Dynamo: das Funktionsprinzip des Gleichstromgenerators, Merkmale des Geräts, die Rolle des Ankers und des Kollektors

Dynamos ähneln Wechselstromgeräten darin, dass sie mechanische Energie umwandeln die Elektrik erfordert die gleichen Komponenten: den Stator (stationärer Teil) und den Generatoranker (rotierend) Element). Dieselben strukturellen Elemente gelten auch für die Erstellung eines Gleichstrommotors. Daher werden solche Generatoren aufgrund ihrer vollständigen Reversibilität ohne Änderungen als Gleichstrommaschinen bezeichnet.

Geschichte und Entwicklung

Dynamos waren die ersten elektrischen Maschinen, die in der Lage waren, Energie für die Industrie zu erzeugen, und das Fundament, auf dem viele andere Drehvorrichtungen zur Umwandlung von mechanischer und elektrischer Leistung wurden entwickelt, darunter Elektromotor. Die Betriebstheorie elektromagnetischer Generatoren wurde 1832 von Michael Faraday entwickelt.

Er baute auch das erste Gerät, das als Faradaysche Scheibe bekannt ist. Dieses Gerät erzeugte eine niedrige Gleichspannung, für deren Herstellung die Drehung einer Kupferscheibe zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten verwendet wurde. Der von Faraday zu Demonstrationszwecken erstellte unipolare Generator war für den praktischen Einsatz völlig ungeeignet,

da es zwei gravierende nachteile hatte:

1. Der direkt im Wirkungsbereich des Magneten induzierte Strom wurde in den restlichen Teilen der Scheibe selbst geschlossen, in Verbindung, bei der der erzeugte Strom hauptsächlich die Aufgabe hat, das rotierende Kupfer zu erhitzen Leinwände.
2. Die von dem Gerät erzeugte Spannung war aufgrund der Einzelheit des Leiters, der durch den magnetischen Fluss ging, extrem niedrig.

Diese Probleme könnten gelöst werden, indem die Anzahl der Magnete um den Umfang erhöht und Spulen mit Wicklungen anstelle einer Scheibe verwendet werden. Ein ähnliches Schema wurde für alle nachfolgenden Konstruktionen von Dynamomaschinen charakteristisch. Aus der weiteren Geschichte der Generatorenentwicklung Folgende Termine lassen sich unterscheiden:

• 1832 gr. - Der französische Instrumentenhersteller Pixie baute den ersten Dynamo nach Faraday-Prinzipien;
• 1860 Gramm. - der italienische Physikprofessor Pacinotti hat einen Generator fast moderner Art geschaffen;
• 1866-1867 - Whitson, Siemens und Varley haben unabhängig voneinander Patente für selbsterregte Dynamos erhalten;
• 1871 gr. - Belgische Gramm, basierend auf Pacinottis Design, schuf den ersten kommerziellen Generator für die Industrie.

Die einfachste elektrische Maschine

Nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion erzeugt eine Änderung des magnetischen Flusses an einer Drahtwindung eine magnetische Kraft, die bewirkt, dass sich Elektronen im Leiter bewegen. Dadurch entsteht in der Spule ein elektrischer Strom. Dieses Phänomen wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet und dient als Grundlage für die Konstruktion elektrischer Maschinen. Knapp die Prinzipien des DC-Generators sind wie folgt:

1. Die auf die Elektronen ausgeübte magnetische Kraft erzeugt eine elektromotorische Kraft, die die Elektronen im Stromkreis in Bewegung setzt.
2. Die Stärke und Richtung dieser EMF wird durch die Stärke und Richtung des Magnetfelds sowie die Geschwindigkeit des sich bewegenden Teils bestimmt, der sowohl ein Leiter als auch ein Magnet sein kann.

Grundsätzlich arbeiten alle elektrischen Generatoren nach dem gleichen Prinzip, egal ob sie Wechsel- oder Gleichstrom erzeugen. In den Ankerwicklungen von Dynamomaschinen wird nämlich ein Wechselstrom induziert, der mit Hilfe eines Kollektors und einer Bürsteneinheit in Gleichstrom umgewandelt wird.

Es ist zweckmäßig, den Betrieb dieser Geräteklasse am Beispiel eines einfachen Generators zu betrachten, der zusätzlich mit einem Schalter zur Stromgleichrichtung ausgestattet ist. Ein gutes anschauliches Modell zum Verständnis der in einem Dynamo ablaufenden Prozesse kann eine rotierende Spule eines rechteckigen Leiters sein, die zwischen zwei gegenüberliegenden Polen eines Magneten platziert wird.

Bei einer vollen Umdrehung eines solchen Rahmens wird darin ein elektrischer Strom induziert, der durch die Schleife zirkuliert. Seine Richtung kann mit der Fleming-Regel für die rechte Hand bestimmt werden, die besagt, dass, wenn Sie Ihre Hand so positionieren, dass die Handfläche trat in den magnetischen Fluss ein und lenke den gebogenen Daumen in die Richtung der Bewegung des Leiters, dann zeigt der Zeigefinger die Richtung an aktuell. In diesem Fall, um die Prozesse im einfachsten Generator zu verstehen Es ist praktisch, vier Positionen der Schleife relativ zum Magneten zu unterscheiden:

• 0 ° - die Spule bewegt sich parallel zur Richtung des Magnetstroms, sodass keine Potenzialdifferenz induziert wird;
• 90 ° - die Potenzialdifferenz ist maximal;
• 180° - die Drehung ist wieder parallel zum Magnetfeld;
• 270° - maximale EMF wird induziert, jedoch in die entgegengesetzte Richtung;
• 360° - Rückkehr zum Ausgangspunkt.

Die Form des variablen elektrischen Ausgangssignals kann man sich als Sinuskurve vorstellen. Mit Hilfe des Kollektors wird die Verbindung der Bürsten mit der Spule bei jeder Halbwelle umgekehrt. Dadurch bewegt sich der Strom im externen Stromkreis des Generators in eine Richtung.

Erregerwicklungen

Die Gleichstromgeneratorvorrichtung hat das Potenzial, nur in kleinen elektrischen Maschinen verwendet zu werden. Erstens, weil für Geräte mit geringer Leistung die Verwendung von Permanentmagneten zulässig ist. In anderen Fällen können nur Magnetspulen – Spulen mit Kern – oder Erregerwicklungen einen ausreichend starken Magnetfluss erzeugen. Nach der Art der Nahrung, die sie essen Generatoren lassen sich in folgende Klassen einteilen:

• mit unabhängiger Aufregung;
• selbsterregt.

Für den ersten Betrieb ist eine Hilfsstromquelle erforderlich. Dies ist der Hauptnachteil dieser Art von Maschinen, daher ist ihre Verwendung begrenzt. Bei Generatoren mit unabhängiger Erregung werden die Wicklungen vom Anker gespeist. Elektrische Maschinen, die nach diesem Schema angeordnet sind, werden wiederum in drei Typen unterteilt:

• Shunt (mit paralleler Erregung);
• seriell (mit seriell);
• Verbundgeneratoren (mit parallelen und seriellen Erregerspulen).

Moderne Dynamos

Ein Merkmal von Kollektorgeneratoren ist ihre Spannungsbegrenzung. Dies liegt an der Notwendigkeit, Funken zwischen den Bürsten und dem Kollektor zu vermeiden. Daher erfolgt bei einigen Maschinen die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom mit elektronischen Geräten, beispielsweise Diodengleichrichtern.

Im Gegensatz zur einfachsten Konstruktion verwenden moderne Generatoren Trommelanker, die in der Regel aus eine große Anzahl von Windungen, die sich in den Längsschlitzen des Kerns befinden und mit den entsprechenden Segmenten des Multiples verbunden sind Schalter.

Der bei der Ankertrommel verwendete Mehrsegmentkollektor verbindet den äußeren Stromkreis immer nur mit den Drahtwindungen, die sich durch die Zone maximaler magnetischer Feldstärke bewegen. Als Ergebnis dieser Arbeit ist der in den Ankerwicklungen erzeugte Strom nahezu konstant. Diese Generatoren sind normalerweise mit vier oder mehr elektromagnetischen Polen ausgestattet, um die Größe und Stärke des Magnetfelds zu erhöhen.

Große Dynamos haben ihre Anwendung in der modernen Welt als Komponenten von Windkraftanlagen oder Wasserkraftanlagen gefunden, sowie einer reversiblen Maschine im elektrischen Verkehr und in den Industriebereichen, in denen ihr Einsatz technisch ist keine Alternative. Ihr relativ komplexer Aufbau sowie die Verkehrstauglichkeit von Wechselstrom haben dazu geführt, dass dass Gleichstromgeneratoren seit der Erfindung durch kostengünstigere Asynchrongeneratoren ersetzt wurden Geräte.