Gleichstromgenerator
Ein Gleichstromgenerator ist eine elektrische Maschine, die mechanische Energie in Gleichstrom umwandelt. Diese Energieumwandlung basiert auf dem Prinzip der Erzeugung dynamisch induzierter EMK. Dieser Artikel beschreibt den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise eines Gleichstromgenerators.
Bau einer Gleichstrommaschine:
Hinweis:Theoretisch kann ein Gleichstromgenerator ohne konstruktive Änderungen als Gleichstrommotor verwendet werden und umgekehrt ist auch möglich. Somit kann ein Gleichstromgenerator oder ein Gleichstrommotor allgemein als Gleichstrommaschine bezeichnet werden. Diese grundlegenden konstruktiven Details gelten auch für den Aufbau eines Gleichstrommotors. Nennen wir diesen Punkt daher den Bau einer Gleichstrommaschine und nicht nur den Bau eines Gleichstromgenerators.
Die obige Abbildung zeigt konstruktive Details einer einfachen 4-poligen Gleichstrommaschine. Eine DC-Maschine besteht aus zwei Grundteilen; Stator und Rotor. Im Folgenden werden grundlegende Konstruktionsteile einer Gleichstrommaschine beschrieben.
- Joch: Der äußere Rahmen einer DC-Maschine wird als Joch bezeichnet. Es besteht aus Gusseisen oder Stahl. Es verleiht der gesamten Baugruppe nicht nur mechanische Festigkeit, sondern trägt auch den von der Feldwicklung erzeugten magnetischen Fluss.
- Stangen und Stangenschuhe: Stangen werden mit Hilfe von Bolzen oder Schweißen mit dem Joch verbunden. Sie tragen eine Feldwicklung und an ihnen sind Polschuhe befestigt. Polschuhe dienen zwei Zwecken; (i) Sie tragen Feldspulen und (ii) verteilen den Fluss gleichmäßig im Luftspalt.
- Feldwicklung: Sie bestehen normalerweise aus Kupfer. Feldspulen werden normalerweise gewickelt und auf jeden Pol gelegt und in Reihe geschaltet. Sie sind so gewickelt, dass sie bei Erregung abwechselnde Nord- und Südpole bilden.
- Ankerkern: Ankerkern ist der Rotor einer DC-Maschine. Es hat eine zylindrische Form mit Schlitzen zum Tragen der Ankerwicklung. Der Anker besteht aus dünnen laminierten kreisförmigen Stahlscheiben zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten. Er kann zu Kühlzwecken mit Luftkanälen für den axialen Luftstrom versehen sein. Anker ist mit der Welle verkeilt.
- Ankerwicklung: Es ist normalerweise eine ehemalige gewickelte Kupferspule, die in Ankerschlitzen ruht. Die Ankerleiter sind voneinander und auch vom Ankerkern isoliert. Die Ankerwicklung kann mit einer der beiden Methoden gewickelt werden. Im Allgemeinen werden Doppelschichtwicklungen oder Wellenwicklungen verwendet. Eine Doppelschichtwicklung bedeutet, dass jeder Ankerschlitz zwei verschiedene Spulen trägt.
- Kommutator und Bürsten: Die physikalische Verbindung zur Ankerwicklung erfolgt über eine Kommutator-Bürsten-Anordnung. Die Funktion eines Kommutators in einem Gleichstromgenerator besteht darin, den in Ankerleitern erzeugten Strom zu sammeln. Im Falle eines Gleichstrommotors hilft der Kommutator bei der Stromzufuhr zu den Ankerleitern. Ein Kommutator besteht aus einem Satz von Kupfersegmenten, die voneinander isoliert sind. Die Anzahl der Segmente entspricht der Anzahl der Ankerspulen. Jedes Segment ist mit einer Ankerspule verbunden und der Kommutator ist mit der Welle verkeilt. Bürsten werden normalerweise aus Kohlenstoff oder Graphit hergestellt. Sie ruhen auf Kommutatorsegmenten und gleiten auf den Segmenten, wenn sich der Kommutator dreht und den physischen Kontakt beibehält, um den Strom zu sammeln oder zu liefern.
Ankerkern (Rotor)
Kommutator
Funktionsprinzip eines Gleichstromgenerators:
Nach den Faradayschen Gesetzen der elektromagnetischen Induktion wird immer dann, wenn ein Leiter in ein variierendes Magnetfeld gebracht wird (ODER ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird), eine emk (elektromotorische Kraft) im Leiter induziert. Die Größe der induzierten EMK kann aus der EMK-Gleichung des Gleichstromgenerators berechnet werden. Wenn der Leiter mit einem geschlossenen Pfad versehen ist, zirkuliert der induzierte Strom innerhalb des Pfades. In einem Gleichstromgenerator erzeugen Feldspulen ein elektromagnetisches Feld und die Ankerleiter werden in das Feld gedreht. Somit wird eine elektromagnetisch induzierte emk in den Ankerleitern erzeugt. Die Richtung des induzierten Stroms wird durch Flemings rechte Handregel angegeben.
Notwendigkeit eines Spaltringkommutators:
Nach Fleming der rechten hand regel, die richtung der induzierte strom änderungen, wenn die richtung der motion der leiter änderungen. Betrachten wir einen Anker, der sich im Uhrzeigersinn dreht, und einen Leiter links, der sich nach oben bewegt. Wenn der Anker eine halbe Umdrehung vollendet, wird die Bewegungsrichtung dieses bestimmten Leiters nach unten umgekehrt. Daher wird die Stromrichtung in jedem Ankerleiter alternierend sein. Wenn Sie sich die obige Abbildung ansehen, wissen Sie, wie sich die Richtung des induzierten Stroms in einem Ankerleiter ändert. Aber mit einem Spaltringkommutator, Verbindungen der Ankerleiter werden auch umgekehrt, wenn die Stromumkehr auftritt. Und deshalb bekommen wir unidirektionalen Strom an den Klemmen.
Typen eines Gleichstromgenerators:
Gleichstromgeneratoren können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden, nämlich: (i) Getrennt erregt und (ii) selbsterregt.
(i) Getrennt erregt: Bei diesem Typ werden Feldspulen von einer unabhängigen externen Gleichstromquelle gespeist.
(ii) Selbsterregt: Bei diesem Typ werden Feldspulen aus dem vom Generator selbst erzeugten Strom gespeist. Die anfängliche EMK-Erzeugung ist auf den Restmagnetismus in den Feldpolen zurückzuführen. Die erzeugte EMK bewirkt, dass ein Teil des Stroms in den Feldspulen fließt, wodurch der Feldfluss verstärkt und dadurch die EMK-Erzeugung erhöht wird. Selbsterregte Gleichstromgeneratoren können weiter in drei Typen unterteilt werden –
(a) Serienwicklung – Feldwicklung in Reihe mit Ankerwicklung
(b) Nebenwicklung – Feldwicklung parallel zur Ankerwicklung
(c) Verbundwicklung – Kombination aus Serien- und Nebenwicklung
Hier erfahren Sie mehr über die Typen eines Gleichstromgenerators / einer Gleichstrommaschine.