Динамо-машина — электрический генератор постоянного тока¶

Динамо-машина — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в энергию электрического тока постоянного направления. Относится к классу генераторов электрической энергии. В отличие от современных синхронных генераторов переменного тока, динамо-машина на выходе формирует ток, направление которого в цепи нагрузки не меняется, что обеспечивается коллекторным узлом — механическим выпрямителем, вращающимся вместе с ротором.

¶История создания

Термин «динамо-машина» происходит от греческого слова «dynamis» — сила. Первые электромагнитные генераторы были созданы в 1830-х годах. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей экспериментально обнаружил явление электромагнитной индукции, ставшее физической основой работы всех электрических машин.

В 1832 году французский изобретатель Ипполит Пикси построил первый в мире генератор постоянного тока с коллектором — по сути, первую динамо-машину. Устройство Пикси вырабатывало ток от вращения ручки и использовалось преимущественно для электролиза и зарядки элементов.

В 1866 году немецкий инженер Вернер фон Сименс открыл принцип самовозбуждения: использовав остаточный магнетизм сердечника для первоначального возбуждения обмотки, удалось отказаться от постоянных магнитов и резко увеличить мощность генератора. Это нововведение сделало динамо-машину практичным источником электропитания. В 1870 году Зеноб Грамм усовершенствовал конструкцию, создав якорь кольцевой («якорь Грамма») формы, что обеспечило более равномерную выработку тока.

К 1880-м годам динамо-машины достигли промышленного масштаба и применялись для освещения улиц, питания телеграфных линий и электрических трамваев. В России первые динамо-машины появились в 1870-х годах; отечественные инженеры, в частности М. О. Доливо-Добровольский, внесли значительный вклад в развитие электрических машин.

¶Устройство и принцип работы

Классическая динамо-машина состоит из следующих основных элементов:

• Статор — неподвижная часть с полюсными наконечниками, на которых размещена обмотка возбуждения, создающая магнитное поле.
• Якорь (ротор) — вращающаяся часть с обмоткой, в которой индуцируется ЭДС под действием магнитного поля.
• Коллектор — цилиндрическая конструкция из изолированных медных ламелей, закреплённых на валу. Через щётки, прижатые к коллектору, ток снимается с обмотки якоря и передаётся во внешнюю цепь. Коллектор выполняет функцию механического выпрямителя: он коммутирует обмотки якоря так, что ток во внешней цепи сохраняет одно направление.
• Щёткодержатели и щётки — графитовые или металлографитовые контакты, обеспечивающие электрическую связь вращающегося коллектора с неподвижной внешней цепью.
• Подшипники и корпус (бандаж) — элементы механической конструкции.

Принцип работы основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. При вращении якоря в магнитном поле статора обмотки якоря пересекают силовые линии магнитного потока, в них индуцируется переменная ЭДС. Коллектор, вращаясь вместе с якорем, последовательно подключает обмотки к внешней цепи таким образом, что в ней возникает пульсирующий, но однонаправленный ток. Для сглаживания пульсаций применяют большое количество секций обмотки и параллельное соединение щёток.

¶Классификация

По способу возбуждения динамо-машины делятся на:

• с постоянными магнитами — применяются в маломощных устройствах (магнето, динамо-фонари);
• с последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с якорем, используются в электротранспорте, где важен высокий пусковой момент;
• с параллельным (независимым) возбуждением — обмотка запитывается от отдельного источника или от самого генератора параллельно якорю;
• со смешанным возбуждением — сочетание последовательной и параллельной обмоток возбуждения.

По назначению различают динамо-машины общего и специального назначения (динамо-машинки для электроинструментов, генераторы трамваев, зарядные устройства).

¶Применение

Исторически динамо-машины применялись в самых разных областях:

• Электрическое освещение — первые динамо-станции Фарадея, Эдисона и других изобретателей питали дуговые и лампы накаливания.
• Электротранспорт — трамваи, троллейбусы и электровозы первых поколений оснащались динамо-машинами тягового типа.
• Велосипедные динамо-машинки — бортовые генераторы для питания фонарей и звонков, выпускаются до сих пор.
• Автомобильные генераторы — до распространения синхронных генераторов переменного тока с выпрямителем в качестве бортового генератора применялась динамо-машина (например, на автомобилях Ford Model T).
• Измерительные приборы — в электромеханических счётчиках энергии использовался принцип, сходный с динамо-машиной.

¶Динамо-машина и современные генераторы

К XX веку динамо-машины были практически вытеснены генераторами переменного тока, сочетающимися с полупроводниковыми выпрямителями. Такое сочетание проще в изготовлении, надёжнее (отсутствуют изнашиваемые щётки и коллектор), легче и экономичнее при больших мощностях. Тем не менее принцип динамо-машины остаётся учебным эталоном для понимания электромагнитной индукции и работы электрических машин.