Η Γεννήτρια Ηλεκτρικού ρεύματος

Κάθε ηλεκτρική µηχανή αποτελείται από δύο κύρια τµήµατα. Τα ακίνητο τµήµα της µηχανής ονοµάζεται στάτης και το στρεφόµενο τµήµα δροµέας.






στάτης




δροµέας


Το ζύγωμα είναι το κυλινδρικό μέρος του στάτη και είναι έτσι διαμορφωμένο στο κάτω μέρος του, ώστε να αποτελεί και τη βάση για τη στήριξη της μηχανής.Στο εσωτερικό μέρος του ζυγώματος στερεώνονται, συνήθως με βίδες, οι πόλοι της μηχανής. Οι πόλοι χρησιμεύουν, για να δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο, μέσα στο όποιο περιστρέφεται το επαγωγικό τύμπανο.

Κάθε πόλος αποτελείται από τον πυρήνα και το τύλιγμα, που είναι ηλεκτρικά μονωμένα μεταξύ τους.






Ο πυρήνας κατασκευάζεται συνήθως από ειδικά σιδερένια ελάσματα (μαγνητικά ελάσματα), τα όποια κόβουμε στη μορφή που φαίνονται στο σχήμα . Όταν πολλά τέτοια ελάσματα ενώνονται μεταξύ τους με μακριά καρφιά,αποτελούν τον πυρήνα του πόλου.Το τύλιγμα κάθε πόλου αποτελείται από πολλές σπείρες μονωμένου χάλκινου σύρματος, οι οποίες, αφού διαμορφωθούν σε ένα καλούπι στη μορφή που δείχνει το σχήμα , τυλίγονται με βαμβακερή ταινία και βαπτίζονται σε μονωτικό βερνίκι.

Τα άκρα του τυλίγματος μένουν ελεύθερα, διότι μέσα από αυτά διοχετεύουμε το ηλεκτρικό ρεύμα που θα δημιουργήσει το μαγνητικό πεδίο.


Σε πολλές μηχανές συνεχούς ρεύματος έχουμε δύο τυλίγματα σε κάθε πόλο, το ένα ανεξάρτητο από το άλλο. Στις περιπτώσεις αυτές το ένα τύλιγμα αποτελείται από πολλές σπείρες λεπτου σύρματος και ονομάζεται παράλληλο τύλιγμα, το δε άλλο από λίγες σχετικά σπείρες χονδρού σύρματος και ονομάζεται τύλιγμα σειράς.


Αφού τυλιχθεί ξεχωριστά κάθε τύλιγμα με βαμβακερή ταινία, μετά τυλίγονται και τα δύο μαζί όπως δείχνει το σχήμα.



Από κάθε τύλιγμα μένουν πάλι ελεύθερα τα δύο του άκρα. Τα τυλίγματα αυτά ονομάζονται σύνθετα τυλίγματα. Αφού διαμορφωθεί τύλιγμα, όπως περιγράψαμε παραπάνω, τοποθετείται στον πυρήνα του πόλου όπως φαίνεται στο σχήμα.






Το σχήμα αυτό δείχνει ένα πλήρη μαγνητικό πόλο μηχανής συνεχούς ρεύματος. Πολλές φορές μεταξύ του τυλίγματος και του πυρήνα παρεμβάλλουμε ένα στρώμα από μονωτικό χαρτί για να έχουμε καλύτερη μόνωση μεταξύ τους. Ο πόλος τοποθετείται κατόπιν στο εσωτερικό του ζυγώματος και στερεώνεται στη θέση του με βίδες. Το πλατύτερο μέρος του πυρήνα, που τοποθετείται προς το κέντρο του ζυγώματος, ονομάζεται πέδιλο τον πόλου. Ανάλογα με τον αριθμό των πόλων που έχει μια μηχανή ονομάζεται διπολική, τετραπολική, εξαπολική κ.λ.π. Οι ηλεκτρικές μηχανές έχουν πάντα άρτιο αριθμό πόλων.

Όπως είπαμε, ο δρομέας είναι το περιστρεφόμενο μέρος της μηχανής. Τα κυριότερα μέρη του δρομέα είναι το επαγωγικό τύ­μπανο και δ συλλέκτης που είναι στερεωμένα επάνω στον άξονα και στρέφονται μαζί μ' αυτόν. Το επαγωγικό τύμπανο πιάνει τον χώρο που αφήνουν Ελεύθερο οι πόλοι στο κέντρο της μηχανής. Μεταξύ των πέδιλων των πόλων και του επαγωγικού τυμπάνου υπάρχει ένα ομοιόμορφο μικρό διάκενο που επιτρέπει στο τύμπανο να περιστρέφεται ελεύθερα.

Το επαγωγικό τύμπανο αποτελείται από τον πυρήνα του τυμπάνου και από το τύλιγμα. Ο πυρήνας κατασκευάζεται από πολλά μαγνητικά ελάσματα, το ένα κοντά στο άλλο, τα οποία έχουν κοπεί σε ειδικές πρέσες στη μορφή του σχήματος. Τα ελάσματα αυτά στερεώνονται, στον άξονα του δρομέα με τη βοήθεια μιας σφήνας έτσι, ώστε τα δόντια να σχηματίζουν αυλάκια παράλληλα προς τον άξονα , που ονομάζουμε λούκια. Ένα λούκι με το διπλανό του δόντι αποτελεί μία οδόντωση του επαγωγικού τυμπάνου.




Το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου είναι η καρδιά της μηχανής. Μέσα σε αυτό γεννιέται η ηλεκτρεγερτική δύναμη που δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα. Το τύλιγμα αποτελείται από σπείρες μονωμένου χάλκινου σύρματος που τοποθετούνται μέσα στα λούκια των οδοντώσεων.Στις μικρές διπολικές μηχανές οι σπείρες τυλίγονται με το χέρι επάνω στον πυρήνα του τυμπάνου, όπως φαίνεται στο σχήμα. Στις περιπτώσεις αυτές τοποθετούμε πρώτα μέσα στα λούκια μονωτικό χαρτί (συνήθως πρεσπάν), για να μη ακουμπά το μονωμένο σύρμα στον πυρήνα και μετά κάνουμε την περιέλιξη. Τα τυλίγματα αυτά ονομάζονται χειροποίητα τυλίγματα. Στις μεγαλύτερες μηχανές οι σπείρες του τυλίγματος διαμορφώνονται πρώτα κατά ομάδες σε ειδικά καλούπια ή σε ειδικές μηχανές και έπειτα τοποθετούνται μέσα στις οδοντώσεις του τυμπάνου. Κάθε ομάδα αποτελείται από πολλές σπείρες μονωμένου σύρματος, οι οποίες περιτυλίγονται λες μαζί με μονωτική ταινία.







Το σχήμα δείχνει μία ομάδα τυλίγματος στην τελική της μορφή. Κάθε ομάδα έχει δύο άκρα που είναι τα άκρα του μονωμένου σύρματος, από το οποίο έχουν κατασκευαστεί οι σπείρες της. Τα άκρα αυτά, όπως θα εξηγήσουμε στα επόμενα, συνδέονται με τον συλλέκτη.Το μέρος της ομάδας που τοποθετείται μέσα στο λούκι ονομάζεται στοιχείο. Κάθε ομάδα έχει, λοιπόν, δύο στοιχεία. Οι ομάδες τοποθετούνται στις οδοντώσεις του τυμπάνου κατά τέτοιο τρόπο, ώστε σε κάθε λούκι να υπάρχουν δύο στοιχεία από δύο διαφορετικές ομάδες, το ένα επάνω στο άλλο. Το πιο πάνω σχήμα δεί­χνει πώς γίνεται ή τοποθέτηση αυτή.



Σε μερικές μηχανές το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου αποτελείται από ομάδες που κάθε μια έχει μόνο μία σπείρα. Στην περίπτωση αυτή οι σπείρες είναι κατασκευασμένες από χάλκινες ράβδους ορθογωνικής διατομής, οι όποιες, αφού διαμορφωθούν πρώτα στο κατάλληλο σχήμα και μονωθούν με μονωτική ταινία, τοποθετούνται στις οδοντώσεις του τυμπάνου. Το σχήμα δείχνει ένα τέτοιο τύλιγμα.

Για να συγκρατείται το τύλιγμα στη θέση του, όταν περι­στρέφεται το επαγωγικό τύμπανο, τοποθετούμε σφήνες στα άκρα των οδοντώσεων, . Το σχήμα αυτό, που παριστάνει την τομή μιας οδοντώσεως επαγωγικού τυμπάνου, δείχνει και πώς είναι τοποθετημένα τα δύο στοιχεία από δια­φορετικές ομάδες, που, όπως είπαμε, υπάρχουν μέσα σε κάθε λού­κι. Εκτός από τις σφήνες που συγκρατούν τα στοιχεία των ομάδων μέσα στα λούκια, για μεγαλύτερη ασφάλεια δένομε περιφε­ρειακά με χαλυβδόσυρμα και τα μέρη του τυλίγματος που βρί­σκονται έξω από τις οδοντώσεις και από τις δύο πλευρές του πυ­ρήνα του τυμπάνου.




Ό συλλέκτης είναι κατασκευασμένος από πολλά χάλκινα ελάσματα, διαμορφωμένα όπως δείχνει το σχήμα, που ονομάζονται τομείς του συλλέκτη. Οι τομείς στερεώνονται ανάμεσα σε δύο σιδερένια δακτυλίδια, όπως φαίνεται στο σχήμα, ώστε να σχηματίζουν την κυλινδρική επιφάνεια του συλλέκτη.







Κάθε τομέας μονώνεται από τους διπλανούς του και από το σώμα της μηχανής με μίκα. Στις εγκοπές που φέρουν οι τομείς συγκολλούνται τα άκρα των ομάδων από το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου.







Ο ψηκτροφορέας αποτελείται από ένα σιδερένιο δακτυλίδι, επάνω στο όποιο στερεώνονται δύο ή τέσσερεις ή και περισσότεροι βραχίονες. Ο ψηκτροφορέας του σχήματος έχει τέσσερεις βραχίονες. Οι βραχίονες είναι ηλεκτρικά μονωμένοι από το δακτυλίδι του ψηκτροφορέα. Στους βραχίονες στηρίζονται οι ψηκτροθήκες, που είναι μεταλλικές θήκες, μέσα στις όποιες τοποθετούνται οι ψήκτρες. Κάθε βραχίονας μπορεί να έχει περισσότερες από μία ψηκτροθήκες το σχήμα δείχνει ένα βραχίονα με δύο ψηκτροθήκες.




Οι ψήκτρες είναι κατασκευασμένες από σκληρό άνθρακα ή από γραφίτη (φυσικό άνθρακα) ή από μίγμα άνθρακος και χαλκού (μεταλλικές ψήκτρες). Στο ένα άκρο της ψήκτρας στερεώνεται ένα ευλύγιστο χάλκινο σύρμα, όπως φαίνεται στο σχήμα. Το σύρμα αυτό χρησιμεύει για να οδηγεί το ηλεκτρικό ρεύμα από την ψήκτρα στο ν αγωγό, που τη συνδέει με ένα από τους ακροδέκτες της μηχανής.




Όπως είπαμε και παραπάνω, οι ψήκτρες τοποθετούνται μέσα στις ψηκτροθήκες και πιέζονται επάνω στον συλλέκτη με μικρά ελατήρια που διακρίνονται στο σχήμα. Τα ελατήρια αυτά ρυθμίζονται έτσι, ώστε η πίεση που ασκεί η ψήκτρα επάνω στο συλλέκτη να μην είναι πολύ μεγάλη γιατί τότε θα φθαρεί γρήγορα η ψήκτρα, αλλά ούτε και πολύ μικρή γιατί τότε δεν θα έχουμε καλή επαφή μεταξύ συλλέκτη και ψήκτρας. Ο ψηκτροφορέας στερεώνεται στο κάλυμμα της μηχανής που βρίσκεται στην πλευρά που είναι ο συλλέκτης. Η στερέωση αυτή γίνεται με τη βοήθεια του σιδερένιου δακτυλιδιού του ψηκτροφορέα κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορούμε όταν θέλουμε να στρέφουμε λίγο τον ψηκτροφορέα.Όπως θα δούμε αργότερα, η θέση των ψηκτρών σχετικά με τους μαγνητικούς πόλους της μηχανής είναι ορισμένη. θα πρέπει, λοιπόν, στρέφοντας λίγο τον ψηκτροφορέα, να μπορούμε να μεταθέτουμε τις ψήκτρες, ώστε να παίρνουν τη σωστή τους θέση.










Διέγερση των μηχανών συνεχούς ρεύματος.



Στην περιγραφή της κατασκευής των μηχανών συνεχούς ρεύματος αναφέραμε ότι οι πόλοι χρησιμεύουν για να δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο μέσα στο όποιο περιστρέφεται το επαγωγικό τύμπανο της μηχανής. Το μαγνητικό πεδίο το δημιουργούμε τροφοδοτώντας τα τυλίγματα των πόλων με συνεχές ρεύμα. Το σχήμα παριστάνει σχηματικά μια διπολική μηχανή, της όποιας τα δύο τυλίγματα των πόλων έχουν συνδεθεί σε σειρά και τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα από μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Όπως είναι γνωστό, το ηλεκτρικό ρεύμα περνώντας μέσα από τα τυλίγματα των πόλων θα δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Η διεύθυνση των μαγνητικών γραμμών αυτού του πεδίου εξαρτάται από την φορά του ρεύματος, τη βρίσκουμε δε εφαρμόζοντας τον κανόνα του δεξιόστροφου κοχλία. Σύμφωνα με τη φορά του ρεύματος, που είναι σημειωμένη επάνω στα τυλίγματα, οι μαγνητικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου θα έχουν διεύθυνση από κάτω προς τα επάνω μέσα στους πυρήνες των πόλων και στο τύμπανο. Δηλαδή, αν φαντασθούμε το ζύγωμα και τους πόλους με το τύλιγμα σαν ένα ηλεκτρομαγνήτη, τότε ο κάτω πόλος θα είναι ο βόρειος και ο επάνω ο νότιος. Οι μαγνητικές γραμμές ξεκινούν από το βόρειο πόλο, περνούν το διάκενο, μετά το επαγωγικό τύμπανο, περνούν το επάνω διάκενο, μπαίνουν στον νότιο πόλο και, για να ξαναγυρίσουν από εκεί που ξεκίνησαν, ακολουθούν τις δύο πλευρές του ζυγώματος από επάνω προς τα κάτω.

Αν αλλάξουμε τη διεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος που περνά μέσα από τα τυλίγματα των πόλων, τότε η πολικότητά τους θα αλλάξει. Δηλαδή, ο βόρειος πόλος θα γίνει νότιος και ο νότιος βόρειος. Οι μαγνητικές γραμμές θα ακολουθούν τώρα διαδρομή αντίθετη από αυτήν που περιγράψαμε παραπάνω. Σε μια τετραπολική μηχανή κάνουμε τη σύνδεση των τυλιγμάτων των πόλων έτσι, ώστε να έχουμε διαδοχικά ένα βόρειο πόλο έπειτα ένα νότιο, πάλι βόρειο και νότιο.







Η ίδια διαδοχή των πόλων υπάρχει και στις μηχανές με περισσότερους από τέσσερεις· πόλους. Η δημιουργία του μαγνητικού πεδίου μιας γεννήτριας ή ενός κινητήρα από το ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται διέγερση της μηχανής. Το τύλιγμα των πόλων ονομάζεται τύλιγμα διεγέρσεως της μηχανής και το ηλεκτρικό ρεύμα, που περνά μέσα από αυτό, ρεύμα διεγέρσεως.

Ηλεκτρεγερτική δύναμη.

Είδαμε ότι το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου αποτελείται από πολλές σπείρες μονωμένου χάλκινου αγωγού τοποθετημένες στις οδοντώσεις του τυμπάνου. Για να αντιληφθούμε την αρχή με την οποία λειτουργούν οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος, ας φαντασθούμε ένα επαγωγικό τύμπανο που να έχει μία μόνο οδόντωση με ένα αγωγό μέσα στο λούκι της. Το τύμπανο περιστρέφεται, όπως δείχνει το τόξο στο σχήμα, μέσα στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν οι δύο πόλοι της μηχανής.

Έχουμε λοιπόν, στην από όλη αυτή μηχανή που περιγράψαμε παραπάνω, ένα αγωγό που κινείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Όπως ξέρουμε, ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή (η.ε.δ.) θα δημιουργηθεί μέσα στον αγωγό αυτόν. Η διεύθυνση που θα έχει η ηλεκτρεγερτική δύναμη δίνεται από τον κανόνα τον δεξιού χεριού, όπως τον εξηγεί το σχήμα . Δηλαδή, μέσα στον αγωγό που κινείται από αριστερά προς τα δεξιά, θα δημιουργηθεί, τη στιγμή που δείχνει το σχήμα, ηλεκτρεγερτική δύναμη που θα διευθύνεται από τα έξω προς τα μέσα, όπως τη δείχνει το βέλος δίπλα στον αγωγό. Το μαγνητικό πεδίο διευθύνεται πάντα από το βόρειο πόλο (Β) προς το νότιο (Ν), δηλαδή, στο σχήμα, από τα επάνω προς τα κάτω.




Το μέγεθος της ηλεκτρεγερτικής δυνάμεως, που δημιουργείται στον αγωγό, εξαρτάται από το πόσο ισχυρό είναι το μαγνητικό πεδίο, δηλαδή, εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και από την ταχύτητα με την οποία κινείται ο αγωγός, δηλαδή από τον αριθμό στροφών του τυμπάνου στο λεπτό. Όσο πιο ισχυρό είναι το μαγνητικό πεδίο και όσο πιο μεγάλη είναι η ταχύτητα περιστροφής του τυμπάνου, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ηλεκτρεγερτική δύναμη του αγωγού.

Η ηλεκτρεγερτική δύναμη του αγωγού αλλάζει διεύθυνση, όταν αλλάξουμε πολικότητα στους μαγνητικούς πόλους της μηχανής. Το ίδιο αποτέλεσμα έχει και η αλλαγή της φοράς περιστροφής του επαγωγικού τυμπάνου, όταν δεν αλλάξει η πολικότητα των πόλων. Αυτά εξηγούνται εύκολα με τη βοήθεια πάντα του κανόνα του δεξιού χεριού. Ας υποθέσουμε τώρα ότι το τύμπανο έχει και δεύτερη οδόντωση, σε θέση διαμετρικά αντίθετη με την πρώτη (180°), και ότι μέσα σ' αυτήν υπάρχει επίσης ένας αγωγός Και στον δεύτερο αυτόν αγωγό θα δημιουργηθεί επίσης ηλεκτρεγερτική δύναμη, η οποία όμως θα διευθύνεται απ τα μέσα προς τα έξω) (σύμφωνα πάλι με τον κανόνα του δεξιού χεριού), τη στιγμή που στον πρώτο αγωγό διευθύνεται αντίθετα. Δηλαδή, αν τους δύο αγωγούς τους συνδέσουμε όπως δείχνει το σχήμα , τότε οι ηλεκτρεγερτικές τους δυνάμεις θα ενεργούν κατά την ίδια φορά μέσα στη σπείρα που σχηματίζεται και συνεπώς θα αθροίζονται.

Πηγή: Ίδρυμα Ευγενίδου "Η βιβλιοθήκη του τεχνίτη: Ηλεκτροτεχνία Β'"Ασπιώτη _ΕΛΚΑ ΑΕ 1954

Κατασκευή συγχρόνων γεννητριών