Philipa Barlowa (tzw. koło Barlowa) z roku 1822. W roku 1834 także Thomas Davenport zbudował niewielki silnik prądu stałego, który wykorzystywał do napędu modelarskiej kolejki elektrycznej. I choć podobno miał on w swym warsztacie urządzenia większej mocy, to jednak wszystkie wczesne konstrukcje były wykorzystywane jedynie jako zabawki lub eksponaty laboratoryjne. Przełom nastąpił za sprawą Zénobe Gramme’a, belgijskiego wynalazcy, który w 1873 roku okazał się autorem pierwszego nowoczesnego silnika prądu stałego zdolnego służyć jako napęd przemysłowego urządzenia. Dlaczego “okazał się”?

Błąd podczas demonstracji

Otóż Gramme nie pracował nad silnikiem. Na wiedeńskiej wystawie przemysłowej w roku 1873 prezentował on swoje dwa dynama: małej i dużej mocy (znacznie efektywniejsze od prądnic konkurentów) urządzenia służące do galwanizacji oraz oświetlenia. Przewody wyjściowe zostały jednak błędnie podłączone i gdy uruchomiono maszynę parową mającą napędzić pierwsze dynamo, obracać zaczął się twornik drugiej prądnicy. Powstał potężny, bardzo efektywny silnik. Gramme momentalnie zorientował się w randze swojego “odkrycia” i natychmiast je wykorzystał: powstały silnik posłużył mu do napędzenia odległej o milę pompy kaskady wodnej, stając się atrakcją wystawy. Przypadek powołał do istnienia nie tylko wyjątkowo efektywny silnik zdolny wprawiać w ruch maszyny przemysłowe. Zorientowano się, że możliwe jest także przesyłanie energii na znaczne odległości – produkcja prądu mogła odbywać się w zupełnie innym miejscu niż jego wykorzystanie w obwodach urządzenia (na temat batalii o prawo do pierwszeństwa przesyłu, stoczonej pomiędzy prądami stałym, reprezentowanym przez Edisona, i przemiennym, którego entuzjastą był Nikola Tesla, można przeczytać tutaj).

Działanie i budowa

Wczesne prądnice nie były zbyt efektywne, wytwarzały prąd skokowo, co przekładało się na energię niskiej mocy. Maszyna Gramme’a wyposażona w wiele szeregowo połączonych cewek umieszczonych na tworniku pierścieniowym (wcześniejsze konstrukcje kształtem przypominały podwójne T) dawała praktycznie stałe napięcie, tworząc stabilne źródło zasilania o dużej wytrzymałości mechanicznej. Wykorzystanie uzwojenia pierścieniowego w formie zachodzących na siebie licznych cewek połączonych z nowatorskim komutatorem sprawiło, że maszyna doskonale sprawdziła się w roli efektywnego silnika. Niska sprawność pierwszych silników wiązała się z istnieniem dużych szczelin powietrznych wokół obracających się wirników – szczelina generuje niższe wartości indukcji magnetycznej na biegunach, co z kolei skutkuje mniejszym momentem obrotowym silnika elektrycznego. W maszynach, gdzie konieczne jest istnienie ruchomego wirnika i nieruchomego stojana, zmniejszenie szczelin było trudne konstrukcyjnie. Dopiero pierścień Gramme’a, posiadający stosunkowo niewielką szczelinę, skutecznie rozwiązał tę kwestię. Bardziej efektywne poprowadzenie ścieżki strumienia magnetycznego było niekwestionowaną zaletą tej konstrukcji. 

Oczywiście nie była to maszyna doskonała. W pierwotnym projekcie część uzwojenia we wnętrzu pierścienia nie przecinała jakiegokolwiek strumienia, przez co nie wpływała na efektywność przemiany energetycznej, jedynie zwiększając rezystancję obwodu. Projekt ten wymagał dwukrotnie większej liczby zwojów i dwukrotnie większej liczby prętów komutatora niż jego późniejsze usprawnienie w postaci pustego pierścienia twornika z tzw. uzwojeniem bębnowym (pojedyncza pętla drutu poprowadzona w specjalnych szczelinach na zewnątrz pierścienia).

Silnik Gramme’a był machiną tyleż wychodzącą naprzeciw potrzebom swoich czasów, co rozwojową i perspektywiczną. Niektóre elementy przedstawionej realizacji do dziś stanowią podstawę konstrukcji wielu silników prądu stałego, a samo urządzenie, spełniając wymagania zastosowania przemysłowego, uznawane jest za przełomowe w historii maszyn elektrycznych. 

5 1 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments