1871年巴黎展示的实际问题
1871年,来自比利时、在巴黎工作的泽诺布·格拉姆向法国科学院介绍了自己的磁电机器。电磁感应早已能够把机械运动变成电流,但不少早期机器输出随转动明显起伏,换向时又容易产生火花。工场中的电镀和照明需要的是可以持续使用的电源,而不只是实验台上瞬间出现的电流。
格拉姆的方案把环形铁心上的连续绕组、分段集电部件和电刷组织在一起,使外电路获得方向较为稳定的电流。他在1872年12月向科学院报告应用结果时,明确回顾自己于1871年7月提交的初样。因而本节点以1871年公开介绍为起点,后来的生产试验另按发生时间叙述。
环形电枢如何产生连续输出
机器的可转动部分是一只软铁环,外面绕着依次相连的许多线圈,环在磁极之间转动。不同位置的线圈处在不同的磁场关系中,产生的感应电动势并不同步达到峰值。把线圈沿环周安排并适当连接,能够让多个部分相继贡献输出,减小单一线圈造成的间断和起伏。
但绕组连续,并不等于外部导线可以随意接在环上。集电位置必须配合磁场方向与线圈运动。环形电枢两侧的电动势经相应连接通向外电路,电刷从固定位置取电,而电枢在其下方连续转过。这样,机器既维持转动,又能把电送给不转动的灯具或电解槽。
参考:[2]
电刷和换向器也是关键部件
每个线圈的接点连接到一片金属集电片,这些片彼此绝缘,沿轴附近组成圆柱形的换向器。固定电刷依次接触不同金属片,使正在输出的线圈与外部线路保持正确联系。格拉姆报告特别强调,金属片应排列紧密,绝缘间隔不能随意做得很宽,否则容易加重火花并削弱有效电流。
他还采用由许多细铜线束成的刷状接触件,让接触面较柔顺。电刷在离开一片之前能够接上相邻部分,减少振动造成的断续。这些细节说明,较稳定的输出不仅来自一个新形状的铁环,也来自绕线、绝缘、转轴、电刷压力和加工精度的共同作用。
电流强弱仍会随转速、负载和磁场变化,机器并不是不需调节的理想电源。环形绕组和分段换向改善的是供电的连续性,而日常使用还要考虑发热、接触磨损以及原动机能否维持所需速度。
克里斯托夫工场里的检验
格拉姆1872年的报告给出巴黎克里斯托夫工场使用机器进行金属沉积的结果。电镀需要电流按规定方向持续通过溶液,把金属沉积到制品表面;改用机械驱动的发电机,就能减少以锌和酸等材料不断维持化学电池的负担。此时机器的价值可以通过沉积量、镀层质量和运行时间判断。
报告记录,在一次测试中,每分钟三百转可使银的沉积量达到每小时约六百零五克;提高转速虽然增加沉积,却也造成更明显的线圈发热。这是特定机器和测试条件下的记录,显示工程人员如何在产量与耐用性之间选择工作点。其他记录还比较阳极面积和镀层状态,说明“有电流”并不等于工艺已经合格。
参考:[1]
照明、制造与更广的影响
电镀和照明对电源的要求不同。格拉姆报告把用于电化学的较低电压、大电流装置,与用于电弧照明的较高电压机器分别说明。通过改变绕组和磁场装置,可以设计适合不同用途的机型;制造商因此需要提供整机性能,而不只是出售一个实验部件。
1873年尼奥代·布雷盖的文章还解释了机器的可逆性:一台由外力驱动而发电,另一台接收电流便可产生转动。这一性质使发电与电动机技术相互联系。格拉姆机器的历史位置在于,把已经积累的感应与换向知识结合成较实用的供电设备,推动电力进入电镀工场和照明应用;它的1871年展示是工业化过程中的重要一步,后续机器仍不断改良铁心、绕组与散热。