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. Inspirándose en una máquina inventada por Antonio Pacinotti en 1860, Gramme desarrolló 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 el siglo XIX En las máquinas eléctricas del siglo XIX, el principio de bobinado de Gramme ya no se utiliza porque hace un uso ineficiente de los conductores. La parte del devanado en el interior del anillo no corta el flujo y no contribuye a la conversión de energía en la máquina. El devanado requiere el doble de vueltas y el doble de barras del conmutador que una armadura equivalente enrollada en tambor. [2]
La máquina 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 sobre el que giran dos escobillas. Los imanes permanentes magnetizan el anillo de hierro dulce, produciendo 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 máquinas electromagnéticas anteriores 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 daban como resultado una salida transitoria de potencia promedio baja, en lugar de una Salida constante de alta potencia promedio.
Con más de unas pocas bobinas en la armadura del anillo de Gramme, la forma de onda de voltaje resultante es prácticamente constante, produciendo así un suministro de corriente casi continua . Este tipo de máquina sólo 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 le suministraba 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 empezó a girar. [3] La máquina 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 constituyen la base de casi todos los motores eléctricos de CC. El uso que hizo Gramme de múltiples contactos de conmutador con múltiples bobinas superpuestas y su innovación de usar una armadura de anillo fue una mejora con respecto a las dinamos anteriores y ayudó a marcar el comienzo del desarrollo de dispositivos eléctricos a gran escala.
Los diseños anteriores de motores eléctricos eran notoriamente ineficientes porque tenían espacios de aire grandes, o muy grandes, durante gran parte de la rotación de sus rotores. Los espacios de aire largos crean fuerzas débiles, lo que resulta en un par bajo. Un dispositivo llamado motor St. Louis (todavía disponible en casas de suministros científicos), aunque no está destinado a ello, demuestra claramente esta gran ineficiencia y confunde gravemente a los estudiantes sobre cómo funcionan los motores reales. Estos primeros diseños ineficientes aparentemente se basaban en observar cómo los imanes atraían materiales ferromagnéticos (como el hierro y el acero) desde cierta distancia. En el siglo XIX, los ingenieros eléctricos tardaron varias décadas en aprender la importancia de los pequeños espacios de aire. El anillo Gramme, sin embargo, tiene un entrehierro comparativamente pequeño, lo que aumenta su eficiencia. (En la ilustración superior, la pieza grande en forma de aro es el imán permanente laminado; el anillo Gramme es bastante difícil de ver en la base del aro).
Esta ilustración muestra un anillo de Gramme simplificado unipolar y una bobina y una gráfica 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 Gramme unipolar y de 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 Gramme de dos polos y cuatro bobinas. Las bobinas de A y A' se suman, al igual que las bobinas de B y B', produciendo dos pulsos de potencia desfasados 90° entre sí. Cuando las bobinas A y A' están en salida máxima, las bobinas B y B' están en salida cero. [5]
Un anillo de Gramme de tres polos y seis bobinas, y un gráfico de los tres polos combinados, cada uno desfasado 120° respecto del otro y sumados. [5]
Si bien el anillo de Gramme permitía una producción de energía más constante, adolecía de una ineficiencia de diseño técnico debido a la forma en que las líneas de fuerza magnéticas pasan a través de una armadura de anillo. Las líneas de campo tienden a concentrarse dentro y seguir la superficie metálica del anillo hacia 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 efectivos para producir energía porque cortan muy pocas líneas de fuerza en comparación con los devanados del exterior del anillo. Los devanados interiores son efectivamente cables muertos y solo agregan resistencia al circuito, lo que reduce la eficiencia.
Los intentos iniciales de insertar una bobina de campo estacionario dentro del centro del anillo para ayudar a que las líneas penetraran en el centro resultaron demasiado complejos de diseñar. Además, si las líneas penetraran el interior del anillo, cualquier fem producida se habría opuesto a la fem del exterior del anillo porque el cable del interior estaba orientado en la dirección opuesta a la del exterior y había girado 180 grados a medida que giraba. estaba herido.
Finalmente se descubrió que era más eficiente enrollar un solo bucle de alambre a lo largo del exterior del anillo y simplemente no dejar que ninguna parte del bucle pasara por el interior. Esto también reduce la complejidad de la construcción ya que un devanado grande que abarca todo el ancho del anillo puede reemplazar a dos devanados más pequeños en lados opuestos del anillo. Todas las armaduras modernas utilizan este diseño de envoltura externa (tambor), aunque los devanados no se extienden completamente a lo largo del diámetro; son más parecidos a las cuerdas de un círculo, en términos geométricos. Los devanados vecinos se superponen, como se puede ver en casi cualquier motor o rotor de generador moderno que tenga un conmutador. Además, los devanados se colocan en ranuras con forma redondeada (visto desde el extremo del rotor). En la superficie del rotor, las ranuras son tan anchas como sea necesario para permitir que el cable aislado pase a través de ellas mientras se enrollan las bobinas.
Si bien el anillo hueco ahora podría reemplazarse por un núcleo o tambor cilíndrico sólido , el anillo aún demuestra 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 liviano que una armadura de tambor de núcleo sólido. El centro hueco del anillo también proporciona una vía para ventilación y 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 metálicos estampados enchavetados para encajar en una ranura del eje. [13]
Medios relacionados con la máquina Gramme en Wikimedia Commons