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EIN Dynamo oder Gleichstromgenerator ist eine Maschine, in der mechanische Energie, das durch eine rotierende Welle eindringt, wird umgewandelt in elektrische Gleichstromenergie. Das Gegenteil des Dynamos ist der Gleichspannungs Motor, bei dem elektrische Gleichstromenergie in mechanische Energie umgewandelt wird.

Der Dynamo (der griechischαμις (Dunamis): Körperstärke, Kraft, Truppen) war früher ein anderer Name für Stromgenerator, aber – nach der Entwicklung der Generator – hauptsächlich verwendet, um Generatoren zu bezeichnen, die Gleichstrom mit a . erzeugen Kommutator. Die Lichtmaschine von a Fahrrad ist aber immer noch Dynamo erwähnt.

Eine kleine 3 Phasen Generator mit eingebautem Gleichrichter und 14 V Spannungsregler, verwendet in modernen Fahrzeugen und Schiffen

Erfinder

Der englische Physiker und Chemiker Michael Faraday entdeckte das Prinzip der Elektromagnetische Induktion und legte damit den Grundstein für die Lichtmaschine und den Elektromotor.

Konstruktion

Obwohl sich die einzelnen Versionen unterscheiden können, besteht jede Lichtmaschine im Wesentlichen aus den folgenden Teilen:

• Das Stator, der stationäre Teil aus Stahlguss, in dem das Magnetfeld gebildet wird. Für kleine Versionen von einem oder mehreren Permanentmagnete, in den größeren Versionen von Elektromagnete (Feldspulen). Das im Stator erzeugte Magnetfeld wird als Erreger- oder Erregerfeld bezeichnet.
• Es Anker (oder Rotor) mit Kommutator: das rotierende Teil mit den Ankerspulen, in dem die Spannung erzeugt wird. Zu Eisenverlust Um dies zu begrenzen, besteht der Anker aus einer Vielzahl von Ankerdosen aus Weicheisen, die durch eine dünne Lackschicht gegeneinander isoliert sind. Die Enden der Ankerspulen sind mit den Kupferlamellen des Kommutators verbunden. Die Lamellen sind mit Platten gegeneinander isoliert Mikanit.
• Die Bürstenbrücke mit dem Kohlebürsten, die auf dem Kommutator aufliegen. Dieser entnimmt dem rotierenden Anker den Strom.
• Wie bei Gleichstrommotoren werden bei größeren Generatoren Hilfs- und/oder Ausgleichswicklungen im Stator eingebaut, um die Auswirkungen von Ankerreaktion einzuschränken oder abzuschaffen.

Historische Meilensteine

Pixiis Lichtmaschine mit Kommutator

Pacinottidynamo

Kleiner grammierter Dynamo

Pixiis Dynamo

Beyogen auf Michael Faraday's Prinzip von Elektromagnetismus wurde in 1832 der erste dynamo gebaut von Hippolyte Pixii, ein französischer Instrumentenbauer. Pixii verwendet a Hufeisenmagnet, die manuell mit einer Kurbel gedreht wurde. Der rotierende Permanentmagnet wurde so positioniert, dass sich Nord- und Südpol abwechselnd entlang eines mit Draht umwickelten Eisenkerns bewegten. Pixii fand heraus, dass der sich drehende Magnet jedes Mal, wenn ein Pol die Spule passierte, Stromimpulse in den Spulen erzeugte. Der Nord- und Südpol des Magneten induzierten gegenläufige Ströme, so dass a Wechselstrom entstanden. Durch eine Kommutator Pixii konnte den Wechselstrom in a . umwandeln DC.

Jedliks Dynamo

Im 1827 begann der Ungar nyos Jedlik Experimentieren mit rotierenden elektromagnetischen Geräten, die er elektromagnetische Selbstrotoren nannte. Bei seinem Prototyp des unipolaren Elektrostarters waren sowohl die festen als auch die rotierenden Teile elektromagnetisch. Im Wesentlichen ging es dabei um die Verwendung von zwei gegenüberliegenden Elektromagneten anstelle von Permanentmagneten. Da Elektromagnete viel stärkere Magnetfelder liefern können, konnte Jedliks Dynamo höhere Spannungen erzeugen und damit größere Leistungen liefern.

Im 1859 er entdeckte das Prinzip der Elektrodynamik Selbstermächtigung bei Dynamos. In seinen Tagebüchern beschrieb er, dass die geringe Menge an Restmagnetismus in einem Elektromagneten gelassen, erwies sich als stark genug, um seine Lichtmaschine zu starten. Im 1861 er baute den "einpoligen dynamo", der sich diese selbsterregung zunutze machte. So formulierte er mindestens sechs Jahre zuvor das Konzept des modernen Dynamos Werner von Siemens und Charles Wheatstone würde das machen.

Doppel-T-Anker

Ein weiterer wichtiger Schritt nach vorn war die Einführung des Doppel-T-Anker von Werner von Siemens rund um das Jahr 1857. Dieser Anker besteht aus einem zylindrischen Eisenkern mit zwei Nuten, in denen die Ankerwicklung angeordnet ist. Durch den kleinen Luftspalt zwischen Anker und Magnet ist die magnetischer Fluss ziemlich groß, so dass die Lichtmaschine von Siemens viel mehr Leistung liefern könnte.

Im 1867 Siemens hat das Prinzip der Eigenerzeugung (wieder)entdeckt und ermöglicht damit noch stärkere Dynamos für seine Telegrafiesysteme bauen könnte.

Gramming-Dynamo

Beide oben genannten Designs hatten das gleiche Problem: Sie induzierten "peak"-förmige Ströme. Antonio Pacinotti, ein italienischer Wissenschaftler, löste dies, indem er den rotierenden zweipoligen Rotor durch einen mehrpoligen Rotor ersetzte, der um einen Eisenring gewickelt war. Dadurch war sichergestellt, dass sich immer ein Teil der Rotorspule im Magnetfeld befand und die Lichtmaschine somit einen gleichmäßigeren Strom lieferte.

Zenobe Gramm dieses Konzept einige Jahre später neu entwickelt und verbessert, als er 1869 machte den ersten kommerziellen Dynamo. Dieses Design, jetzt bekannt als das Grammdynamo, war ein Dauerstromdynamo, der viel höhere Spannungen erzeugen konnte als die damals bekannten Dynamos. Später entdeckte er, dass das Gerät reversibel war und auch als Gleichspannungs Motor funktionieren könnte.

Der Ring von Gramme wurde weiter verbessert, aber das Konzept des Dynamos blieb gleich: nämlich ein rotierender, gewickelter Rotor mit Kommutator in einem elektromagnetischen Erregerfeld.

Operation

Das Drehen des Ankers wird Induktion in den Wicklungen eine Spannung – oder elektromotorische Kraft (EMF) – aufgeregt sein. Die Höhe der erzeugten Spannung ergibt sich aus der Formel:

${displaystyle E_{r}=ccdot omega _{r}cdot Phi }$

Darin ist:

${displaystyle E_{r}}$ die Ankerspannung in Volt (V)

${Anzeigestil c}$ die Konstruktionskonstante des Dynamos

${displaystyle omega_{r}}$ die Winkelgeschwindigkeit des Rotors in rad sec⁻¹

${Anzeigestil Phi}$ das Polarfluss des Anregungsfeldes in weber (Wb)

Unter anderem durch den Innenwiderstand des Dynamos ergibt sich bei Stromentnahme eine Spannung an den Ausgangsklemmen des Dynamos:

${displaystyle U_{k}=E_{r}-I_{a}cdot R_{a}-U_{c}}$

Darin ist:

${displaystyle U_{k}}$ die Klemmenspannung in Volt (V)

${displaystyle I_{a}}$ in den Ankerstrom Ampere (EIN)

${displaystyle R_{a}}$ der Widerstand des Ankers in Ohm (Ω)

${Displaystil U_{c}}$ der Spannungsabfall des Kommutators in Volt (V)

Wenn die Lichtmaschine belastet wird, fließt ein Strom durch die Ankerwicklung. Im Magnetfeld wird dieser Strom Lorentzkraft erregen. Im Gegensatz zum Antriebsmoment ist dieser Ankerstrom ${displaystyle I_{a}}$ ein Gegenpaar ${displaystyle T_{t}}$ erschaffen:

${displaystyle T_{t}=ccdot Phi cdot I_{a}}$

Darin ist:

${displaystyle T_{t}}$ das Gegenmoment in Newtonmeter (Nm)

${Anzeigestil c}$ die Konstruktionskonstante des Dynamos

${Anzeigestil Phi}$ der polare Fluss des Anregungsfeldes in weber (Wb)

${displaystyle I_{a}}$ der Ankerstrom in Ampere (A)

Ausführungsformen

Die Erregungsart – die Erzeugung des Magnetfelds im Stator – bestimmt maßgeblich das Verhalten des Generators. Die gängigsten Ausführungsformen sind:

Permanentmagnete

Da der magnetische Fluss von Permanentmagneten relativ klein ist, werden sie hauptsächlich in Generatoren mit geringer Leistung verwendet. Der Vorteil besteht darin, dass solche Generatoren kleiner, effizienter und zuverlässiger sind. Da Permanentmagnete einen konstanten magnetischen Fluss liefern, ist die Klemmenspannung proportional zur Drehzahl.

Separate Ermächtigung

Generatorspannungsregelung

Bei einem fremden oder fremderregten Wechselstromgenerator werden die Erregerspulen in Form von Elektromagneten aus einer separaten Gleichstromquelle, beispielsweise einer Batterie, einer gleichgerichteten Wechselspannung oder einem anderen Wechselstromgenerator gespeist.

Da die Höhe der erzeugten Spannung vom magnetischen Fluss der Feldwicklung abhängt, kann sie durch Variation des Stroms im Feldkreis gesteuert werden. Die Steuerung des Erregerstroms kann durch eine Reihenschaltung mit der Feldwicklung erfolgen Rheostat Rv aufzeichnen, den Feldcontroller.

Der Feldregler ist oft mit einem Öffner ausgestattet, um die Feldwicklung im ausgeschalteten Zustand kurzzuschließen. Dies verhindert hohe Induktionsspannungen. In der kurzgeschlossenen Feldkette wird noch vorhandene magnetische Energie in Wärme umgewandelt.

Da die Spannungsregelung sehr sanft erfolgt, eignet sich diese Bestromungsform besonders für die Versorgung von Gleichstrommotoren mit starker Wechselbelastung, die Ward-Leonard-Schaltung.

Eigene Bestätigung

Bei selbsterregten Generatoren wird der Strom für die Elektromagneten vom Generator selbst geliefert, indem die Feldwicklung parallel zur Ankerwicklung geschaltet wird. Ein Dynamo mit Selbsterregung wird durch den Restmagnetismus in den Polkernen gespeist. Das geht so:

• Durch das schwache Restmagnetfeld erzeugt der rotierende Anker eine kleine Spannung, die sogenannte Restspannung.
• Diese Restspannung erzeugt einen kleinen Strom in den Feldspulen.
• Bei richtiger Richtung wird das Magnetfeld verstärkt.
• Die im Anker erzeugte Spannung steigt weiter an.
• Der Strom in den Feldspulen nimmt zu und das Feld wird weiter verstärkt.

Dies geht so lange, bis die Magnetkerne gesättigt sind und die Ankerspannung nicht mehr ansteigt. Wenn jedoch die Stromrichtung durch die Feldspulen falsch ist, verschwindet der remanente Magnetismus von den Polkernen und der Dynamo erreicht keine Spannung. Der Generator kann nur gespeist werden, indem die Feldwicklung an eine externe Spannungsquelle angeschlossen wird. Im autarken Zustand kann der Dynamo nicht zu stark belastet werden. In diesem Fall wählt der Strom den Weg des geringsten Widerstands (die angeschlossene Last) und lässt zu wenig für die Statormagnete übrig. In diesem Fall nimmt die Spannung bei laufendem Generator schnell ab und verschwindet vollständig. Daher ist auch bei hohen Lasten eine externe Spannungsquelle erforderlich.

Bei Shunt-Erregung wird die Shunt-Wicklung direkt an die Ausgangsklemmen angeschlossen. Um den Kupferverlust zu begrenzen, wird die Nebenschlusswicklung mit vielen Windungen aus dünnem Draht hergestellt. Durch den Spannungsverlust in den Ankerwicklungen nimmt das Feld mit zunehmender Belastung leicht ab, wodurch auch die erzeugte Ankerspannung abnimmt.

Um dies zu verhindern, ist eine zweite Feldwicklung enthalten, eine Reihenwicklung, die mit der Ankerwicklung in Reihe geschaltet ist. Diese Ausführungsform wird Verbundbetätigung genannt. Mit steigendem Ankerstrom nimmt die Feldstärke in der Reihenwicklung zu und kompensiert damit die abnehmende Feldstärke der Nebenschlusswicklung. Die Klemmenspannung wird dann lastunabhängig.

Leistungsumwandlung

In einer Lichtmaschine wird mechanische Leistung nach folgender Formel in elektrische Leistung umgewandelt:

${displaystyle Tcdot omega _{r}=P_{ ext{mech}}Longleftrightarrow P_{ ext{elek}}=E_{r}cdot I_{a}}$

Nicht alle mechanische Leistung wird in Strom umgewandelt. Ein Teil der zugeführten Leistung geht verloren und wird in der Maschine als Wärme abgegeben. Diese Leistungsverluste sind:

• Mechanische Verluste ${displaystyle P_{ ext{m}}}$: Reibungsverluste durch Lager, Bürsten am Kollektor und Lüfter des Generators.
• Eisenverluste${displaystyle P_{ ext{fe}}}$: Hysterese und Wirbelstromverluste in der ferromagnetischen Kette von Rotor und Polschuhen.
• Kupferverluste${displaystyle P_{ ext{cu}}}$: Joule-Verluste in Anker-, Erreger-, Hilfs- und/oder Kompensationswicklungen.

Die elektrische Nutzleistung P_nein lässt sich dann berechnen mit:

${displaystyle P_{ ext{n}}=U_{k}cdot I=(E_{r}cdot I_{a})-P_{ ext{cu}}=P_{ ext{as}}-P_{ ext{m }}-P_{ ext{fe}}-P_{ ext{cu}}}$

Effizienz

Die Rückkehr ${displaystyle eta }$ eines Generators ist das Verhältnis der elektrischen Nutzleistung ${displaystyle P_{ ext{n}}}$ zur Antriebswellenleistung ${displaystyle P_{ ext{as}}}$:

${displaystyle eta ={frac {P_{ ext{n}}}{P_{ ext{as}}}}={frac {P_{ ext{n}}}{P_{ ext{n}} P_{ ext{m }} P_{ ext{fe}} P_{ ext{cu}}}}}}$

Der Gesamtwirkungsgrad einer Lichtmaschine hängt vom Laststrom ab und liegt zwischen 80 und 94 %.^[1]

Anwendungen

Durch die verbesserte Technik der Gleichrichter ist der Einsatzbereich von Generatoren stark zurückgegangen. Dynamos werden bzw. wurden in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Tachogenerator in der Mess- und Regeltechnik.
• Vor der Ankunft der Leistungselektronik Dynamos waren weit verbreitet in Drehwandler zum Umwandeln einer Art elektrischer Energie in eine andere gewünschte Art und mit der gewünschten Spannung und Frequenz.
• Auch in Steuerungssystemen, wie z Ward-Leonard-Schaltung, einem Geschwindigkeitsregelsystem mit Gleichstrommaschinen, wurden Dynamos als Drehumformer verwendet.
• Im Kraftwerke Dynamos werden manchmal noch verwendet, um die Gleichspannung für die Erregung der Erregerspulen der Lichtmaschinen (Lichtmaschinen).
• Stromversorgung aus DC-Netzen, zum Beispiel für Laborzwecke und zum Laden von Batterien.
• Auf Fahrräder wird ein Fahrraddynamo verwendet, um Strom für die Beleuchtung bereitzustellen. Der Fahrraddynamo ist eigentlich ein Generator, da statt Gleichspannung Wechselspannung erzeugt wird. Der am häufigsten verwendete Fahrraddynamo wird vor dem Gebrauch gegen den Vorderreifen gedrückt. Es gibt auch Dynamos, die wie eine Rolle gegen den Hinterreifen laufen. Bei modernen Fahrrädern ist der Dynamo manchmal in die Radnabe eingebaut, dies wird als Nabendynamo bezeichnet.

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