| 138 let od objevu dynamoelektrického principu Ing. Zdeněk Ledr, DrSc. V letošním roce uplynulo již 138 let od objevu dynamoelektrického principu německým vynálezcem a průmyslníkem Wernerem von Siemensem (obr. 1). Tento objev umožnil stavbu velkých stejnosměrných generátorů bez použití permanentních magnetů, které tehdy byly dosažitelné jen pro malé magnetoelektrické stroje. Nebylo možné je použít pro velké stroje i proto, že materiál, z něhož jsou vyrobeny, je tvrdý a těžko obrobitelný. W. Siemens se na podzim 1866 (asi pět měsíců po bitvě u Hradce Králové) zabýval otázkou, jak zvětšit účinek elektrických rozněcovačů min. K pokusům přitom použil magnetoelektrický stroj s válcovou kotvou, jehož magnety však nebyly permanentní, ale byly to elektromagnety buzené z baterie budicím vinutím čili šlo o stroj s cizím buzením. Siemens pátral po tom, zda by nebylo možné využít tzv. extraproudy [2], vznikající samoindukcí budicího vinutí, k tomu, aby se jimi posílil účinek magnetů rozněcovače. Byl mu znám demagnetizační vliv reakce kotvy i okolnost, že při změně smyslu otáčení, při témž smyslu magnetického pole se mění polarita kotvy a obrátí se smysl proudu v kotvě.  Obr. 1. Werner von Siemens (* 13. 12. 1816, Lenthe u Hannoveru, Německo; † 6. 12. 1892, Berlín, tamtéž) Siemens chtěl potlačit demagnetizační účinek reakce kotvy zavedením kotevního proudu do budicího vinutí, od nějž odpojil baterii, tedy vytvořil stroj se sériovým buzením s uzavřeným obvodem, spojením stroje nakrátko. Přitom zcela náhodně zjistil, že při jednom smyslu otáčení stroj nekladl mechanický odpor proti otáčení, tudíž nevyvíjel brzdný moment, ačkoliv otáčky stroje byly měněny ve značném rozsahu. Naproti tomu při změně smyslu otáčení stroj vyvíjel silný mechanický odpor čili velký brzdný moment a proud stroje vzrostly tak, že se obě vinutí – kotevní i budicí, silně zahřála. Siemensovo vysvětlení tohoto jevu nebylo zprvu zcela správné. Chybně se totiž domníval, že změna smyslu proudu v kotvě při změně smyslu otáčení potlačila reakci kotvy. Toto vysvětlení nebylo správné, protože při jednom smyslu otáčení se stroj vůbec nenabudil, a nedával tedy proud, a neměl tudíž ani reakci kotvy, a dále proto, že při vzniku proudu při nabuzení stroje – při jeho chodu v opačném smyslu otáčení – stroj měl reakci kotvy, která zmenšovala magnetické pole stroje. Siemens také zjistil, že remanentní magnetismus (magnetická remanence – zbytek magnetismu, který si podrží feromagnetický materiál i po zániku vnějšího magnetického pole – pozn. red.) stačí k vybuzení stroje. Správné vysvětlení těchto jevů ukazuje obr. 2. V něm značí U = f(I) charakteristiku svorkového napětí generátoru se sériovým budicím vinutím při stálých otáčkách +n, která respektuje vliv reakce kotvy a úbytek napětí na celkovém odporu Rc stroje, vynesenou v závislosti na kotevním proudu I sériového generátoru. Vztah RvI značí budicí přímku při vnějším odporu Rv připojeném na svorky stroje, např. na odporu přívodů. Budicí přímka je v obr. 2 nakreslena tak, že úbytek napětí RvI se zvětšuje ve II. kvadrantu a je kladný. Je patrné, že průsečík x přímky RvI s charakteristikou U = f(I) pro otáčky +n dává velmi malé napětí – menší, než je napětí remanentní UR, a velmi malý proud – IR, takže se stroj nenabudí. Naproti tomu při změně smyslu otáček z +n na –n se polarita indukovaných napětí při opačném smyslu proudu I otočí. Aby nedošlo ke ztrátě remanence, musí se přepnout sériové buzení přepínačem, takže smysl proudu bude stejný jako při původním smyslu otáčení, tj. v kladném smyslu proudu I. Charakteristika U = f(I) přejde do IV. kvadrantu. Protože na budicí přímku RvI nemají otáčky vliv, protože nejsou v součinu RvI, vybudí se stroj účinkem „zrychlovacích„ napětí – v obr. 2 vyšrafovaných do průsečíku y téže budicí přímky s charakteristikou U = f(I). To dává velký proud Imax a velký brzdný moment, který mu odpovídá (v obr. 2 není naznačen).  Obr. 2. Vnější zatěžovací charakteristika generátoru se sériovým budicím vinutím U = f (I) W. Siemens předvedl v prosinci 1866 tento nový stroj bez permanentních magnetů a bez budicí baterie berlínským fyzikům H. G. Magnusovi (1802–1870), H. W. Dovemu (1803–1879), P. T. Riessovi (1805–1883) a P. D. G. Du Bois-Reymondovi (1818–1896), kteří jím byli velmi překvapeni. Profesor Magnus si od Siemense vyžádal popis funkce tohoto stroje s tím, že poté objev oznámí Berlínské akademii věd. Stalo se tak 17. 1. 1867, a toto datum je považováno za datum objevu. Proti autorství W. Siemense se brzy vynořila spousta námitek. Byl to zejména anglický profesor Ch. Wheatstone (1802–1875), který se zúčastnil přednášky bratra Wernera Siemense, Wilhelma (1823–1883), jenž žil v Anglii, a který 14. 2. 1867 předvedl nový stroj v Royal Society. Wheatstone krátce po této přednášce předvedl podobný stroj. Dále to byl C. F. Varley (1828–1883), který tvrdil, že na začátku podzimu 1866 dal podobný stroj zhotovit u jednoho mechanika a rovněž že na stroj podal předběžnou patentovou přihlášku. Přesto prvenství objevu zůstalo Wernerovi Siemensovi, protože svůj pracující model a zdůvodnění jeho fungování (ačkoliv ne zcela správné) předal Berlínské akademii věd. Siemens byl též autorem názvu „dynamoelektrický stroj„, který byl později zkrácen na „dynamo„. Na stejném principu pracuje i derivační dynamo. U něj budicí přímku vytváří úbytek napětí na derivačním obvodu a charakteristika svorkového napětí je vynesena v závislosti na budicím proudu magnetů (u sériového stroje je budicí proud proudem kotvy). Werner Siemens v souvislosti s dynamoelektrickým principem přišel brzy i na další vynález – na protiremanentní zapojení, které nazval selbstmordschaltung. Jeho princip spočívá v tom, že při témž smyslu otáčení, v němž se dynamo budí, se uměle přepne cizí budicí vinutí jako derivace ke kotvě tak, že se dostaví stav snižující remanenci stroje. Toto zapojení se dlouho používalo tam, kde bylo potřeba zabránit velkým proudům v obvodech s malým odporem, např. v kotevních obvodech těžkých strojů brzděných mechanickou brzdou a napájených řídicím dynamem ve Wardově-Leonardově soustrojí. Zde by i malá přirozená remanence dynama způsobovala velké proudové hodnoty v klidu stroje a pro dosažení klidu by bylo nutné zvětšit mechanickou brzdu; to by mohlo být spojeno s konstrukčními obtížemi [1]. Literatura:
[1] SIEMENS, W.: Můj život. Orbis, Praha, 1942.
[2] NACHTIKAL, F.: Technická fysika. Spolek posluchačů inženýrství chemie, Praha, 1931,.s. 439. |
