เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเบื้องต้น
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเบื้องต้น ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 4 ส่วน คือ (1)สนามแม่เหล็ก (2)ขดลวดตัวนำ (3)คอมมิวเตเตอร์ และ (4)แปรงถ่าน สนามแม่เหล็กสามารถที่จะหาได้จากแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ แต่ในขณะที่นี้จะสมมุติให้ใช้แม่เหล็กถาวรก่อน สนามแม่เหล็กจะประกอบด้วยฟลักซ์แม่เหล็กที่อยู่ในลักษณะครบวงจร ฟลักซ์แม่เหล็กจะพุ่งออกจากขั้วเหนือของแม่เหล็กผ่านช่องว่างระหว่างขั้วแม่เหล็กเข้าสู่ขั้วใต้แล้วเคลื่อนที่ผ่านเนื้อในแม่เหล็กกลับไปยังขั้วเหนือขดลวดตัวนำรอบเดียวตั้งอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็ก เพราะฉะนั้นขดลวดดังกล่าวนี้จึงอยู่ในสนามแม่เหล็ก ตราบใดที่ขดลวดไม่เคลื่อนที่ตัดกับสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กก็ไม่ส่งผลใดๆ ต่อขดลวด แต่ถ้าวงขดลวดเคลื่อนที่หมุนตัดกับฟลักซ์แม่เหล็ก มันก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นภายในขดลวด
การแบ่งชนิดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง
1. เครื่องกำเนิดชนิดกระตุ้นแบบแยก (Separaly excited generator)
2. เครื่องกำเนิดชนิด (Self excited generator)
2.1 เครื่องกำเนิดแบบอนุกรม (Series generator)
2.2 เครื่องกำเนิดแบบขนาน (Shunt generator)
2.3 เครื่องกำเนิดแบบผสม (Compound generator)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
อาศัยหลักการขดลวดตัวนำหมุนตัดสนามแม่เหล็ก ขดลวดตัวนำที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำนี้เรียกว่าขดลวดอาร์เมเจอร์(armature) ซึ่งวางอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กและสามารถหมุนได้โดยมีต้นกำลังงานกลมาขับ เมื่อขดลวดนี้ตัดผ่านสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับเกิดขึ้นในขดลวดอาร์เมเจอร์
เมื่อแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับไหลมาถึงซี่คอมมิวเตเตอร์(commutator) ไฟฟ้ากระแสสลับนี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงและไหลออกสู่วงจรภายนอกโดยผ่านแปรงถ่าน(brushes)
เมื่อแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับไหลมาถึงวงแหวนลื่น(slip ring) แรงเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับนี้ไหลออกสู่วงจรภายนอกโดยผ่านแปรงถ่าน(brushes) หลักการกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าโดยวิธีการของขดลวดตัดผ่านสนามแม่เหล็ก มีหลักการดังนี้ให้ขั้วแม่เหล็กอยู่กับที่แล้วนำขดลวดตัวนำมาวางระหว่างขั้วแม่เหล็กแล้วหาพลังงานมาหมุนขดลวดตัดผ่านสนามแม่เหล็ก ทำให้ได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นที่ขดลวดตัวนำนี้
หลักการกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าโดยวิธีการของสนามแม่เหล็กตัดผ่านขดลวด มีหลักการดังนี้ให้ขดลวดลวดตัวนำอยู่กับที่แล้วหาพลังงานกลมาขับให้สนามแม่เหล็กตัดผ่านขดลวดตัวนำ ทำให้ได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวเกิดขึ้นที่ขดลวดตัวนำนี้
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเบื้องต้น (The basic d.c. generator)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเบื้องต้น ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 4 ส่วน คือ
(1) สนามแม่เหล็ก
(2) ขดลวดตัวนำ
(3) คอมมิวเตเตอร์ และ
(4) แปรงถ่าน
สนามแม่เหล็กสามารถที่จะหาได้จากแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ แต่ในขณะที่นี้จะสมมุติให้ใช้แม่เหล็กถาวรก่อนสนามแม่เหล็กจะประกอบด้วยฟลักซ์แม่เหล็กที่อยู่ในลักษณะครบวงจร ฟลักซ์แม่เหล็กจะพุ่งออกจากขั้วเหนือของแม่เหล็กผ่านช่องว่างระหว่างขั้วของแม่เหล็กเข้าสู่ขั้วใต้แล้วเคลื่อนที่ผ่านเนื้อในแม่เหล็กกลับไปยังขั้วเหนือ
ขดลวดตัวนำรอบเดียวตั้งอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็ก เพราะฉะนั้นขดลวดดังกล่าวนี้จึงอยู่ในสนามแม่เหล็ก ตราบใดที่ขดลวดไม่เคลื่อนที่ตัดกับสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กก็ไม่ส่งผลใดๆ ต่อขดลวด แต่ถ้าวงขดลวดเคลื่อนที่หมุนตัดกับฟลักซ์แม่เหล็ก มันก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นภายในขดลวด
การเกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
เมื่อใดก็ตามที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ (Relative motion) ระหว่างตัวนำและสนามแม่เหล็กในทิศทางที่ซึ่งตัวนำตัดกับฟลักซ์แม่เหล็กหรือตัดกับสนามแม่เหล็ก แรงดันไฟฟ้าก็จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในตัวนำ ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้น ค่าหรือขนาด (Magnitude) ของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้น จะขึ้นอยู่กับความเข้มของสนามแม่เหล็กโดยตรง และอัตราที่ซึ่งฟลักซ์แม่เหล็กตัด โดยที่สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มมากกว่าหรือจำนวนของฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดในเวลาที่กำหนดให้มีค่ามากกว่า ก็จะทำให้แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นมีค่ามากกว่า ส่วนทิศทางหรือขั้วของแรงดันที่เกิดขึ้นสามารถหาได้ โดยการใช้กฎมือขวาสำหรับเครื่องกำเนิด โดยความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกับกฎนี้คือ ให้กางมือขวาออกโดยใช้นิ้วหัวแม่มือ นิ้วชี้ และนิ้วกลางต่างตั้งฉากซึ่งกันและกัน ถ้าให้นิ้วชี้ชี้ในทิศทางของสนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือชี้ในทิศทางการเคลื่อนที่ของตัวนำ นิ้วกลางก็จะชี้ในทิศทางของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในเส้นลวดตัวนำ
เมื่อนำกฎมือขวามาใช้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเบื้องต้นที่มีขดลวดเพียงรอบเดียว ก็จะพิจารณาเห็นได้ว่า จะมีแรงดันสองปริมาณที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นบนด้านทั้งสองของวงขดลวดและมีขนาดต่างกัน ทิศทางของมันจะอยู่ในลักษณะอนุกรมกัน ผลคือ ค่าหรือขนาดของแรงดันที่คร่อมอยู่ระหว่างปลายทั้งสองของวงขดลวด จะมีค่าหรือขนาดเป็นสองเท่าของแรงดันที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในแต่ละด้านของวงขดลวด
การทำงานของคอมมิวเตเตอร์
คอมมิวเตเตอร์ ทำหน้าที่เป็นตัวเปลี่ยนแรงดันไฟสลับที่เกิดขึ้นภายในวงขดลวด ให้เป็นแรงดันไฟตรง อย่างไรก็ตามมันเป็นตัวเชื่อมต่อระหว่างแปรงถ่านไปยังขดลวดหมุนด้วย วิธีที่มันเปลี่ยนไฟสลับไปเป็นไฟตรงจะมีความเกี่ยวพันโดยตรงกับบทบาทหน้าที่ของมัน
ส่วนจุดประสงค์ของแปรงถ่าน ก็คือ เป็นตัวเชื่อมต่อแรงดันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยังวงจรภายนอก เพื่อที่จะกระทำสิ่งนี้ แปรงถ่านแต่ละอันจะต้องต่อเชื่อมจะต้องต่อเชื่อมเข้ากับปลายแต่ละข้างของวงขดลวด แต่การเชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยตรงไม่สามารถจะกระทำได้เนื่องจากวงขดลวดเป็นตัวเคลื่อนที่หมุน ดังนั้นแปรงถ่านทั้งสองจึงถูกต่อเชื่อมเข้ากับปลายทั้งสองของวงขดลวดโดยการผ่านคอมมิวเตเตอร์แทนคอมมิวเตเตอร์มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกผ่าครึ่งสองชิ้นประกบกัน มีผิวเรียบทำจากวัสดุตัวนำและมีวัสดุที่เป็นฉนวนคั่นกลาง แต่ละชิ้นหรือแต่ละซึกของคิมมวิเตเตอร์จะต่อเข้ากับปลายข้างหนึ่งของวงขดลวดถาวร เพราะฉะนั้นในขณะที่วงขดลวดหมุนคอมมิวเตเตอร์ก็จะหมุนตามไปด้วย แปรงถ่านแต่ละอันจะถูกกดให้สัมผัสกับคอมมิวเตเตอร์แต่ละซีกและมันจะสัมผัสกับคอมมิวเตเตอร์ตลอดเวลาในขณะที่วงขดลวดเคลื่อนที่หมุน ในวิธีนี้จะทำให้แปรงถ่านแต่ละอันถูกต่อเข้ากับปลายทั้งสองของวงขดลวดโดยผ่านคอมมิวเตเตอร์แต่ละซีกที่แปรงถ่านกดอยู่ เมื่อคอมมิวเตเตอร์หมุนในขณะที่แปรงถ่านอยู่กับที่ ในตอนแรกแปรงถ่านแต่ละอันจะสัมผัสกับคอมมิวเตเตอร์ซีกหนึ่ง และหลังจากนั้นก็จะสัมผัสกับคอมมิวเตเตอร์อีกซีกหนึ่ง ซึ่งสิ่งนี้ให้ความหมายว่า ในตอนแรกแปรงถ่านแต่ละอันจะต่อเข้ากับปลายข้างหนึ่งของวงขดลวด และต่อมาก็จะต่อเข้ากับปลายอีกข้างหนึ่งของวงขดลวด โดยที่แปรงถ่านทั้งสองอันวางอยู่ในตำแหน่งที่ตรงข้ามกับซีกทั้งสองข้างของคอมมิวเตเตอร์ ดังนั้นมันจึงสัมผัสกับคอมมิวเตเตอร์จากซีกหนึ่งไปสู่อีกซีกหนึ่ง ณ เวลาในขณะเดียวกันกับที่ วงขดลวดเคลื่อนที่หมุนมาถึงจุดที่มันเปลี่ยนขั้วของแรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นพอดี ดังนั้นที่ทุกๆ ขณะเวลาที่ปลายทั้งสองของวงขดลวดเปลี่ยนขั้ว แปรงถ่านทั้งสองอันจะเปลี่ยนจุดสัมผัส(สวิตซ์) จากซีกหนึ่งของคอมมิวเตเตอร์ไปสู่อีกซีกหนึ่ง ซึ่งในวิธีการนี้จะทำให้แปรงถ่านอันหนึ่งเป็นบวกเสมอเมื่อเทียบกับอีกอันหนึ่ง เพราะฉะนั้นค่าหรือขนาดของแรงดันระหว่างแปรงถ่านทั้งสองอันจึงขึ้นลงหรือแกว่งไปมาระหว่างค่าศูนย์และค่าสูงสุด แต่มันมีขั้วเดียวเสมอ ดังนั้นแรงดันไฟตรงขึ้นลงหรือแกว่งไปมาจึงเป็นเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง
ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้งานในทางปฏิบัติ วงของขดลวดและคอมมิวเตเตอร์จะประกอบเข้าด้วยกันอยู่บนแกนหมุน ซึ่งเรียกว่า อาร์เมเจอร์ และบางครั้งเรียกว่าโรเตอร์ (Rotor) ดังนั้นอาร์เมเจอร์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบนี้จึงเป็นส่วนที่หมุน
