Generatoren und Dynamos

Entwicklung und Geschichte des Bauteils, das die Elektrizität erstmals kommerziell nutzbar machte

Dynamos und Generatoren wandeln mechanische Rotation in elektrische Energie um.

Dynamo – ein Gerät, das mit Hilfe von Elektromagnetismus elektrischen Gleichstrom erzeugt. Er wird auch als Generator bezeichnet, wobei sich der Begriff Generator normalerweise auf einen „Alternator“ bezieht, der Wechselstrom erzeugt.

Generator – normalerweise wird dieser Begriff für einen Wechselstromgenerator verwendet, der mit Hilfe von Elektromagnetismus Wechselstrom erzeugt.

Generatoren, Dynamos und Batterien sind die drei Werkzeuge, die notwendig sind, um erhebliche Mengen an Elektrizität für den menschlichen Gebrauch zu erzeugen/zu speichern. Batterien könnten bereits 248 v. Chr. entdeckt worden sein. Sie nutzen einfach eine chemische Reaktion, um Strom zu erzeugen und zu speichern. Wissenschaftler experimentierten mit der Batterie, um die erste Glühlampe, elektrische Motoren und Züge sowie wissenschaftliche Tests zu erfinden. Batterien waren jedoch weder zuverlässig noch kosteneffizient für den regelmäßigen elektrischen Gebrauch. Erst der Dynamo machte die Elektrizität von einer Kuriosität zu einer rentablen, zuverlässigen Technologie.

1. Funktionsweise
2. Kurze Geschichte von Dynamos und Generatoren
3. Videos von Generatoren

1.) Wie es funktioniert:

Grundlegendes:

Zunächst braucht man eine mechanische Energiequelle wie eine Turbine (angetrieben durch fallendes Wasser), eine Windturbine, eine Gasturbine oder eine Dampfturbine. Eine Welle von einem dieser Geräte wird mit einem Generator verbunden, um Strom zu erzeugen.

Dynamos und Generatoren arbeiten mit den wilden komplexen Phänomenen des Elektromagnetismus. Das Verständnis des Verhaltens des Elektromagnetismus, seiner Felder und seiner Wirkungen ist ein umfangreiches Studiengebiet. Es gibt einen Grund, warum es 60 Jahre NACH Voltas erster Batterie dauerte, bis ein guter, leistungsstarker Dynamo funktionierte. Wir werden die Dinge einfach halten, um Sie in das interessante Thema der Stromerzeugung einzuführen.

Im einfachsten Sinne ist ein Generator/Dynamo ein Magnet, der sich dreht, während er unter dem Einfluss des Magnetfeldes eines anderen Magneten steht. Man kann ein Magnetfeld nicht sehen, aber es wird oft durch Flusslinien dargestellt. In der obigen Abbildung würden die Linien des magnetischen Flusses den von den Eisenspänen erzeugten Linien folgen.

Der Generator/Dynamo besteht aus stationären Magneten (Stator), die ein starkes Magnetfeld erzeugen, und einem rotierenden Magneten (Rotor), der die magnetischen Flusslinien des Stators verzerrt und durchschneidet. Wenn der Rotor die magnetischen Flusslinien durchschneidet, entsteht Elektrizität.

Aber warum?

Wenn man einen Draht nimmt und ihn in einem Magnetfeld hin und her bewegt, drückt das Feld auf die Elektronen im Metall. Kupfer hat 27 Elektronen, die letzten beiden in der Umlaufbahn werden leicht auf das nächste Atom geschoben. Diese Bewegung der Elektronen ist der elektrische Fluss.

Sieh dir das Video unten an, das zeigt, wie Strom in einem Draht induziert wird:

Wenn du viel Draht nimmst, wie in einer Spule, und ihn im Feld bewegst, erzeugst du einen stärkeren „Fluss“ von Elektronen. Die Stärke deines Generators hängt ab von:

„l“-Länge des Leiters im Magnetfeld
„v“-Geschwindigkeit des Leiters (Geschwindigkeit des Rotors)
„B“-Stärke des elektromagnetischen Feldes

Du kannst Berechnungen mit dieser Formel durchführen: e = B x l x v

Sieh dir das Video an, um all das zu sehen:

Über die Magnete:

Oben: ein einfacher Elektromagnet, der als Solenoid bezeichnet wird. Der Begriff „Solenoid“ beschreibt eigentlich die röhrenförmige Form, die durch den gewickelten Draht entsteht.

Die Magnete bestehen normalerweise nicht aus natürlichem Magnetit oder einem Permanentmagneten (es sei denn, es handelt sich um einen kleinen Generator), sondern aus Kupfer- oder Aluminiumdraht, der um einen Eisenkern gewickelt ist. Jede Spule muss mit einer gewissen Energie versorgt werden, damit sie zu einem Magneten wird. Diese Spule um einen Eisenkern wird Solenoid genannt. Magnetspulen werden anstelle von natürlichem Magnetit verwendet, weil die Magnetspule VIEL stärker ist. Eine kleine Magnetspule kann ein sehr starkes Magnetfeld erzeugen.

Oben: Die Drahtspulen in den Generatoren müssen isoliert sein. Ein Ausfall des Generators wird durch zu hohe Temperaturen verursacht, die zu einem Zusammenbruch der Isolierung und einem Kurzschluss zwischen den parallelen Drähten führen. Erfahren Sie mehr über Drähte >

Ausdrücke:
Elektromagnetismus – Lehre von den Kräften, die zwischen elektrisch geladenen Teilchen wirken
Rotor – Teil des Generators eines Dynamos, der sich dreht
Armatur – dasselbe wie ein Rotor
Fluß – die Kraftlinien in einem Magnetfeld, er wird in Dichte gemessen, SI-Einheit von Weber
Stator – Magnete in einem Generator/Dynamo, die sich nicht bewegen, sie erzeugen das stationäre Magnetfeld
Solenoid – ein Magnet, der durch eine Drahtspule um einen Eisen-/Ferriskern erzeugt wird (Solenoid bedeutet technisch gesehen die Form dieses Magneten, aber Ingenieure verwenden Solenoid und Elektromagnet austauschbar.
Kommutator – Näheres dazu erfahren Sie hier
Drehmoment – Kraft bei einer Drehbewegung

Der Dynamo

Dynamo ist ein älterer Begriff für einen Generator, der Gleichstrom erzeugt. Bei Gleichstrom werden Elektronen nur in eine Richtung geschickt. Das Problem eines einfachen Generators besteht darin, dass sich der Rotor bei der Drehung schließlich komplett umdreht und den Strom umkehrt. Die frühen Erfinder wussten nicht, was sie mit diesem Wechselstrom anfangen sollten, denn Wechselstrom ist komplexer zu steuern und für Motoren und Lampen zu konstruieren. Die frühen Erfinder mussten einen Weg finden, um nur die positive Energie des Generators zu erfassen, und erfanden daher einen Kommutator. Der Kommutator ist ein Schalter, der den Strom nur in eine Richtung fließen lässt.

Sieh dir das Video unten an, um zu sehen, wie der Kommutator funktioniert:

Der Dynamo besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Stator, dem Anker und dem Kommutator.

Bürsten sind Teil des Kommutators, die Bürsten müssen Strom leiten, während sie den Kontakt mit dem rotierenden Anker halten. Die ersten Bürsten waren „Drahtbürsten“ aus kleinen Drähten. Diese nutzten sich schnell ab, so dass man Grafikblöcke entwickelte, die dieselbe Aufgabe erfüllten.

Der Stator ist eine feste Struktur, die ein magnetisches Feld erzeugt, was bei kleinen Dynamos mit einem Permanentmagneten möglich ist. Große Dynamos benötigen einen Elektromagneten. Der Anker besteht aus gewickelten Kupferwicklungen, die sich innerhalb des vom Stator erzeugten Magnetfeldes drehen. Wenn sich die Wicklungen bewegen, durchschneiden sie die Linien des Magnetfelds. Dadurch werden elektrische Stromimpulse erzeugt. Der Kommutator wird benötigt, um Gleichstrom zu erzeugen. Bei Gleichstrom fließt der Strom nur in einer Richtung durch einen Draht. Das Problem ist, dass der rotierende Anker in einem Dynamo den Strom bei jeder halben Umdrehung umkehrt, daher ist der Kommutator ein Drehschalter, der den Strom während des umgekehrten Stromteils des Zyklus unterbricht.

Selbsterregung:

Da die Magnete in einer Lichtmaschine Solenoide sind, müssen sie mit Strom versorgt werden, um zu funktionieren. Zusätzlich zu den Bürsten, die den Strom für den Hauptstromkreis abgreifen, gibt es also einen weiteren Bürstensatz, der den Strom vom Anker abnimmt, um die Magnete des Stators anzutreiben. Das ist in Ordnung, wenn die Lichtmaschine läuft, aber wie startet man eine Lichtmaschine, wenn man keinen Strom zum Starten hat?

Manchmal behält der Anker etwas Magnetismus im Eisenkern, und wenn er anfängt, sich zu drehen, erzeugt er eine kleine Menge Strom, genug, um die Magnetspulen im Stator zu erregen. Die Spannung beginnt dann zu steigen, bis die Lichtmaschine ihre volle Leistung erreicht hat.

Wenn im Eisen des Ankers kein Magnetismus mehr vorhanden ist, wird oft eine Batterie verwendet, um die Magnetspulen in der Lichtmaschine zu erregen, damit sie anspringt. Dies wird als „Feldblinken“ bezeichnet.

Unten in der Diskussion über die Verdrahtung der Lichtmaschine werden Sie feststellen, wie der Strom durch die Magnetspulen unterschiedlich geleitet wird.

Es gibt zwei Arten, eine Lichtmaschine zu verdrahten: in Reihe und im Nebenschluss gewickelt. Schau dir die Diagramme an, um den Unterschied zu erkennen.

Unten, Video eines kleinen einfachen Dynamos, der den obigen Diagrammen ähnelt (gebaut in den 1890er Jahren):

Der Generator

Der Generator unterscheidet sich vom Dynamo dadurch, dass er Wechselstrom erzeugt. Bei der Wechselstromerzeugung fließen die Elektronen in beide Richtungen. Erst in den 1890er Jahren hatten Ingenieure herausgefunden, wie man leistungsstarke Motoren, Transformatoren und andere Geräte konstruieren konnte, die Wechselstrom so nutzen konnten, dass sie mit Gleichstrom konkurrieren konnten.

Während die Lichtmaschine mit Kommutatoren arbeitet, verwendet der Generator einen Schleifring mit Bürsten, um den Strom vom Rotor abzuzapfen. Am Schleifring sind Graphit- oder Kohlebürsten befestigt, die durch Federkraft die Bürste auf den Ring drücken. Dadurch wird der Stromfluss konstant gehalten. Bürsten nutzen sich mit der Zeit ab und müssen ersetzt werden.

Unten, Video von Schleifringen und Bürsten, viele Beispiele von alt bis neu:

Seit der Zeit von Gramme in den 1860er Jahren wurde herausgefunden, dass der beste Weg, einen Dynamo/Generator zu bauen, darin bestand, Magnetspulen um einen weiten Kreis herum anzuordnen, mit einem weiten drehenden Anker. Das sieht anders aus als die einfachen kleinen Dynamo-Beispiele, die man im Unterricht sieht, wie die Geräte funktionieren.

Auf dem Foto unten sehen Sie deutlich eine Spule auf dem Anker (der Rest wurde für Wartungsarbeiten entfernt) und andere Spulen, die in den Stator eingebaut sind.

Von den 1890er Jahren bis heute ist der dreiphasige Wechselstrom die Standardform der Energieversorgung. Die Dreiphasigkeit wird durch die Konstruktion des Generators erreicht.

Um einen Dreiphasengenerator zu bauen, muss man eine bestimmte Anzahl von Magneten auf dem Stator und dem Anker anbringen, und zwar in den richtigen Abständen. Der Elektromagnetismus ist so komplex wie der Umgang mit Wellen und Wasser, deshalb musst du wissen, wie du das Feld durch deine Konstruktion steuern kannst. Zu den Problemen gehören eine ungleichmäßige Anziehung des Magneten zum Eisenkern, falsche Berechnungen der Verzerrung des Magnetfelds (je schneller er sich dreht, desto stärker wird das Feld verzerrt), Störwiderstände in den Ankerspulen und eine Vielzahl anderer potenzieller Probleme.

Warum 3 Phasen? wenn Sie mehr über Phasen wissen wollen und warum wir 3 Phasen verwenden, sehen Sie sich unser Video mit dem Pionier der Stromübertragung Lionel Barthold an.

2.) Eine kurze Geschichte von Dynamos und Generatoren:

Der Generator entwickelte sich aus der Arbeit von Michael Faraday und Joseph Henry in den 1820er Jahren. Als diese beiden Erfinder das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckten und dokumentierten, führte dies zu weiteren Experimenten sowohl in Europa als auch in Nordamerika.

1832 – Hippolyte Pixii (Frankreich) baute den ersten Dynamo unter Verwendung eines Kommutators. Durch Zufall schuf er auch den ersten Wechselstromgenerator. Er wusste nicht, was er mit dem wechselnden Strom anfangen sollte, und konzentrierte sich darauf, den Wechselstrom zu eliminieren, um Gleichstrom zu erzeugen, was ihn zur Entwicklung des Kommutators veranlasste.
1830er-1860er Jahre – Die Batterie ist immer noch die leistungsfähigste Art der Stromversorgung für die verschiedenen Experimente in dieser Zeit. Die Elektrizität war noch nicht kommerziell nutzbar. Ein batteriebetriebener elektrischer Zug von Washington DC nach Baltimore scheiterte und stellte eine große Blamage für das neue Feld der Elektrizität dar. Nach der Verschwendung von Millionen von Dollar erwies sich Dampf immer noch als die bessere Energiequelle. Die Elektrizität musste sich erst noch als zuverlässig und wirtschaftlich rentabel erweisen.
1860 – Antonio Pacinotti – schuf einen Dynamo, der kontinuierlichen Gleichstrom lieferte
1867 – Werner von Siemens und Charles Wheatstone schufen einen leistungsfähigeren, nützlicheren Dynamo, der anstelle des schwachen Permanentmagneten einen selbstangetriebenen Elektromagneten im Stator verwendete.
1871 – Zenobe Gramme löste die kommerzielle Revolution der Elektrizität aus. Er füllte das Magnetfeld mit einem Eisenkern, der einen besseren Weg für den magnetischen Fluss schuf. Dies steigerte die Leistung des Dynamos bis zu dem Punkt, an dem er für viele kommerzielle Anwendungen nutzbar war.
1870er Jahre – Es gab eine Explosion neuer Dynamodesigns, die Entwürfe reichten von einem wilden Sortiment bis hin zu einigen wenigen, die sich durch ihre überlegene Effizienz auszeichneten.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) entwickelte das bis dahin effizienteste und zuverlässigste Dynamodesign. Seine Erfindung wird über die Telegraph Supply Company verkauft.
1877 – Das Franklin Institute (Philadelphia) führt Tests mit Dynamos aus aller Welt durch. Die Publicity dieses Ereignisses beflügelt die Entwicklung durch andere wie Elihu Thomson, Lord Kelvin und Thomas Edison.

Oben: Edisons „Long Legged Mary“, ein kommerziell erfolgreicher Dynamo für seine Gleichstromsysteme.1884

1878 – Die Firma Ganz beginnt mit dem Einsatz von Wechselstromgeneratoren in kleinen kommerziellen Anlagen in Budapest. 1880 – Charles F. Brush hatte über 5000 Bogenlampen in Betrieb, die 80 Prozent aller Lampen weltweit ausmachten. Die wirtschaftliche Macht des elektrischen Zeitalters hatte begonnen. 1880-1886 – Wechselstromsysteme werden in Europa von Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard und anderen entwickelt. Auf dem lukrativen amerikanischen Markt herrschen Gleichstromdynamos vor, viele sind skeptisch, in Wechselstrom zu investieren. Wechselstromgeneratoren waren zwar leistungsstark, aber der Generator allein war nicht das größte Problem. Die Systeme zur Steuerung und Verteilung des Wechselstroms mussten erst verbessert werden, bevor sie auf dem Markt mit Gleichstrom konkurrieren konnten. 1886 – Auf dem nordamerikanischen Markt entwickeln Erfinder wie William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla und Elihu Thomson ihre eigenen Wechselstromsysteme und Generatoren. Die meisten von ihnen nutzten Siemens- und Ferranti-Generatoren als Grundlage für ihre Studien. William Stanley war schnell in der Lage, einen besseren Generator zu erfinden, nachdem er mit dem Siemens-Generator, den er in seinem ersten Experiment verwendete, unzufrieden war.

Oben: Siemens-Wechselstromgeneratoren, die 1885 in London eingesetzt wurden. In den USA zögerte Edison, in den Bereich der Wechselstromerzeugung einzusteigen, während sich die Technologie in Europa rasch entwickelte.

1886-1891 – Mehrphasige Wechselstromgeneratoren werden von C.S. Bradly (USA), August Haselwander (Deutschland), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Deutschland/Russland), Galileo Ferraris (Italien) und anderen entwickelt. Wechselstromsysteme mit besserer Steuerung und leistungsfähigeren Elektromotoren machen dem Wechselstrom Konkurrenz.

1891 – Dreiphasen-Wechselstrom erweist sich auf der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt als das beste System zur Stromerzeugung und -verteilung. Der von Mikhail Dolivo-Dobrovsky entworfene Drehstromgenerator, der auf der Ausstellung verwendet wurde, ist links zu sehen. 1892 – Charles P. Steinmetz stellt der AIEE seinen Vortrag über Hysterese vor. Steinmetz‘ Verständnis der Mathematik des Wechselstroms wird veröffentlicht und trägt dazu bei, das Design von Wechselstromsystemen, einschließlich großer Wechselstromgeneratoren, zu revolutionieren. 1890er Jahre – Das Design von Generatoren wird dank kommerzieller Verkäufe und verfügbarer Gelder für die Forschung rasch verbessert. Westinghouse, Siemens, Oerlikon und General Electric entwickeln die leistungsstärksten Generatoren der Welt. Einige Generatoren sind auch 115 Jahre später noch in Betrieb. (Mechanicville, NY)

Aufwärts: 1894 entwickelte Elihu Thomson viele Wechselstromgeneratoren für General Electric

Ein späterer Westinghouse 2000 kW 270 Volt Generator von nach 1900

3. Videos

Mechanicville-Generatoren mit Erläuterungen zur Geschichte (1897), entworfen von Wechselstrom-Vordenker Charles P. Steinmetz

Westinghouse-Generator im Bau und Test (1905), entworfen von Oliver Shallenberger, Tesla und anderen bei Westinghouse.

1895 Frühe leistungsstarke Generatoren in Folsom, CA (entworfen von Elihu Thompson, Dr. Louis Bell und anderen bei GE)

1891 Von Oerlikon für die Internationale Elektrotechnische Ausstellung hergestellter Generator (entworfen von Dobrovolsky in Deutschland)

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