Az egyenáramú gépek felépítése

Az ábra mutatja az egyenáramú gép elvi felépítését. A tömör acélból készült 1 állórész koszorún helyezkednek el a 2 pólusok, melyek nagyteljesítményű gépeknél két részből állnak: a pólustörzs tömör kovácsolt acél, a pólussaru lemezelt vas. Kis és közepes teljesítményű gépeknél az egész pólus lemezelt. A pólustörzseken elhelyezett tekercsekben gerjesztőáram létesíti a gép pólusfluxusát, mely a pólusokon, az álló- és forgórész koszorún át záródik az ábrán látható módon.

Az armatúra dobtekercselése

A 3 forgórész koszorú dinamó lemezből készül, hornyaiban van a 4 armatúra tekercselés, ebben indukálódik forgás közben a feszültség. Az armatúra tekercselés tekercsenként a kommutátor egy-egy szeletéhez csatlakozik. A kommutátor vörösrézből készül, szeletei egymástól el vannak szigetelve.
Az armatúra árama a kommutátorhoz szorított szénből készült 5 keféken keresztül folyik át a gépen. Az ábrán un. Gyűrűs armatúrát rajzoltunk. A kerületen lévő hornyokban elhelyezkedő vezetékeket a gyűrűn belül haladó vezetékek kötik össze. Ha a forgórészt forgatjuk, akkor csak a hornyokban lévő vezetékek metszik az indukcióvonalakat, tehát csak azokban indukálódik feszültség, a gyűrűn belüli vezetékekben feszültség nem keletkezik.
Az északi pólus alatt a vezetékekben azonos az indukált feszültségek iránya, ezért azok összeadódnak. A feszültség hatására meginduló áram irányát az ábrába bejelöltük. Ezt az áramirányt a pólusfluxus és a forgatás iránya határozza meg. Az áram a bal oldali kefén folyik ki a gépből. A déli pólus alatt indukált feszültségek iránya ellentétes, ezért az áram is ellentétes irányban folyik, de ugyancsak a bal oldali keféken folyik ki. A bal oldali kefe pozitív, mert a generátornak mindig az a pozitív keféje, amelyiken az áram kifolyik.
A forgó kommutátor és a rögzített kefék a váltakozóáramot egyenirányítják.
Forgás közben az a és b helyeken lévő vezetékekben feszültség nem indukálódik, mert az indukcióvonalakkal párhuzamosan mozognak. Ezért nincs feszültségkülönbség az ábrázolt pillanatokban az 1. és 12. valamint a 6. és 7. kommutátorszeletek között. Ide kell helyezni a keféket, ezt a vonalat semleges vonalnak nevezzük.A gyűrűs armatúra tekercselés réz kihasználtsága rossz, mert a gyűrűn belül haladó vezetékekben nem indukálódik feszültség. Elkészítése is bonyolult, mert a vezetékek átfűzése a gyűrűn nehézkes. Ezt az armatúra tekercselést ma már nem használják. A gyűrűs armatúra tekercselés helyett ma már kizárólag az un. dobtekercseléseket alkalmazzák. Ezeknek a sajátossága, hogy a vezetékeket mind az armatúra külső felületén lévő hornyokban helyezik el. Ezekben az északi és a déli pólus alatt különböző irányú feszültség indukálódik. A dob armatúra tekercselés elvére látunk megoldást a következő ábrán.

Az egyenáramú gép működése

A következő ábrán az egyenáramú gépet egyszerűsítve ábrázoltuk. Olyan ez az ábrázolási mód, mintha a kefék az armatúra felületén csúsznának. A bal oldali ábrán a generátort, a jobb oldali ábrán a motort ábrázoltuk. A gép armatúráját úgy kapcsoltuk egy külső egyenáramú energiaforrásra, hogy az armatura áram ellentétes irányba folyjon mint generátoros üzemben. Az armatúra vezetőiben folyó áramok és a pólusfluxus kölcsönhatásaként az északi és a déli pólus alatt ellentétes irányú erők jönnek létre. Ezek nyomatéka a motort a generátorral megegyező irányban forgatja.

Az egyenáramú generátor és motor egyszerűsített ábrázolása

A négypólusú egyenáramú gép elvi felépítése gyűrűs armatúrával

Az armatúra dobtekercselése

Az armatúra hurkos tekercselése

A hurkos tekercselést kis feszültségű, nagy áramerősségű gépeknél alkalmazzák, mert a sok párhuzamos ág miatt kevés a sorbakapcsolt vezetékek száma, azaz a gépben csak kis feszültség indukálódik, viszont az áram sok ágra oszlik meg, tehát a tekercselés vezetkeit csak kisebb áramra kell méretezni. Egy-egy párhuzamos ág úgy viselkedik, mintha külön-külön egy-egy egyenáramú energiaforrás volna. A gép légrése nem azonos mindenütt, ezért a párhuzamos ágakban indukálódott feszültségek sem egyeznek meg. A feszültségkülönbség kiegyenlítő áramot indít meg, melyek csak a keféken át záróghatnak és feleslegesen igénybeveszik azokat. Ezért a hurkos tekercselésnél a kefék előtt kiegyenlítő kötéseket kell elhelyezni, hogy a kiegyenlítő áramok ezeken át záródhassanak.

Az armatúra hurkos tekercselése

Az egyenáramú gépek indukált feszültsége

Az egyenáramú gép forgása közben vezetői B mágneses indukciójú térben mozdulnak el. Az indukált feszültség az armatúra egy vezetőjében

ahol l a vezető hatásos hossza, azaz a pólus hossza az armatúra palástjának alkotója mentén, v pedig az armatúra kerületi sebessége.
A gépben indukált feszültség:

a gépre jellemző állandó a gép tekercselési adataitól függ, a a pólusfluxus, az n a gép fordulatszáma.

A gépben indukál feszültség arányos a gép fluxusával és a fordulatszámával. Az indukált feszültség iránya megváltoztatható a vagy az n irányának megváltoztatásával. Az indukált feszültség nemcsak a generátorban, hanem a motorokban is létrejön. Generátor esetén ez a feszültség hajtja az áramot a generátor belső ellenállásán és a fogyasztón keresztül, míg motorok esetében egyensúlyt tart a rákapcsolt feszültséggel.

Az egyenáramú gépek nyomatéka

Az egyenáramú gép armatúra árama és a mágneses tér kölcsönhatása következtében a kialakuló erőpár nyomatékot hoz létre. Ez a nyomaték arányos a a gép fluxusával, az armatúra árammal és a gépre jellemző állandóval:

Ez a nyomaték motorban és generátorban egyaránt létrejön. Motoros üzemben hajtó nyomaték, amely legyőzi a motor súrlódási nyomatékát és hajtja a munkagépet.
Generátoros üzemben fékező nyomaték, amelyet le kell győznie a generátort hajtó erőgépnek.

Az armatúra-visszahatás

A gép pólustekercsének árama gerjeszti a pólusfluxust. Üresjárásban csak ez a fluxus van a gépben, ez indukálja a feszültséget. Ha a gépet terheljük, akkor az armatúráján is áram folyik keresztül, és ez is létrehoz egy másik fluxust, ez az armatúrafluxus . A két fluxus eredője létesíti az eredő fluxust. Terheléskor ez indukálja a feszültséget. Az armaturagerjesztésnek a pólusgerjesztésre gyakorolt hatását nevezzük armatúravisszahatásnak.

Az armatúra visszahatás különböző esetekben

Az armatúra-visszahatás következményei

Az armatúravisszahatás következtében a fluxus eltorzul, s ennek két következménye van:
• A semleges vonal a forgás irányába elfordul, s az eredeti semleges vonalban álló kefék olyan tekercseket zárnak rövidre, amelyekben feszültség indukálódik, a keféken átfolyó rövidrezárási áramok miatt a kefék szikráznak.
• A gép vas alkatrészeinek telítődése miatt a pólusok lefutó éleinél az iondukcióvonalak nem sűrűsödnek annyira, mint amennyire a felfutó éleknél ritkulnak. Ezért az összes indukcióvonalak száma csökken, vagyis az eredő fluxus kisebb lesz, mint üresjárásban a pólusfluxus volt. A fluxuscsökkenés miatt a terhelt gép indukált feszültsége csökken.

Az armatúravisszahatás két következménye közül elsősorban a kefeszikrázást kell kiküszöbölni, mert az hőhatásával rövid idő alatt tönkre teszi a keféket és a kommutátort egyaránt.
A kefeszikrázás kiküszöbölésére két lehetőség van:
• A keféket a semleges vonalba toljuk, jobb oldali ábra. Ilyenkor a kefék nem szikráznak, de ha az áram változik, akkor a semleges vonal más helyre csúszik és újra szikrázás lép föl.
• A kefeszikrázás segédpólusok segítségével megszüntethető, amint az a következő ábrán látható. A segédpólusokat a semleges vonalban kell elhelyezni és úgy kell gerjeszteni, hogy fluxusával az armatúrafluxus torzító hatását minden pillanatban kiegyenlítse. Ezt úgy lehet elérni, ha a segédpólust az armatúraárammal gerjesztjük, az armatúrával ellentétes irányban.

Az armatúravisszahatás feszültséget csökkentő hatása kompenzáló tekercseléssel küszöbölhető ki, amelyre mutat példát a következő ábra.

Az armatúra visszahatás következményeinek kiküszöbölése

Az egyenáramú generátor armatúra áramköre segédpólussal és kompenzáló tekerccsel

A kommutálás

Az armatúra tekercselés tekercseiben- miközben azok áthaladnak a semleges vonalon- az áram iránya megváltozik. Ezt a jelenséget nevezzük kommutálásnak. A kommutálás a gyűrűs és dobarmatúrán teljesen azonosan játszódik le.

Egyenárammal gerjesztett egyenfeszültség előállítására alkalmas villamos gép.

Olyan villamos forgógépek, melynek főpólusát egyenárammal gerjesztjük.

ma már kizárólag az un. dobtekercseléseket alkalmazzák. Ezeknek a sajátossága, hogy a vezetékeket mind az armatúra külső felületén lévő hornyokban helyezik el. Ezekben az északi és a déli pólus alatt különböző irányú feszültség indukálódik.

Egyenárammal gerjesztett mechanikai energia leadására alkalmas villamos gép.

A gyűrűs armatúra tekercselés helyett ma már kizárólag az un. dobtekercseléseket alkalmazzák. Ezeknek a sajátossága, hogy a vezetékeket mind az armatúra külső felületén lévő hornyokban helyezik el. Ezekben az északi és a déli pólus alatt különböző irányú feszültség indukálódik.

Mechanikus egyenirányító.

két póluspárral felépített egyenáramú gép.

A hurkos tekercselést kis feszültségű, nagy áramerősségű gépeknél alkalmazzák, mert a sok párhuzamos ág miatt kevés a sorbakapcsolt vezetékek száma, azaz a gépben csak kis feszültség indukálódik, viszont az áram sok ágra oszlik meg, tehát a tekercselés vezetkeit csak kisebb áramra kell méretezni.