Una máquina Gramme , anillo Gramme , magneto Gramme o dinamo Gramme es un generador eléctrico que produce corriente continua , llamado así por su inventor belga, Zénobe Gramme , y fue construido como dinamo o magneto . [1] Fue el primer generador en producir energía a escala comercial para la industria. Inspirado por una máquina inventada por Antonio Pacinotti en 1860, Gramme fue el desarrollador de un nuevo rotor inducido en forma de anillo envuelto en alambre ( anillo Gramme ) y demostró este aparato a la Academia de Ciencias de París en 1871. Aunque popular en las máquinas eléctricas del siglo XIX, el principio de bobinado Gramme ya no se utiliza porque hace un uso ineficiente de los conductores. La parte del devanado en el interior del anillo no corta flujo y no contribuye a la conversión de energía en la máquina. El devanado requiere el doble de vueltas y el doble de barras conmutadoras que una armadura enrollada en tambor equivalente. [2]
La máquina de Gramme utilizaba una armadura de anillo, con una serie de bobinas de armadura , enrolladas alrededor de un anillo giratorio de hierro dulce . Las bobinas están conectadas en serie y la unión entre cada par está conectada a un conmutador en el que giran dos escobillas. Los imanes permanentes magnetizan el anillo de hierro dulce, lo que produce un campo magnético que gira a través de las bobinas a medida que gira la armadura. Esto induce un voltaje en dos de las bobinas en lados opuestos de la armadura, que es captado por las escobillas.
Las primeras máquinas electromagnéticas pasaban un imán cerca de los polos de uno o dos electroimanes, o hacían girar bobinas enrolladas en armaduras de doble T dentro de un campo magnético estático, creando breves picos o pulsos de CC que resultaban en una salida transitoria de potencia promedio baja, en lugar de una salida constante de potencia promedio alta.
Con más de unas pocas bobinas en la armadura del anillo de Gramme, la forma de onda de voltaje resultante es prácticamente constante, lo que produce un suministro de corriente casi continuo . Este tipo de máquina solo necesita electroimanes que produzcan el campo magnético para convertirse en un generador moderno .
Durante una demostración en una exposición industrial en Viena en 1873, Gramme descubrió accidentalmente que este dispositivo, si se alimentaba con una fuente de alimentación de voltaje constante , actuaría como un motor eléctrico . El socio de Gramme, Hippolyte Fontaine , conectó descuidadamente los terminales de una máquina de Gramme a otra dinamo que producía electricidad, y su eje comenzó a girar. [3] La máquina de Gramme fue el primer motor eléctrico potente útil como algo más que un juguete o una curiosidad de laboratorio. Hoy en día, algunos elementos de este diseño forman la base de casi todos los motores eléctricos de CC. El uso de Gramme de múltiples contactos de conmutador con múltiples bobinas superpuestas, y su innovación de usar una armadura de anillo, fue una mejora de las dinamos anteriores y ayudó a marcar el comienzo del desarrollo de dispositivos eléctricos a gran escala.
Los primeros diseños de motores eléctricos eran notoriamente ineficientes porque tenían entrehierros grandes o muy grandes a lo largo de gran parte de la rotación de sus rotores. Los entrehierros largos crean fuerzas débiles, lo que da como resultado un par bajo. Un dispositivo llamado motor St. Louis (que todavía se puede conseguir en las tiendas de suministros científicos), aunque no fue su intención, demuestra claramente esta gran ineficiencia y engaña seriamente a los estudiantes sobre cómo funcionan los motores reales. Estos primeros diseños ineficientes aparentemente se basaban en la observación de cómo los imanes atraían materiales ferromagnéticos (como el hierro y el acero) desde cierta distancia. Los ingenieros eléctricos tardaron varias décadas en aprender la importancia de los entrehierros pequeños. Sin embargo, el anillo de Gramme tiene un entrehierro comparativamente pequeño, lo que mejora su eficiencia. (En la ilustración superior, la gran pieza en forma de aro es el imán permanente laminado; el anillo de Gramme es bastante difícil de ver en la base del aro).
Esta ilustración muestra un anillo de Gram simplificado de un polo y una bobina y un gráfico de la corriente producida cuando el anillo gira una revolución. Si bien ningún dispositivo real utiliza este diseño exacto, este diagrama es un elemento básico para comprender mejor las siguientes ilustraciones. [5]
Un anillo de Gram de un polo y dos bobinas. La segunda bobina en el lado opuesto del anillo está conectada en paralelo con la primera. Debido a que la bobina inferior está orientada en sentido opuesto a la bobina superior, pero ambas están inmersas en el mismo campo magnético, la corriente forma un anillo a través de los terminales de las escobillas. [5]
Un anillo de Gram de dos polos y cuatro bobinas. Las bobinas de A y A' se suman, al igual que las bobinas de B y B', lo que produce dos pulsos de potencia desfasados 90° entre sí. Cuando las bobinas A y A' están a máxima potencia, las bobinas B y B' están a potencia cero. [5]
Un anillo de Gram de tres polos y seis bobinas, y un gráfico de los tres polos combinados, cada uno desfasado 120° entre sí y sumándose entre sí. [5]
Si bien el anillo Gramme permitía una salida de potencia más constante, su diseño técnico presentaba una ineficiencia debido a la forma en que las líneas de fuerza magnética pasan a través de la armadura del anillo. Las líneas de campo tienden a concentrarse dentro del metal de la superficie del anillo y a seguirlo hasta el otro lado, con relativamente pocas líneas de fuerza que penetran en el interior del anillo.
En consecuencia, los devanados interiores de cada bobina pequeña son mínimamente eficaces para producir energía porque cortan muy pocas líneas de fuerza en comparación con los devanados del exterior del anillo. Los devanados interiores son, en realidad, cables muertos y solo añaden resistencia al circuito, lo que reduce la eficiencia.
Los primeros intentos de insertar una bobina de campo estacionaria en el centro del anillo para ayudar a que las líneas penetraran en el centro resultaron demasiado complejos de diseñar. Además, si las líneas penetraban en el interior del anillo, cualquier fuerza electromotriz producida se habría opuesto a la fuerza electromotriz del exterior del anillo porque el cable del interior estaba orientado en la dirección opuesta a la del exterior, tras haber girado 180 grados al enrollarse.
Finalmente, se descubrió que era más eficiente envolver un solo bucle de alambre a lo largo del exterior del anillo y simplemente no dejar que ninguna parte del bucle pase por el interior. Esto también reduce la complejidad de la construcción, ya que un gran devanado que abarca el ancho del anillo puede ocupar el lugar de dos devanados más pequeños en lados opuestos del anillo. Todas las armaduras modernas utilizan este diseño envuelto externamente (tambor), aunque los devanados no se extienden completamente a lo largo del diámetro; son más similares a las cuerdas de un círculo, en términos geométricos. Los devanados vecinos se superponen, como se puede ver en casi cualquier rotor de motor o generador moderno que tenga un conmutador. Además, los devanados se colocan en ranuras con una forma redondeada (como se ve desde el extremo del rotor). En la superficie del rotor, las ranuras solo tienen el ancho necesario para permitir que el cable aislado pase a través de ellas mientras se enrollan las bobinas.
Si bien el anillo hueco ahora se puede reemplazar por un núcleo cilíndrico sólido o tambor , el anillo sigue demostrando ser un diseño más eficiente, porque en un núcleo sólido las líneas de campo se concentran en una región superficial delgada y penetran mínimamente en el centro. Para una armadura de generación de energía muy grande de varios pies de diámetro, el uso de una armadura de anillo hueco requiere mucho menos metal y es más liviana que una armadura de tambor de núcleo sólido. El centro hueco del anillo también proporciona una ruta para la ventilación y la refrigeración en aplicaciones de alta potencia.
En armaduras pequeñas, a menudo se utiliza un tambor sólido simplemente para facilitar la construcción, ya que el núcleo se puede formar fácilmente a partir de una pila de discos de metal estampados encajados para encajarse en una ranura en el eje. [13]
Medios relacionados con la máquina Gramme en Wikimedia Commons