Design eines Permanentmagnet-Gleichstromgenerators

Der Gleichstromgeneratorist eine elektrische Maschine, die mechanische Energie in Form von Bewegung in elektrische Energie in Form von Gleichspannung und -strom nach dem Prinzip der magnetischen Induktion umwandelt. Die von einem bestimmten DC-Generatordesign erzeugte Spannungs- und Stromabgabe hängt von seiner Wellendrehzahl (U/min) und der daran angeschlossenen elektrischen Last ab.

Die zum Erreichen einer bestimmten Ausgangsspannung erforderliche Wellendrehzahl wird durch die Last bestimmt . Je leichter die Last, desto niedriger die Drehzahl, die benötigt wird, um die angegebene Spannung zu erreichen. Dann sind Gleichstromgeneratoren mit niedriger Drehzahl eine beliebte Wahl für den Einsatz in Batterieladesystemen für Windkraft und Wasserkraft.

Typischer Gleichstromgenerator für Windkraftanlagen

Der Gleichstromgenerator erhält seine Bewegungsenergie von den an seiner Rotorwelle befestigten Wind- oder Wasserturbinenblättern. Die meisten AC-Generatoren sind so konstruiert, dass sie zu schnell laufen, um direkt an diese Turbinenschaufeln gekoppelt zu werden, daher werden Getriebe oder Riemenscheibensysteme verwendet, um die Drehzahl eines AC-Generators zu erhöhen.

Drehzahlerhöhende Getriebe sind jedoch komplexe mechanische Elemente, die eine gute Mechanik erfordern Ausrichtung und Schmierung für einen zuverlässigen Betrieb, daher sind Gleichstromgeneratoren mit niedriger Drehzahl ideal für diese Art von Anwendung.

Der Weg zur Erzeugung von Gleichstrom besteht darin, eine Spule in einem Magnetfeld so zu drehen, dass die vom Magnetfeld erzeugten magnetischen Kraftlinien von der sich drehenden Spule geschnitten werden. Wir wissen aus der Schule, dass Magnete zwei Pole haben, Nord- und Südpole, und dass magnetischer Fluss vom Nordpol ausgeht und zum Südpol zurückfließt.

In einem Gleichstromgenerator können wir diesen Magnetkreis zweifach herstellen Wege. Erstens, um einen Teil der Ausgangsleistung des Generators in seine eigenen Feldspulen zurückzuspeisen, um einen Elektromagneten herzustellen, der präzise gesteuert werden kann, oder zweitens, um Permanentmagnete zu verwenden, um den magnetischen Fluss anstelle von Strom in einer Drahtspule zu erzeugen.

Der Vorteil von Permanentmagneten besteht darin, dass keine Feldversorgung erforderlich ist, da das Magnetfeld permanent erregt wird, was die Kosten senkt, und es bedeutet auch, dass es keine I2R-Leistungsverluste in der Magnetfeldwicklung gibt, was zur Steigerung des Generatorwirkungsgrads beiträgt >

Die magnetische Theorie lehrt uns, dass aufgrund der Generatorwirkung eine Spannung in einer Drahtspule induziert wird. Die Wirkung des Generators basiert auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion, bei dem sich eine rechteckige Spule mit N Windungen in einem gleichmäßigen Magnetfeld dreht. Die Magnete und Spulen innerhalb eines Gleichstromgenerators sind so konfiguriert, dass der magnetische Fluss durch die elektrischen Drahtspulen fließt, die die magnetischen und elektrischen Kreise miteinander verbinden.

Alle Gleichstromgeneratoren bestehen aus zwei Teilen, einem Teil genannt der „Stator“, da er stationär ist, und der andere Teil, der sich bewegt oder dreht, der „Rotor“ genannt wird. Im Allgemeinen befindet sich bei einem Gleichstromgenerator das Magnetfeld am Stator und die Stromerzeugungsspulenwicklung am Rotor.

Gleichstromgeneratoren arbeiten, indem sie die Spulen drehen oder an den Magneten vorbeiführen (oder Magnete an den Spulen vorbei), wobei die erzeugte elektrische Energie direkt vom Rotor abgenommen wird, der allgemein als „Anker“ bekannt ist. bei einer Gleichstrommaschine über Kohlebürsten mit dem Magnetfeld, das die Leistung steuert, entweder durch Permanentmagnete, die allgemein als Permanentmagnet-Gleichstromgenerator bezeichnet werden, oder durch gewickelte Spulen, die einen Elektromagneten bilden , um einen Wundfeld-Gleichstromgenerator herzustellen.

Die rotierenden Ankerspulen durchlaufen dieses stationäre oder statische Magnetfeld, das wiederum einen elektrischen Strom in den Spulen erzeugt. Wenn die Ankerspule der Richtung des Magnetflusses des Stators benachbart ist, wird die maximale Spannung in die Spule induziert, da die meisten magnetischen Kraftlinien von der Spule geschnitten werden.

Wenn sich der Anker bewegt, wird seine Spule nun senkrecht zum Magnetfluss des Stators, und es werden keine magnetischen Kraftlinien geschnitten, daher ist die induzierte Spannung in diesem Moment Null. Wenn sich dann der Anker des Generators in einem endlosen Zyklus dreht, unterbrechen seine Spulen ständig die magnetischen Flusslinien und eine Wechselgleichspannung wird in ihnen induziert. Dieser Vorgang wird als “elektromagnetische Induktion” bezeichnet.

Da sich in einem Gleichstromgenerator der Anker bei jeder Umdrehung um volle 360° dreht, muss der erzeugte Strom durch einen sogenannten Kommutator fließen, der aus einem Kupferring besteht, der in Segmente mit Isoliermaterial zwischen den einzelnen Segmenten aufgeteilt ist. Eine Kohlebürstenanordnung in Kontakt mit den Kommutatorsegmenten leitet die elektrische Leistung wie gezeigt zu den Ausgangsanschlüssen.

Konstruktion des DC-Generators

Die Kommutatorsegmente in einem Gleichstromgenerator ersetzen die durchgehenden Schleifringe des Wechselstromgenerators und sind der Hauptunterschied in ihrer Konstruktion. Der Kommutator kehrt mechanisch die Ankerspulenanschlüsse zum externen Stromkreis um und erzeugt eine pulsierende Spannung. Die Ausgangsspannung pulsiert, weil sie „EIN“ wird. oder “OFF”, aber es kehrt niemals die Polarität um, im Gegensatz zu Wechselspannungen und -strömen. Da die Polarität an den Generatoranschlüssen konstant bleibt, ist die Ausgangsspannung DC.

Neben Permanentmagnetgeneratoren können auch Gleichstromgeneratoren eine gewickelte Feldspule aufweisen, um das erforderliche Magnetfeld zu erzeugen. Die Namen, die zur Beschreibung dieser Arten von Gleichstromgeneratoren verwendet werden, hängen von der Beziehung und Verbindung jeder der Magnetfeldspulen in Bezug auf den Anker ab.

Die beiden Grundtypen der Feldwicklungserregung, die für Gleichstromgeneratoren verwendet werden, werden als Selbsterregung und Fremderregung bezeichnet, und je nachdem, welche Form der Felderregung verwendet wird, wird der Gleichstromgenerator entweder als „selbsterregter Generator“ klassifiziert ; oder ein “fremderregter Generator”.

Grundsätzlich ist für einen fremderregten Gleichstromgenerator eine separate externe Gleichspannungsversorgung erforderlich, um den Erregerstrom durch die Feldwicklung zu liefern. Während in einem selbsterregten Gleichstromgenerator die erzeugte Spannung selbst verwendet wird, um die Feldwicklung desselben Gleichstromgenerators wie gezeigt zu erregen.

Klassifizierung von Gleichstromgeneratoren

Die zwei grundlegenden Verbindungen für eine selbsterregte DC-Maschine sind der „Nebenschluss-DC-Generator“, bei dem die Feldwicklung aufgebaut ist mit relativ vielen Windungen eines kleinen Drahtes mit hohem Widerstand, der verwendet wird, um den Stromfluss durch das Feld zu begrenzen, ist parallel oder im Nebenschluss mit dem Anker verbunden.

Der „Seriengewickelte Gleichstromgenerator“, bei dem die Feldwicklung mit relativ wenigen Windungen aus sehr großem Draht mit sehr geringem Widerstand in Reihe mit dem Anker geschaltet ist. Jede Art von DC-Generatorkonstruktion hat ihre eigenen Vor- und Nachteile und welche Sie verwenden, hängt von Ihrer Anwendung ab.

Für Batterieladeanwendungen sind der selbsterregte Gleichstromgenerator mit Nebenschlusswicklung oder ein Permanentmagnet-Gleichstromgenerator am besten geeignet, da ihre Ausgangsspannung über einen großen Drehzahlbereich ziemlich konstant bleibt.

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Beim Laden einer Batterie mit a Gleichstromgenerator muss die Generatordrehzahl zunächst bis zu dem Punkt ansteigen, an dem seine Ausgangsspannung über die Batterieklemmenspannung ansteigt, damit Strom in die Batterie fließen kann. Der zum Drehen des Generators erforderliche Kraftaufwand (sein Eingangsdrehmoment) nimmt zu, und solange das erforderliche Eingangsdrehmoment von den Rotorblättern des Generators geliefert werden kann, wird die Batterie weiter aufgeladen.

Der Strom oder die Stromstärke eines Gleichstromgenerators bei jeder Drehzahl wird nur von der angeschlossenen Batterielast und nicht von seiner Drehzahl bestimmt. Sobald der Akku voll aufgeladen ist, fließt kein Ladestrom mehr und die Last verschwindet quasi.

Wenn der PMDC-Generator weiterhin von den Blättern angetrieben wird, steigt die Klemmenspannung des Generators, und egal wie hoch die Klemmenspannung wird, wenn keine Last an den Generator angeschlossen ist, fließt kein Strom. Auch wenn Sie einen Gleichstromgenerator ohne Last betreiben, ist der Strom immer Null, egal wie hoch seine Drehzahl ist.

Wenn Sie Batterien mit einem Gleichstromgenerator laden, müssen Sie einen Spannungsregler und einen Dummy verwenden ohmsche Last zum Schutz der Batterie oder um den Generator vollständig von der Batterie zu trennen, wenn der Ladestrom auf Null abfällt oder die Batterieklemmenspannung ihren Nennwert überschreitet.

Der Gleichstromgenerator ist eine der Schlüsselkomponenten eines Windturbinen- oder Wasserturbinensystems, und wie wir gesehen haben, gibt es verschiedene Optionen, die sich in ihrer Komplexität und der Art der Ausgangsleistung, die sie liefern können, unterscheiden. Gleichstromgeneratoren können selbsterregt oder fremderregt sein. Sogar ein einfacher elektrischer Generator kann mit festen Permanentmagneten konstruiert werden, um einen Permanentmagnetgenerator zu schaffen.

Die Erfindung des Gleichstromgenerators hat unser Leben erleichtert. Da aber Anker, Bürsten, Kommutatoren und Wicklungen komplex sind und viel Geld kosten, wurden viele Gleichstromgeneratoren durch moderne Wechselstromgeneratoren und Induktionsmaschinen ersetzt, die sparsamer sind und weil Gleich- oder Gleichstromspannungen und -ströme verwendet werden erforderlich, kann durch elektronische Gleichrichter erzeugt werden.

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