Máquina de gramo

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 se construyó 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 desarrolló un nuevo rotor inducido en forma de anillo enrollado con 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 debido a su ineficiencia en el uso de los conductores. La porción del bobinado en el interior del anillo no corta el flujo y no contribuye a la conversión de energía en la máquina. El bobinado requiere el doble de vueltas y el doble de barras de conmutador que una armadura bobinada en tambor equivalente. ^{[ 2 ]}

La máquina Gramme utilizaba una armadura anular con una serie de bobinas enrolladas alrededor de un anillo giratorio de hierro dulce . Las bobinas estaban conectadas en serie, y la unión entre cada par se conectaba a un conmutador sobre el que giraban dos escobillas. Imanes permanentes magnetizaban el anillo de hierro dulce, generando un campo magnético que circulaba a través de las bobinas en el orden en que giraba la armadura. Esto inducía una tensión en dos de las bobinas situadas en lados opuestos de la armadura, que era captada por las escobillas.

Las primeras máquinas electromagnéticas hacían pasar un imán cerca de los polos de uno o dos electroimanes, o bien 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 baja potencia media, en lugar de una salida constante de alta potencia media.

Con varias bobinas en el inducido del anillo de Gramme, la forma de onda de voltaje resultante es prácticamente constante, lo que produce una corriente casi continua . Este tipo de máquina solo necesita electroimanes que generen 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 , funcionaría como un motor eléctrico . El socio de Gramme, Hippolyte Fontaine , conectó descuidadamente los terminales de una máquina de Gramme a otra dinamo que estaba produciendo electricidad, y su eje comenzó a girar. ^{[ 3 ]} La máquina de Gramme fue el primer motor eléctrico potente que resultó útil más allá de ser 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 utilizar una armadura anular, supusieron una mejora respecto a las dinamos anteriores y contribuyeron al desarrollo de dispositivos eléctricos a gran escala.

Los primeros diseños de motores eléctricos eran notoriamente ineficientes debido a que presentaban grandes, o muy grandes, entrehierros durante gran parte de la rotación de sus rotores. Los entrehierros largos generan fuerzas débiles, lo que resulta en un par motor bajo. Un dispositivo llamado motor de San Luis (aún disponible en tiendas de suministros científicos), aunque no fue diseñado para ello, demuestra claramente esta gran ineficiencia y induce a error a los estudiantes sobre el funcionamiento de 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) a cierta distancia. Los ingenieros eléctricos tardaron varias décadas en el siglo XIX en comprender la importancia de los entrehierros pequeños. El anillo de Gramme, sin embargo, tiene un entrehierro relativamente pequeño, lo que mejora su eficiencia. (En la ilustración superior, la pieza grande en forma de aro es el imán permanente laminado; el anillo de Gramme es difícil de ver en la base del aro).

Esta ilustración muestra un anillo de Gramme simplificado de un polo y una bobina, junto con un gráfico de la corriente producida al girar el anillo una revolución. Si bien ningún dispositivo real utiliza este diseño exacto, este diagrama sirve como base para comprender mejor las siguientes ilustraciones. ^{[ 5 ]}

Un anillo Gramme 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 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 A y A' se suman, al igual que las bobinas B y B', produciendo dos pulsos de potencia desfasados ​​90° entre sí. Cuando las bobinas A y A' alcanzan su máxima salida, las bobinas B y B' tienen una salida nula. ^{[ 5 ]}

Un anillo de Gramme de tres polos y seis bobinas, y un gráfico de los tres polos combinados, cada uno desfasado 120° respecto al otro y sumándose entre sí. ^{[ 5 ]}

Si bien el anillo de Gramme permitía una salida de potencia más constante, adolecía de una ineficiencia de diseño técnico debido a la forma en que las líneas de fuerza magnética atraviesan la armadura anular. Las líneas de campo tienden a concentrarse en el interior y a seguir la superficie metálica del anillo hasta el otro lado, con relativamente pocas líneas de fuerza penetrando en su interior.

En consecuencia, los devanados internos de cada bobina pequeña son mínimamente efectivos para generar energía, ya que reducen considerablemente la cantidad de líneas de fuerza en comparación con los devanados externos del anillo. Los devanados internos son prácticamente cables muertos que solo añaden resistencia al circuito, disminuyendo así la eficiencia.

Los intentos iniciales de insertar una bobina de campo estacionaria en el centro del anillo para facilitar la penetración de los cables resultaron demasiado complejos de diseñar. Además, si los cables penetraban en el interior del anillo, cualquier fuerza electromotriz (FEM) producida se opondría a la FEM proveniente del exterior, ya que el cable interior estaba orientado en sentido contrario al exterior, al haber girado 180 grados durante su bobinado.

Finalmente, se descubrió que era más eficiente enrollar un solo bucle de alambre alrededor del exterior del anillo, evitando que cualquier parte del bucle atravesara el interior. Esto también reduce la complejidad de la construcción, ya que un solo devanado grande que abarca todo el ancho del anillo puede reemplazar a dos devanados más pequeños en lados opuestos. Todos los inducidos modernos utilizan este diseño de enrollado externo (en tambor), aunque los devanados no se extienden completamente a lo largo del diámetro; geométricamente, se asemejan más a las cuerdas de un círculo. Los devanados adyacentes se superponen, como se puede observar en casi cualquier rotor de motor o generador moderno con conmutador. Además, los devanados se colocan en ranuras de forma redondeada (vistas desde el extremo del rotor). En la superficie del rotor, las ranuras tienen el ancho justo para permitir el paso del alambre aislado durante el bobinado de las bobinas.

Si bien el anillo hueco podría reemplazarse ahora por un núcleo cilíndrico sólido o un tambor , el anillo sigue demostrando ser un diseño más eficiente, ya que 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 ligera que una armadura de tambor con núcleo sólido. El centro hueco del anillo también proporciona una vía para la ventilación y la refrigeración en aplicaciones de alta potencia.

En armaduras pequeñas, a menudo se utiliza un tambor sólido simplemente por la facilidad de construcción, ya que el núcleo se puede formar fácilmente a partir de una pila de discos de metal estampados que se encajan en una ranura del eje. ^{[ 13 ]}

• Contenido multimedia relacionado con Gramme Machine en Wikimedia Commons.
• Museo de la electricidad: los primeros motores