Hogyan működik a DC-generátor?

Hogyan működik egy DC generátor?

DC generátor definíció

A DC generátor olyan eszköz, amely mechanikai erőt közvetlen elektrikus energiává alakít az elektromágneses indukció elvével.

Faraday törvénye

Ez a törvény kimondja, hogy ha egy vezető mozog egy mágneses mezőben, akkor mágneses erővonalakat vág, ami elektromágneses erőt (EMF) indukál a vezetőben.

Az indukált EMF nagysága függ a mágneses fluxussal való kapcsolat változásának rátájától. Ez az EMF áramot fog eredeztetni, ha a vezető kör bezárva van.

A generátor két legfontosabb része:

• A mágneses mező

• A vezetők, amelyek a mágneses mezőben mozognak.

Most, hogy megértettük az alapokat, beszélgethetünk a DC generátor működési elvéről. Hasznos lehet megtudni a DC generátor típusairól is.

Egylapos működés

Egy egylapos DC generátorban a hurok forgása a mágneses mezőben indukál EMF-t, és az áram irányát Fleming jobbkezes szabálya határozza meg.

A fenti ábrán egy téglalap alakú vezetőhurok látható két ellentétes mágneses pólus között.

Vegyünk figyelembe a vezető ABCD téglalap alakú hurokját, amely a mágneses mezőben forog az ab tengelye körül.

Amikor a hurok forgása függőleges pozícióból vízszintes pozícióba kerül, vágja a mező erővonalait. Mivel ezen mozgás során két oldala, azaz az AB és CD oldal vágja a mező erővonalait, ezért mindkét oldalon (AB és BC) indukálódik EMF.

Mivel a hurok bezárva van, keringő áram jön létre a hurokon. Az áram irányát Fleming jobbkezes szabálya határozza meg.

Ez a szabály azt mondja, hogy ha a jobb kezünk hüvelykujját, mutatóujját és középső ujját merőlegesre állítjuk egymáshoz, akkor a hüvelykujj jelzi a vezető mozgásának irányát, a mutatóujj a mágneses mező irányát, azaz N pólustól S pólusig, a középső ujj pedig a vezetőn keresztül folyó áram irányát.

Ha alkalmazzuk ezt a jobbkezes szabályt, akkor látjuk, hogy a hurok vízszintes pozíciójában az áram A-ból B-be folyik, a hurok másik oldalán pedig C-ből D-be.

Ha tovább engedjük a hurok forgását, újra függőleges pozícióba kerül, de most a hurok felső oldala CD lesz, és az alsó oldala AB (pontosan ellentétes a korábbi függőleges pozícióval).

Ebben a pozícióban a hurok oldalainak tangenciális mozgása párhuzamos a mező erővonalaihoz. Tehát nincs kérdés a fluxus vágásról, és ennek megfelelően nincs áram a hurokon.

Ha a hurok tovább forog, újra vízszintes pozícióba kerül. De most az AB oldal a hurok előtt az N pólustól, a CD pedig az S pólustól található, azaz pontosan ellentétes a korábbi vízszintes pozícióval, ahogy az az ábra mellett látható.

Itt a hurok oldalainak tangenciális mozgása merőleges a mező erővonalaira, tehát a fluxus vágás sebessége itt maximális, és a Fleming jobbkezes szabály szerint ebben a pozícióban az áram B-ből A-ba folyik, a hurok másik oldalán pedig D-ből C-be.

Ha a hurok tovább forog a tengelye körül, minden alkalommal, amikor az AB oldal az S pólus előtt kerül, az áram A-ból B-be folyik. Ha az N pólus előtt kerül, az áram B-ből A-ba folyik.

Ugyanígy, minden alkalommal, amikor a CD oldal az S pólus előtt kerül, az áram C-ből D-be folyik. Amikor az N pólus előtt kerül, az áram D-ből C-be folyik.

Ha másképpen nézzük ezt a jelenséget, arra következtethetünk, hogy minden alkalommal, amikor a hurok egyik oldala az N pólus előtt kerül, az áram azon oldalon ugyanirányban folyik, azaz lefelé a referencia síkhoz képest.

Ugyanígy, minden alkalommal, amikor a hurok egyik oldala az S pólus előtt kerül, az áram azon oldalon ugyanirányban folyik, azaz felfelé a referencia síkhoz képest. Ebből érthetővé válik a DC generátor működési elve.

Most a hurok nyitott, és a mellékelt ábrán látható módon össze van kötve egy felosztott gyűrűvel. A felosztott gyűrűket vezető hengerből készítik, amit két fele vagy szegmensre osztanak, és elkülönítik egymástól.

Köthetjük az külső terhelési terminálokat két szénkeverékkel, amelyek ezekre a felosztott csúszó gyűrű szegmensekre nyugnak.

Kommutátor és szénkeverék

A felosztott gyűrűk (kommutátorok) és a szénkeverékek biztosítják, hogy az áram egyirányú maradjon, fordítva a kapcsolatokat, ahogy a hurok forog.

Szénkeverék helyzete

A szénkeverékek olyan módon vannak elhelyezve, hogy az EMF nulla, amikor a tekercs merőleges a mágneses mezőre, így zavartalan áramfolyamot biztosítanak.

DC generátor működési elve

Látható, hogy a forogás első felében az áram mindig ABLMCD mentén folyik, azaz az 1-es szénkeverék a szegmens a-val van kapcsolatban.A forogás második felében az általunk indukált áram iránya a tekercsen fordul, de ugyanakkor a szegmensek (a és b) helyzete is megváltozik, ami azt eredményezi, hogy az 1-es szénkeverék a szegmens b-vel kerül kapcsolatba.

Tehát az áram a terhelésben ismét L-ből M-be folyik. A terhelési áram hullámforma a mellékelt ábrán látható. Ez az áram egyirányú.

A fenti tartalom a DC generátor alapműködési elvét mutatja be, egy egylapos generátor modell segítségével.

A DC generátor szénkeverékeinek helyzete úgy van kiválasztva, hogy a szegmensek (a és b) átkapcsolása egyik szénkeverékről a másikra történjen, amikor a forgó tekercs síkja derékszögben van a mágneses erővonalak síkjával. Abban a pozícióban a tekercsen indukált EMF nulla.