0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Простой генератор постоянного тока в качестве учебного пособия для детей

Генератор постоянного тока.

Давайте разберем принцип действия генератора постоянного тока, познакомимся с его конструктивными особенностями и принципом действия.

Генератор постоянного тока работает основываясь на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, который движется в магнитном поле и пересекает магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Магнитопровод по которому замыкается магнитный поток является одной из основных частей генератора постоянного тока.

Магнитная цепь генератора постоянного тока (изображен на рисунке 1) состоит из неподвижной части — статора (1) и вращающейся части — ротора (4).

Статор представляет собой стальной корпус, к которому присоединены остальные детали машины, в том числе магнитные полюсы (2). На магнитные полюсы насажена обмотка возбуждения (3), которая питается постоянным током и создает основной магнитный поток Ф0.

Магнитная цепь генератора постоянного тока с четырьмя полюсами.

Листы, из которых собирается магнитная цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины собирают из штампованных стальных листов с пазами по окружности и с отверстиями, предназначенными для вала и вентиляции. Рабочая обмотка генератора постоянного тока вставляется в пазы ротора (5 на изображении 1). Этой обмоткой индуцируется ЭДС основным магнитным потоком. Обмотку также называют обмоткой якоря, поэтому ротор генератора постоянного тока принято называть якорем.

Значение ЭДС генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается величиной постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока изображен на рисунке 3.

Магнитный поток создается полюсами постоянного магнита. Допустим, обмотка якоря состоит из одного витка, у которого концы присоединены к различным полукольцам, находящимся в изоляции друг от друга. Из этих полуколец формируется коллектор, совершающий вращения вместе с витком обмотки якоря. Одновременно с этим вдоль коллектора двигаются неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС: e = B*l*v

  • где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

При совпадении плоскости витка с плоскостью осевой линии полюсов (при этом виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток. В это время в них индуцируется максимальный показатель ЭДС. В том случае когда виток принимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

В проводнике направление ЭДС определяется по правилу правой руки (на рисунке 3 оно показано в виде стрелок). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но поскольку коллектор вращается вместе с витком, а щетки неподвижны, то к верхней щетке всегда присоединен проводник, который находится под северным полюсом, ЭДС которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щетках — е (рисунок 4).

Простейший генератор постоянного тока.

Изменение во времени ЭДС простейшего генератора постоянного тока.

Несмотря на то что ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна в направлении, по своему значению она изменяется. Поскольку за один оборот витка ЭДС принимает 2 раза значение равное нулю и 2 раза максимальное. Для большинства приемников постоянного тока ЭДС с такой большой пульсацией непригодна и, строго говоря, ее нельзя назвать постоянной.

Чтобы уменьшить пульсацию, обмотку якоря генератора постоянного тока делают из большого числа витков (катушек), а коллектор из большого числа коллекторных пластин, которые изолированы друг от друга.

Для того чтобы рассмотреть подробнее процесс сглаживания пульсаций возьмем в качестве примера обмотку кольцевого якоря (рисунок 5). Она состоит из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь двигается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, которые расположены на внешней стороне якоря, индуцируется ЭДС (направление движения указано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, которая состоит из последовательно соединенных витков. При этом обмотка якоря относительно щеток представляет собой две параллельные ветви. На рисунке 5а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая из катушки 4 (в катушках 1 и 3 ЭДС не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рисунке 5б якорь изображен в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем.

При вращении якоря по отношению к щеткам каждая катушка имеет постоянную полярность.

На рисунке 6а показано как при вращении якоря изменяется ЭДС катушек во времени. ЭДС на щетках равна ЭДС каждой из параллельных ветвей обмотки якоря.

Из рисунка 5 видно, что ЭДС параллельной ветви равна или сумме ЭДС двух соседних катушек или ЭДС одной катушки:

Как результат этого, заметно уменьшаются пульсации ЭДС обмотки якоря (рисунок 6б). А значит увеличивая количество витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.

Изменение во времени ЭДС катушек и обмотки кольцевого якоря.

Простой генератор постоянного тока в качестве учебного пособия для детей

В этой статье будет рассмотрено создание простого генератора постоянного тока в качестве учебного пособия. Иногда в жизни некоторых люде случаются такие ситуации когда родителю нужно заинтересовать ребенка темой физики или учителю в не богатой на учебное оборудования школе объяснить тему наглядно.

Читать еще:  Зимний подогрев двигателя ВАЗ 2107

Как он будет работать: генератор будет преобразовывать механическую энергию руки в электрическую энергию. Все это основано на явлении электромагнитной индукции это я думаю объяснять не надо.

Материалы и инструменты
1 Дешевый электромагнит за 70 руб. Куплен на радио рынке (можно намотать самому)
2 dvd-диск
3 постоянный магнит (в моем случаи из динамика)
4 пластиковый контейнер из-под лапши быстрого приготовления (лучше не использованный)
5 изолирование провода 3 цветов
6 скотч
7 картон
8 паяльник (при желании и сноровках можно и без него)
9 клеевой пистолет
10 паяльная кислота или канифоль
11 припой
12 диоды 4 шт.
13 конденсатор на 400 в 150 мкФ
14 мультиметр
Описание создания устройства.

После того как мы разобрались что это за устройство и для каких целей приступим к описанию сборки .

1-й шаг (Диодный мост)

Диодный мост – это мостовая схема соединения диодов, для выпрямления переменного тока в постоянный.

далее отрезаем два изолированных провода в моем случаи это синие и еще пару желтых и зеленый (какие были под рукой вашем случаи могут быть другие).

Синие провода залуживаем и припаиваем между диодом 4 и 1, 3 и 2.

Пару слов о том, как работает диодный мост. Если на его вход подать переменный ток, полярность которого меняется с определённой частотой, то на выходе (выводы «+» и «-») мы получим ток строго одной полярности. Правда, этот ток будет иметь пульсации. Частота их будет вдвое больше, чем частота переменного тока, который подаётся на вход.

Таким образом, если на вход диодного моста подать переменный ток электросети (частота 70 герц), то на выходе получим постоянный ток с пульсациями частотой 140 герц. Эти пульсации нежелательны и могут в значительной степени помешать работе электронной схемы.
Чтобы убрать пульсации нужен фильтр. Простейший фильтр это электролитический конденсатор достаточно большой ёмкости. В моем случаи это конденсатор снятый из энерго сберегающей лампы на 400В и 150 мкФ.

К нему припаиваем зеленый и желтый провод который припаянные к минусу и плюсу диодного моста.
И потом от конденсатора отводим еще по жёлтому и зеленому проводу. Должно получится вот так.

Теперь берем электромагнит и диодный мост

Как видно есть, но мало, когда генератор будет полностью собран то будет гораздо больше.

3-й шаг (Изготовления корпуса)

Что бы сделать корпус нам понадобится контейнер от лапши быстрого приготовления, dvd диск, скотч .

Разъем по желанию можно за клеить с обратной стороны для крепости конструкции.

Теперь нужно закрепить разъем с «внутренностями» генератора.

Генератор электроэнергии или восстание машин (наглядное пособие)

  • Цена: $ 9.2
  • Перейти в магазин

Всех приветствую.
Представляю вам наглядное пособие по урокам физики, раздел электричество. Это адский генератор постоянного тока. Содержит в себе электродвигатель и повышающий редуктор, а так же много шума.
Тем, кто заинтересовался, прошу под кат.

Генератор постоянного тока — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Тем, кому интересна теория — могут ознакомиться в обзоре про Электродвигатель, как наглядное пособие.
Существует принцип обратимости электрических машин:
Обратимость электрических машин вызвана одинаковым устройством преобразователей электрической энергии в механическую и механической в электрическую. Таким образом, электрические машины взаимозаменяемы: электродвигатель может использоваться в качестве генератора и наоборот.

Да бы вывести этот генератор на чистую воду, прольем немного лунного света:

Корпус из оргстекла, прозрачный. Достаточно тонкий, поэтому ронять не рекомендую. Т образная форма с рукоятью. Так же есть ручка для привода генератора.

С торца установлена лампа накаливания, а так же расположены 2 клеммы с винтовыми зажимами разного цвета. Красный плюс, черный минус.
Почему красный и черный? «Тёплые» цвета спектра (от красного до жёлтого) принято относить к положительным (+) потенциалам, холодные (от зелёного до фиолетового) — к отрицательным. Логично.

Два провода аналогичных цветов. Длина проводов 25 см. На концах провода обжаты клеммы для облегчения монтажа.

Провода пригодятся для подключения внешней нагрузки.

Особой необходимости разбирать корпус нет, содержимое как на витрине, но открутить пять шурупов не затруднительно.

Рукоятка, повышающий 2х ступенчатый шестеренчатый редуктор, электродвигатель типоразмера 280 (как раз случай обратимости, вот он оборотень!). Нагрузка в виде лампочки накаливания установлена в патроне. Параллельно соединены клеммы.

Нагрузка — лампа накаливания 2.5 Вольта 0.3 Ампера, с инструкцией не совпадает, но мощность почти в 2 раза меньше. Сравнение относительное.

На двигателе присутствуют следы масла, это полезно.

Шестерни редуктора с разным модулем, пластиковые. Материал обычный пластик, совсем не капролон. Количество зубьев считать не буду, но примерный коэффициент редукции (по принципу расчета ременной передачи) составил около 1:35

Ручка выполнена просто — втулка + шуруп. В последующем шуруп будет заменен на винт.

Крутим, крутим! Ура, есть свет!

Замерять напряжение мультиметром проблемно, показания скачут. Проще для этих целей использовать стрелочный вольтметр. У него присутствует некоторая инерция.

При подключенной нагрузке (установленной лампочке) вращение ручки требует некоторого усилия. Если контакты закоротить, то усилие потребуется гораздо больше. Есть вероятность поломать редуктор.
Кстати генератор при работе издает очень много шума. Можно нанести незначительное количество густой смазки на шестерни, это немного уменьшит шум и нагрузку.

Младшая дочь уже несколько дней бегает с этим генератором — пугает кошку и светит в темных уголках квартиры. Сия адская поделка лишь немногим уступает по шумности барабану или свистку подаренному ребенку. Вынос мозга родителям обеспечен. Вот поэтому я не указал наглядное пособие генератор по совместительству игрушкой, а просто адский генератор.

Читать еще:  Как сделать 1000 карандашей из старых поддонов

Принцип обратимости:
Вот и пригодились провода в комплекте. Подключаем первое что попало под руку — элемент 18650 и наблюдаем как лампа ярко светит, а ручка вращается сама собой.

Возможные улучшения генератора: Уменьшить люфты редуктора установив втулки и заменить лампу накаливания на 10мм светодиод. На ручку усадить термоусадку для большего комфорта.

Видео сделано в шутливой форме, в конце видео запечатлено восстание машин. Во время работы от батареи «генератор» упал на бок и начал бодро маршировать описывая окружность. При этом громко «топтал» и пытался «наехать» на любого кто ему помешает.

Выводы:
Работает без какой либо доработки.
Как наглядное пособие вполне обычный экспонат. Можно наблюдать принцип обратимости электрических машин.
Заряжать смартфон, даже с применением повышающего преобразователя крайне затруднительно. Мощность мала.
Можно сделать фонарик с подзарядкой, ради баловства. Для этого надо на выходе поставить диод и ионистор (аккумулятор) Покрутил немного — фонарь светит.
Использовать редуктор как понижающий реально, но ввиду слабого корпуса большую мощность снять не удастся.
На этом все, спасибо за уделенное время.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Генераторы постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф0.

Рис. 1. Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Рис. 2. Листы, из которых набирают магнитную цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки (на рис. 3 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — ещ (рис. 4).

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Изменение во времени э.д.с. простейшего генератора постоянного тока

Хотя э. д. с. простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. Э. д. с. с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций на примере обмотки кольцевого якоря (рис. 5), состоящей из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь вращается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, расположенных на внешней стороне якоря, индуцируется э. д. с. (направление показано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 5, а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая — из катушки 4 (в катушках 1 и 3 э. д. с. не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рис. 5, б якорь показан в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая — из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Рис. 5. Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем

Читать еще:  Изготовление изогнутой доски – игрушка для детей

Каждая катушка при вращении якоря по отношению к щеткам имеет постоянную полярность. Изменение э. д. с. катушек во времени при вращении якоря показано на рис. 6, а. Э. д. с. на щетках равна э. д. с. каждой параллельной ветви обмотки якоря. Из рис. 5 видно, что э. д. с. параллельной ветви равна или э. д. с. одной катушки, или сумме э. д. с. двух соседних катушек:

В результате этого пульсации э. д. с. обмотки якоря заметно уменьшаются (рис. 6, б). При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную э. д. с. обмотки якоря.

Конструкция генераторов постоянного тока

В процессе технического прогресса в электромашиностроении конструктивный вид машин постоянного тока изменяется, хотя основные детали остаются теми же.

Рассмотрим устройство одного из типов машин постоянного тока, выпускаемых промышленностью. Как указывалось, основными частями машины являются статор и якорь. Статор 6 (рис 7), изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи.

К статору крепятся магнитные полюсы 4, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения 5, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток.

При большом числе полюсов их обмотки включают параллельно или последовательно, но так, чтобы северный и южный полюсы чередовались (см. рис. 1). Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты 7 (рис. 7).

Якорь 3 машины постоянного тока набирается из листовой стали (см. рис. 2) для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частью магнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка 9.

Рис. 6. Изменение во времени э.д.с катушек и обмотки кольцевого якоря

В настоящее время выпускаются машины с якорем и обмоткой барабанного типа. Рассмотренная ранее обмотка кольцевого якоря имеет недостаток, заключающийся в том, что э. д. с. индуцируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности якоря. Следовательно, активными являются только половина проводников. В обмотке барабанного якоря все проводники — активные, т. е. для создания той же э. д. с, что и в машине с кольцевым якорем, требуется почти в два раза меньше проводникового материала.

Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы э. д. с. в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление.

На рис. 8 показана простейшая обмотка якоря барабанного типа двухполюсной машины. Сплошными линиями показано соединение секций друг с другом со стороны коллектора, а пунктирными — лобовые соединения проводников с противоположной стороны. От точек соединения секций делаются отпайки к коллекторным пластинам. Направление э. д. с. в проводниках обмотки показано на рисунке: «+» — направление от читателя, «•» — направление на читателя.

Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в пространстве.

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

Выпускаемые заводами машины имеют десятки или сотни пазов по окружности барабанного якоря и число коллекторных пластин, равное числу секций обмотки якоря.

Коллектор 1 (см. рис. 7) состоит из медных изолированных друг от друга пластин, которые соединяют с точками соединения секций обмотки якоря, и служит для преобразования переменной э. д. с. в проводниках обмотки якоря в постоянную э. д. с. на щетках 2 генератора или преобразования постоянного тока, подводимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках обмотки якоря двигателя. Коллектор вращается вместе с якорем.

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 2. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. Они крепятся в щеткодержателях, которые допускают поворот на некоторый угол. С якорем соединена крыльчатка 8 для вентиляции.

Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1. генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами,

2. генераторы с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы), генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы), генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью — мощностью, отдаваемой генератором приемнику, номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря, номинальным током якоря, током возбуждения, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector