Alternatore Alexanderson

Storia

Sviluppi precedenti

Dopo che le onde radio furono scoperte nel 1887, la prima generazione di trasmettitori radio , i trasmettitori spark gap , produsse stringhe di onde smorzate , impulsi di onde radio che si spensero rapidamente a zero. Entro il 1890 si comprese che le onde smorzate presentavano svantaggi; la loro energia era distribuita su un’ampia larghezza di banda di frequenza in modo che i trasmettitori su diverse frequenze interferissero tra loro, e non potevano essere modulati con un segnale audio per trasmettere il suono. Sono stati fatti sforzi per inventare trasmettitori che produrrebbero onde continue , una corrente alternata sinusoidale a una singola frequenza.

In una conferenza del 1891, Frederick Thomas Trouton sottolineò che, se un alternatore elettrico veniva eseguito ad una velocità di ciclo sufficientemente elevata (cioè, se girava abbastanza velocemente e fosse costruito con un numero sufficiente di poli magnetici sulla sua armatura) sarebbe generare onde continue a radiofrequenza. ^[2] A partire da Elihu Thomson nel 1889, ^{[3] [4] [5] [6]} una serie di ricercatori costruì alternatori ad alta frequenza, Nikola Tesla ^[7] [8] (1891, 15 kHz), Salomone e Pyke ^{[ 8]} (1891, 9 kHz), Parson e Ewing (1892, 14 kHz.), Siemens ^[8] (5 kHz), BG Lamme ^[8](1902, 10 kHz), ma nessuno è stato in grado di raggiungere le frequenze richieste per la trasmissione radio, superiore a 20 kHz. ^[5]

Costruzione

Nel 1904, Reginald Fessenden stipulò un contratto con General Electric per un alternatore che generò una frequenza di 100.000 hertz per la radio a onde continue. L’alternatore è stato progettato da Ernst Alexanderson . L’alternatore Alexanderson era ampiamente utilizzato per le comunicazioni radio a onde lunghe da stazioni di terra, ma era troppo grande e pesante per essere installato sulla maggior parte delle navi. Nel 1906 furono consegnati i primi alternatori da 50 kilowatt. Uno era di Reginald Fessenden a Brant Rock, nel Massachusetts , un altro a John Hays Hammond, Jr. a Gloucester, nel Massachusetts e un altro all’americana Marconi Company di New Brunswick, nel New Jersey.

Alexanderson avrebbe ricevuto un brevetto nel 1911 per il suo dispositivo. L’alternatore Alexanderson seguiva il trasmettitore rotante a scintilla di Fessenden come il secondo trasmettitore radio da modulare per trasportare la voce umana. Fino all’invenzione a valvole (valvole) oscillatori del 1913 come l’ oscillatore Armstrong , l’alternatore Alexanderson era un’importante alta potenza della radio trasmettitore , e lasciata modulazione di ampiezza radiotrasmissione della voce umana. L’ultimo alternatore Alexanderson operabile è presso il trasmettitore VLF Grimeton in Svezia ed era in servizio regolare fino al 1996. Continua a funzionare per alcuni minutiAlexanders Day , che è l’ultima domenica di giugno o la prima domenica di luglio di ogni anno.

Stazioni

Stazioni della Marina degli Stati Uniti

A partire dal 1942 quattro stazioni furono gestite dalla marina statunitense: la stazione di Haiku, Hawaii fino al 1958, Bolinas fino al 1946, Marion e Tuckerton (entrambe fino al 1948). Due alternatori furono spediti alle Hawaii nel 1942, uno ciascuno da Marion, MA e Bolinas, CA. Haiku ha ricevuto uno. L’altro è andato a Guam ma è tornato ad Haiku dopo la Seconda Guerra Mondiale. Haiku ha iniziato l’operazione del primo alternatore da 200 kW nel 1943. Il secondo alternatore è entrato in funzione a Haiku nel 1949. Entrambi gli alternatori sono stati venduti per il salvataggio nel 1969, probabilmente a Kreger Company della California. La stazione di Marion fu trasferita nel 1949 all’aviazione degli Stati Uniti e usata fino al 1957 per la trasmissione delle previsioni meteorologiche all’Artico e per i Basen in Groenlandia, Labrador e Islanda. Uno degli alternatori fu rottamato nel 1961 e un altro fu consegnato all’ufficio degli standard statunitensi^{[ citazione necessaria ]} , ora risiede in un magazzino Smithsonian Institution. Le due macchine in Brasile non sono mai state utilizzate a causa di problemi organizzativi lì. Sono stati restituiti a Radio Central dopo il 1946.

Design

L’alternatore Alexanderson funziona in modo simile a un generatore elettrico CA, ma genera una corrente a più alta frequenza, nell’intervallo radio. Il rotore non ha avvolgimenti conduttivi o collegamenti elettrici; consiste di un disco solido di acciaio magnetico ad alta resistenza alla trazione, con scanalature strette tagliate nella sua circonferenza per creare una serie di “denti” stretti che funzionano come poli magnetici. Lo spazio tra i denti è riempito con materiale non magnetico, per dare al rotore una superficie liscia per ridurre la resistenza aerodinamica. Il rotore viene girato ad alta velocità da un motore elettrico.

La macchina funziona con riluttanza variabile (simile a un pickup per chitarra elettrica ), modificando il flusso magnetico che collega due bobine. La periferia del rotore è abbracciata da uno statore di ferro circolare con una sezione trasversale a forma di C, divisa in poli stretti, lo stesso numero del rotore, che trasporta due serie di bobine. Un gruppo di bobine è eccitato con corrente continua e produce un campo magnetico nello spazio d’aria nello statore, che passa assialmente (lateralmente) attraverso il rotore.

Quando il rotore gira, alternativamente o una sezione di ferro del disco si trova nello spazio tra ogni coppia di poli dello statore, consentendo ad un flusso magnetico elevato di attraversare lo spazio, oppure una fessura non magnetica si trova nello spazio dello statore, consentendo meno spazio magnetico flusso da passare. Quindi il flusso magnetico attraverso lo statore varia sinusoidalmente ad una velocità elevata. Questi cambiamenti nel flusso inducono una tensione in radiofrequenza in un secondo gruppo di bobine sullo statore.

Le bobine del collettore RF sono tutte interconnesse da un trasformatore di uscita , il cui avvolgimento secondario è collegato al circuito dell’antenna. La modulazione o il telegrafaggiodell’energia della radiofrequenza è stata effettuata da un amplificatore magnetico , che è stato utilizzato anche per la modulazione dell’ampiezza e le trasmissioni vocali.

La frequenza della corrente generata da un alternatore Alexanderson in hertz è il prodotto del numero di poli del rotore e dei giri al secondo. Le frequenze radio più elevate richiedono quindi più poli, una maggiore velocità di rotazione o entrambi. Gli alternatori di Alexanderson sono stati usati per produrre onde radio a bassissima frequenza(VLF), per comunicazioni transcontinentali wireless. Un tipico alternatore con una frequenza di uscita di 100 kHz aveva 300 poli e ruotava a 20.000 giri al minuto (RPM) (330 giri al secondo). Per produrre una potenza elevata, la distanza tra il rotore e lo statore doveva essere mantenuta a solo 1 mm. La produzione di macchine di precisione rotanti a velocità così elevate presentava molti nuovi problemi e i trasmettitori di Alexanderson erano ingombranti e molto costosi.

Controllo di frequenza

La frequenza di uscita del trasmettitore è proporzionale alla velocità del rotore. Per mantenere costante la frequenza, la velocità del motore elettrico che lo girava era controllata da un circuito di feedback. In un metodo, un campione del segnale di uscita viene applicato a un circuito sintonizzato ad alta Q , la cui frequenza di risonanzaè leggermente al di sopra della frequenza di uscita. La frequenza del generatore cade sul “bordo” della curva di impedenza del circuito LC, dove l’impedenza aumenta rapidamente con la frequenza. L’uscita del circuito LC viene raddrizzata e la tensione risultante viene confrontata con una tensione di riferimento costante per produrre un segnale di retroazione per controllare la velocità del motore. Se la frequenza di uscita diventa troppo alta, l’impedenza presentata dal circuito LC aumenta e l’ampiezza del segnale RF che attraversa il circuito LC diminuisce. Il segnale di retroazione al motore diminuisce e il motore rallenta. Pertanto la frequenza di uscita dell’alternatore è “bloccata” alla frequenza di risonanza del circuito sintonizzato.

Vantaggi prestazionali

Un grande alternatore Alexanderson potrebbe produrre 500 kW di energia in radiofrequenza in uscita e sarebbe raffreddato ad acqua o ad olio. Una di queste macchine aveva 600 coppie di poli nell’avvolgimento dello statore e il rotore era azionato a 2170 giri / min, per una frequenza di uscita vicina a 21,7 kHz. Per ottenere frequenze più alte, erano necessarie velocità più elevate del rotore, fino a 20.000 giri / min.

Insieme al convertitore di arco inventato nel 1903, l’alternatore Alexanderson fu uno dei primi trasmettitori radio che generò onde continue . Al contrario, i precedenti trasmettitori spark-gap generano una serie di onde smorzate . Questi erano elettricamente “rumorosi”; l’energia del trasmettitore era distribuita su un’ampia gamma di frequenze, quindi interferivano con altre trasmissioni e funzionavano in modo inefficiente. Con un trasmettitore ad onda continua, tutta l’energia era concentrata all’interno di una stretta banda di frequenza , quindi per una data potenza di uscita potevano comunicare su lunghe distanze. Inoltre, le onde continue potrebbero essere modulate con un segnale audioportare il suono. L’alternatore Alexanderson era uno dei primi trasmettitori da utilizzare per la trasmissione AM .

L’alternatore Alexanderson produceva onde continue “pure” rispetto al convertitore ad arco, la cui uscita nonsinusoidale generava armoniche significative , quindi l’alternatore era preferito per la telegrafia a lunga distanza.

Svantaggi

A causa dell’altissima velocità di rotazione rispetto ad un alternatore convenzionale, l’alternatore Alexanderson richiedeva una manutenzione continua da parte di personale qualificato. La lubrificazione efficiente e il raffreddamento ad olio o ad acqua erano essenziali per l’affidabilità, che era difficile da ottenere con i lubrificanti disponibili al momento. In effetti, le prime edizioni del “Admiralty Handbook of Wireless Telegraphy” della Royal Navytrattano questo in notevole dettaglio, principalmente come spiegazione del perché la marina non usasse quella particolare tecnologia. Tuttavia, la Marina degli Stati Uniti ha fatto.

Altri importanti problemi erano che la modifica della frequenza operativa era un processo lungo e complicato e, a differenza di un trasmettitore a scintilla, il segnale portante non poteva essere acceso e spento a piacimento. Quest’ultimo problema ha notevolmente complicato “ascoltare attraverso” (cioè, interrompere la trasmissione per ascoltare qualsiasi risposta). C’era anche il rischio che avrebbe permesso alle navi nemiche di rilevare la presenza della nave.

A causa dei limiti del numero di poli e della velocità di rotazione di una macchina, l’alternatore Alexanderson è in grado di generare frequenze di trasmissione fino a circa 600kHz nella banda d’ onda media inferiore , con onde corte e frequenze più elevate fisicamente impossibili.

Vedi anche

• Alexanders Day
• tonewheel
• Resolver (elettrico)

Note

Riferimenti