Dynamo

Zie Dynamo (doorverwijspagina) voor andere betekenissen van Dynamo.

Een dynamo of gelijkstroomgenerator is een machine waarin een beweging, binnenkomend via een draaiende as, in een gelijkstroom wordt omgezet. De tegenpool van de dynamo is de gelijkstroommotor, waarin een gelijkstroom in een beweging wordt omgezet.

De dynamo, van het Griekse δύναμις, dunamis, lichaamskracht, was vroeger een andere naam voor elektrische generator, maar wordt sinds de ontwikkeling van de alternator vooral gebruikt om generatoren aan te duiden die met behulp van een commutator gelijkstroom opwekken. De wisselstroomgenerator van een fiets wordt nog steeds dynamo genoemd.

De Engelse natuur- en scheikundige Michael Faraday ontdekte in 1831 het principe van de elektromagnetische inductie en legde daarmee het fundament voor de dynamo en de elektromotor. Er komen in iedere dynamo een vast deel, de stator, en een draaiend deel, de rotor voor.

Mijlpalen

Pixii's dynamo

Hippolyte Pixii, een Franse instrumentmaker maakte in 1832 de eerste dynamo, gebaseerd op Faraday's principe van inductie. Pixii gebruikte een hoefijzermagneet, die met een kruk handmatig werd rondgedraaid. De draaiende permanente magneet was zo geplaatst dat de noord- en de zuidpool afwisselend langs een ijzeren kern bewogen die met draad was omwikkeld. Pixii ontdekte dat de draaiende magneet stroompulsen in de spoelen opwekte elke keer dat een pool de spoel passeerde. De noord- en de zuidpool van de magneet induceerden stromen in tegengestelde richting, zodat een wisselstroom ontstond. Door een commutator toe te voegen wist Pixii de wisselstroom om te zetten in een gelijkstroom.

Grammeringdynamo

Het probleem met de ontwikkelde dynamo's was dat zij voor een piekvormige stroom zorgden. Antonio Pacinotti, een Italiaanse wetenschapper, loste dit op door de draaiende tweepolige rotor te vervangen door een meerpolige rotor die rond een ijzeren ring was gewikkeld. Dit zorgde ervoor dat er zich altijd een gedeelte van de rotorspoel in het magnetische veld bevond en de dynamo daardoor een gelijkmatigere stroom leverde.

Zénobe Gramme herontwikkelde en verbeterde dit concept een paar jaar later toen hij in 1869 de eerste commerciële dynamo maakte. Zijn ontwerp, dat nu bekend is als de grammedynamo, was een continuestroomdynamo, waarmee hogere spanningen werden gegenereerd dan met de toen bekende dynamo's. Hij ontdekte later ook dat het apparaat omkeerbaar was en als gelijkstroommotor kon functioneren.

Verdere verbeteringen werden doorgevoerd op de ring van Gramme, maar het idee van de dynamo bleef hetzelfde, een ronddraaiende, gewikkelde rotor met commutator in een elektromagnetisch bekrachtigingsveld.

Werking

Door het draaien van het anker zal door inductie in de windingen een spanning of elektromotorische kracht worden opgewekt. De grootte van de opgewekte spanning wordt gegeven door de formule:

${\displaystyle E_{r}=c\cdot \omega _{r}\cdot \Phi }$

Hierin is:

${\displaystyle E_{r}}$ de ankerspanning in volt (V)

${\displaystyle c}$ de constructieconstante van de dynamo

${\displaystyle \omega _{r}}$ de hoeksnelheid van de rotor in rad sec⁻¹

${\displaystyle \Phi }$ de poolflux van het bekrachtigingsveld in weber (Wb)

Als gevolg van onder andere de inwendige weerstand van de dynamo is bij stroomafname de spanning op de uitgangsklemmen van de dynamo:

${\displaystyle U_{k}=E_{r}-I_{a}\cdot R_{a}-U_{c}}$

Hierin is:

${\displaystyle U_{k}}$ de klemspanning in volt (V)

${\displaystyle I_{a}}$ de ankerstroom in ampère (A)

${\displaystyle R_{a}}$ de weerstand van het anker in ohm (Ω)

${\displaystyle U_{c}}$ het spanningsverlies van de commutator in volt (V)

Wanneer de dynamo wordt belast, zal er een stroom door de ankerwikkeling lopen. Deze stroom zal in het magnetische veld een lorentzkracht opwekken. Tegengesteld aan het drijvende koppel, zal deze ankerstroom ${\displaystyle I_{a}}$ een tegenkoppel ${\displaystyle T_{t}}$ creëren:

${\displaystyle T_{t}=c\cdot \Phi \cdot I_{a}}$

Hierin is:

${\displaystyle T_{t}}$ het tegenkoppel in newtonmeter (Nm)

${\displaystyle c}$ de constructieconstante van de dynamo

${\displaystyle \Phi }$ de poolflux van het bekrachtigingsveld in weber (Wb)

${\displaystyle I_{a}}$ de ankerstroom in ampère (A)

Constructie

Hoewel de specifieke uitvoeringen onderling kunnen verschillen, bestaat elke dynamo in principe uit de volgende onderdelen:

• De stator, het stilstaande gedeelte van gietstaal waarin het magneetveld wordt gevormd. Bij kleine uitvoeringen door een of meer permanente magneten, bij de grotere uitvoeringen door elektromagneten (veldspoelen). Het magneetveld dat in de stator wordt opgewekt, wordt het excitatie- of bekrachtigingsveld genoemd.
• Het anker (of rotor) met commutator: het draaiende gedeelte met de ankerspoelen waarin de spanning wordt opgewekt. Om het ijzerverlies te beperken is het anker opgebouwd uit een groot aantal ankerblikken van weekijzer, die ten opzichte van elkaar door een dun laklaagje zijn geïsoleerd. De uiteinden van de ankerspoelen zijn verbonden met de koperen lamellen van de commutator. De lamellen zijn onderling geïsoleerd met plaatjes micaniet.
• De borstelbrug met de koolborstels, die op de commutator rusten. Hiermee wordt de stroom van het draaiende anker afgenomen.
• Net als bij gelijkstroommotoren worden bij grotere dynamo’s hulp- en/of compensatiewikkelingen in de stator aangebracht om de gevolgen van ankerreactie in te perken of op te heffen.

De wijze van bekrachtiging, het opwekken van het magnetische veld in de stator, bepaalt in belangrijke mate het gedrag van de dynamo. De meest voorkomende uitvoeringsvormen zijn:

Afzonderlijke bekrachtiging

Bij een afzonderlijk of vreemd bekrachtigde dynamo worden de veldspoelen in de vorm van elektromagneten gevoed uit een aparte gelijkstroombron, zoals een accu, een gelijkgerichte wisselspanning of een andere dynamo.

Daar de grootte van de opgewekte spanning afhankelijk is van de magnetische flux van de veldwikkeling, kan deze geregeld worden door de stroom in de veldketen te variëren. Het regelen van de bekrachtigingsstroom kan worden gedaan door in serie met de veldwikkeling een regelweerstand Rv op te nemen, de veldregelaar.

Vaak is de veldregelaar uitgerust met een rustcontact, om de veldwikkeling kort te sluiten bij uitschakeling. Hiermee worden hoge inductiespanningen voorkomen. In de kortgesloten veldketen wordt de eventueel nog aanwezige magnetisch energie omgezet in warmte.

Omdat de spanningsregeling op een zeer soepele wijze plaatsvindt, is deze vorm van bekrachtigen bijzonder geschikt voor de voeding van gelijkstroommotoren met een sterk wisselende belasting, de Ward-Leonardschakeling.

Vermogensomzetting

In een dynamo wordt mechanisch vermogen omgezet in elektrisch vermogen volgens onderstaande formule:

${\displaystyle T\cdot \omega _{r}=P_{\text{mech}}\Longleftrightarrow P_{\text{elek}}=E_{r}\cdot I_{a}}$

Niet alle mechanisch vermogen wordt omgezet in elektriciteit. Een gedeelte van het toegevoerde vermogen gaat verloren, en komt in de machine vrij als warmte. Deze vermogensverliezen zijn:

• Mechanische verliezen ${\displaystyle P_{\text{m}}}$: Wrijvingsverliezen veroorzaakt door de lagers, borstels op de commutator en ventilator van de dynamo.
• IJzerverliezen ${\displaystyle P_{\text{fe}}}$: Hysteresis- en wervelstroomverliezen in de ferromagnetische keten van de rotor en poolschoenen.
• Koperverliezen ${\displaystyle P_{\text{cu}}}$: Jouleverliezen in anker-, bekrachtiging-, hulp en/of compensatiewikkelingen.

Het nuttige elektrische vermogen P_n kan vervolgens berekend worden met:

${\displaystyle P_{\text{n}}=U_{k}\cdot I=(E_{r}\cdot I_{a})-P_{\text{cu}}=P_{\text{as}}-P_{\text{m}}-P_{\text{fe}}-P_{\text{cu}}}$

Toepassingen

Door de verbeterde techniek van gelijkrichters is het toepassingsgebied van dynamo’s sterk achteruitgegaan. Dynamo's worden of werden toegepast op de volgende gebieden:

• Tachogenerator in de meet- & regeltechniek.
• Voor de komst van de vermogenselektronica werden dynamo’s veel toegepast in roterende omvormers voor het omvormen van de ene soort elektrische energie in een andere gewenste soort en met de gewenste spanning en frequentie.
• Dynamo's zijn ook in regelsystemen, zoals de Ward-Leonardschakeling, een snelheidsregeling met behulp van gelijkstroommachines, als roterende omvormer toegepast.
• In elektriciteitscentrales worden soms nog dynamo’s gebruikt om de gelijkspanning op te wekken voor de bekrachtiging van de excitatiespoelen van de wisselstroomgeneratoren (alternatoren).
• Voeding van gelijkstroomnetten voor bijvoorbeeld laboratoriumdoeleinden en het laden van batterijen.
• Op fietsen wordt een fietsdynamo gebruikt om stroom voor de verlichting te leveren. De fietsdynamo is eigenlijk een alternator, omdat er wisselspanning wordt opgewekt in plaats van gelijkspanning. De meest gebruikte fietsdynamo wordt voor gebruik tegen de voorband gedrukt, maar er bestaan ook die als een rol tegen de achterband lopen. Bij moderne fietsen is de dynamo soms verwerkt in de wielnaaf, men spreekt dan van een naafdynamo.

Zie de categorie Dynamos van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.