Wie funktioniert ein Gleichstromgenerator?
Wie funktioniert ein Gleichstromgenerator?
Definition eines Gleichstromgenerators
Ein Gleichstromgenerator ist ein Gerät, das mechanische Energie in direkte elektrische Energie mithilfe des Prinzips der elektromagnetischen Induktion umwandelt.
Faradaysches Gesetz
Dieses Gesetz besagt, dass, wenn ein Leiter sich in einem Magnetfeld bewegt, er magnetische Kraftlinien durchschneidet, was eine elektromotorische Kraft (EMF) im Leiter induziert.
Die Stärke der induzierten EMF hängt von der Änderungsrate der magnetischen Flussverkettung mit dem Leiter ab. Diese EMF wird einen Stromfluss verursachen, wenn der Leiterkreis geschlossen ist.
Die zwei wesentlichen Teile eines Generators sind:
Das Magnetfeld
Leiter, die sich innerhalb dieses Magnetfelds bewegen.
Nun, da wir die Grundlagen verstehen, können wir das Arbeitsprinzip eines Gleichstromgenerators besprechen. Es kann auch nützlich sein, sich über die Arten von Gleichstromgeneratoren zu informieren.
Einschleifbetrieb
In einem einschleifigen Gleichstromgenerator induziert die Rotation der Schleife in einem Magnetfeld eine EMF, und die Stromrichtung wird durch die Rechte-Hand-Regel von Fleming bestimmt.
In der obigen Abbildung befindet sich eine einzelne rechteckige Schleife eines Leiters zwischen den entgegengesetzten Polen eines Magneten.
Betrachten wir die rechteckige Leiterschleife ABCD, die sich innerhalb des Magnetfelds um ihre Achse ab dreht.
Wenn die Schleife von ihrer vertikalen Position in ihre horizontale Position rotiert, schneidet sie die Flusslinien des Feldes. Während dieser Bewegung schneiden die beiden Seiten, also AB und CD, der Schleife die Flusslinien, wodurch eine EMF in beiden Seiten (AB und BC) der Schleife induziert wird.
Da die Schleife geschlossen ist, fließt ein Strom durch die Schleife. Die Richtung des Stroms kann durch die Rechte-Hand-Regel von Fleming bestimmt werden.
Diese Regel besagt, dass, wenn Sie Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger Ihrer rechten Hand senkrecht zueinander ausstrecken, der Daumen die Bewegungsrichtung des Leiters anzeigt, der Zeigefinger die Richtung des Magnetfeldes, also N-Pol zu S-Pol, und der Mittelfinger die Richtung des Stromflusses durch den Leiter anzeigt.
Wenden wir diese Rechte-Hand-Regel an, sehen wir, dass an dieser horizontalen Position der Schleife der Strom von Punkt A nach B fließt und auf der anderen Seite der Schleife der Strom von Punkt C nach D fließt.
Lassen wir die Schleife weiter rotieren, kommt sie wieder in ihre vertikale Position, aber jetzt ist die obere Seite der Schleife CD und die untere Seite AB (genau das Gegenteil der vorherigen vertikalen Position).
An dieser Position ist die tangentielle Bewegung der Seiten der Schleife parallel zu den Flusslinien des Feldes. Daher gibt es keine Frage des Flussschnitts, und folglich fließt kein Strom in der Schleife.
Rotiert die Schleife weiter, kommt sie wieder in eine horizontale Position. Aber jetzt befindet sich die Seite AB der Schleife vor dem N-Pol und CD vor dem S-Pol, also genau das Gegenteil der vorherigen horizontalen Position, wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt.
Hier ist die tangentielle Bewegung der Seite der Schleife senkrecht zu den Flusslinien; daher ist die Rate des Flussschnitts hier maximal, und gemäß der Rechte-Hand-Regel von Fleming fließt an dieser Position der Strom von B nach A und auf der anderen Seite von D nach C.
Wenn die Schleife weiter um ihre Achse rotiert, fließt jedes Mal, wenn die Seite AB vor dem S-Pol kommt, der Strom von A nach B. Wenn sie vor dem N-Pol kommt, fließt der Strom von B nach A.
Gleiches gilt für die Seite CD. Jedes Mal, wenn sie vor dem S-Pol kommt, fließt der Strom von C nach D. Wenn sie vor dem N-Pol kommt, fließt der Strom von D nach C.
Wenn wir dieses Phänomen anders betrachten, können wir schließen, dass, wenn jede Seite der Schleife vor dem N-Pol kommt, der Strom durch diese Seite in die gleiche Richtung fließt, also nach unten zur Referenzebene.
Ähnlich, wenn jede Seite der Schleife vor dem S-Pol kommt, fließt der Strom durch sie in die gleiche Richtung, also nach oben von der Referenzebene. Damit kommen wir zum Prinzip des Gleichstromgenerators.
Jetzt wird die Schleife geöffnet und mit einem Spaltkranz verbunden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Der Spaltkranz, hergestellt aus einem leitenden Zylinder, wird in zwei Hälften oder Segmente geteilt, die voneinander isoliert sind.
Wir verbinden die externen Lastterminals mit zwei Kohlebürsten, die auf diesen Spaltringsegmenten ruhen.
Spaltkranz und Bürsten
Der Spaltkranz (Kommunikator) und die Kohlebürsten sorgen dafür, dass der Strom unidirektional bleibt, indem sie die Verbindungen beim Rotieren der Schleife umkehren.
Positionierung der Bürsten
Die Bürsten sind so positioniert, dass die EMF null ist, wenn die Spule senkrecht zum Magnetfeld steht, was einen glatten Stromfluss ermöglicht.
Arbeitsprinzip des Gleichstromgenerators
Wir können sehen, dass in der ersten Hälfte der Umdrehung der Strom immer entlang ABLMCD fließt, d.h., die Bürste Nr. 1 ist in Kontakt mit Segment a. In der nächsten halben Umdrehung, in der Abbildung, wird die Richtung des induzierten Stroms in der Spule umgekehrt. Gleichzeitig werden die Positionen der Segmente a und b ebenfalls umgekehrt, sodass Bürste Nr. 1 mit Segment b in Kontakt kommt.
Daher fließt der Strom in der Lastwiderstand wieder von L nach M. Das Wellenbild des Stroms durch den Lastkreis ist in der Abbildung gezeigt. Dieser Strom ist unidirektional.
Der obige Inhalt ist das grundlegende Arbeitsprinzip des Gleichstromgenerators, erklärt anhand des Modells eines einschleifigen Generators.
Die Positionen der Bürsten des Gleichstromgenerators sind so, dass der Wechsel der Segmente a und b von einer Bürste zur anderen stattfindet, wenn die Ebene der rotierenden Spule senkrecht zur Ebene der Kraftlinien steht. In dieser Position ist die induzierte EMF in der Spule null.
