ลักษณะโครงสร้างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

ลักษณะโครงสร้างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง
              โครงสร้างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งประกอบด้วยส่วนสำคัญต่างๆคือ อาร์เมเจอร์ คอมมิวเตเตอร์ ขั้วแม่เหล็ก แปรงถ่าน นอกจากนี้ยังมีส่วนประกอบย่อยอื่นๆ
อาร์เมเจอร์(Armature)
              อาร์เมเจอร์หรือในบางครั้งเรียกว่า ชุดประกอบอาร์เมเจอร์ จะประกอบด้วยส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดทุกชิ้นที่หมุน ส่วนประกอบเหล่านี้คือ เพลา แกนอาร์เมเจอร์ ขดลวดอาร์เมเจอร์ และคอมมิวเตเตอร์ แกนอาร์เมเจอร์และคอมมิวเตเตอร์จะถูกยึดอยู่บนเพลาโดยมีขดลวดพันอยู่ในร่องหรือสล็อต (Slots) ไปรอบๆแกนอาร์เมเจอร์ และปลายทั้งสองข้างของขดลวดแต่ละขดจะต่อเข้ากับซี่คอมมิวเตเตอร์
แกนอาร์เมเจอร์ มีรูปร่างเป็นทรงกระบอกและทำด้วยเหล็กอ่อน แทนที่จะใช้เหล็กที่มีเนื้อเดียวกันตลอด แกนจะทำด้วยเหล็กแผ่นบางๆหลายๆแผ่นอัดซ้อนกัน เหล็กแต่ละแผ่นจะฉาบด้วยฉนวนวานิชทั้งสองข้าง แล้วจึงอัดเข้าด้วยกันเป็นรูปทรงกระบอก เหล็กแผ่นบางแต่ละแผ่นจะมีรอยบากไปรอบๆริมขอบรอบวงของมันเพื่อลดการสูญเสียเนื่องจากอิสเตอรีซิส(Hysteresis loss) หรือการสูญเสียที่เกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กตกค้างที่เกิดขึ้นในแกนอาร์เมเจอร์ ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการกลับทิศทางของการเกิดอำนาจแม่เหล็กในแกนเกิดล้าหลังการกลับทิศทางของกระแสอยู่เสมอ ดังนั้นในทางปฏิบัติแกนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดจะทำจากแผ่นเหล็กซิลิกอลอ่อนหนาประมาณ 0.5 มม. ทั้งนี้เพราะว่าเหล็กชนิดนี้มีการสูญเสียเนื่องจากฮิสเตอรีซิสต่ำ ส่วนเพลาของเครื่องกำเนิดจะทำจากท่อนเหล็กกลมและมีผิวเรียบ
ขดลวดอาร์เมเจอร์ ขดลวดแต่ละขดที่ประกอบกันเป็นชุดขดลวดอาร์ เมเจอร์จะถูกพันไปรอบๆแกนของอาร์เมเจอร์ โดยที่ด้านข้างทั้งสองของขดลวดแต่ละขดจะถูกบรรจุลงในสล็อตบนแกนของอาร์เมเจอร์ ในอาร์เมเจอร์ส่วนใหญ่ขดลวดของมันจะถูกพันให้อยู่ในรูปแบบที่แน่นอนเสียก่อน และหลังจากนั้นจึงบรรจุลงในแกน ขดลวดที่พันในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า ขดลวดที่พันขึ้นรูปหรือฟอร์มไวดิ้น (Form winding) และทุกๆวงหรือทุกๆรอบ ในขดแต่ละขดจะถูกห่อหุ้มเข้าด้วยกันด้วยแผ่นฉนวน และที่ขดลวดแต่ละขดจะมีปลายขดลวดยื่นออกมาสองปลายเท่านั้นสำหรับต่อเข้ากับคอมมิวเตเตอร์
ลิ่ม ซึ่งทำจากวัสดุที่เป็นฉนวนจะถูกสอดใส่เข้าไปในสล็อตของแกนเพื่อยึดขดลวดให้อยู่ในตำแหน่งที่มั่นคง นอกจากนี้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบางตัวจะมีแถบเหล็กแบนยึดไปรอบๆ อาร์เมเจอร์เพื่อป้องกันขดลวดหลุดออกจากสล็อตเนื่องจากแรงเหวี่ยงจากศูนย์กลางในขณะที่มันหมุน

คอมมิวเตเตอร์
                  เป็นส่วนที่ทำหน้าที่เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับในขดลวดอาร์เมเจอร์ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ตามมิวเตเตอร์ประกอบด้วยซี่ทองแดงจำนวนหลายๆซี่ ซี่ย่อยๆแต่ละซี่จะถูกประกบเข้าด้วยกันให้อยู่ในรูปของทรงกระบอกและถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยจานหนีบ(Clapmling Flange) โดยที่ซี่คอมมิวเตเตอร์แต่ละซี่จะถูกสอดใส่เข้าไปในช่องว่างที่มีลักษณะเป็นรูปลิ่ม ระหว่างซีกทั้งสองของจานหนีบ แล้วจึงยึดจานหนีบให้แน่นด้วยสลักเกลียว (Bolts) เพื่อยึดซี่คอมมิวเตเตอร์ให้อยู่ในตำแหน่งของมันอย่างมั่นคง ระหว่างซี่คอมมิวเตเตอร์แต่ละซี่จะมีแผ่นไมก้าบางๆคั่นอยู่ เพื่อไม่ให้ต่อถึงกันทางไฟฟ้า ระหว่างซี่คอมมิวเตเตอร์ทั้งหมดและจานหนีบจะมีวงแหวนที่ทำจากไมก้าคั่นอยู่เช่นเดียวกัน เพื่อไม่ให้มันต่อถึงกันทางไฟฟ้า ปลายแต่ละข้างของขดลวดอาร์เมเจอร์ จะต่อเข้ากับบริเวณที่ถูกยกเป็นขอบขึ้นของซี่คอมมิวเตเตอร์แต่ละซี่ ซึ่งเรียกว่าสันหรือยกขอบ(Risers) คอมมิวเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงบางตัวไม่มีสันหรือยกขอบ ในกรณีเช่นนี้ปลายตัวนำจากขดลวดอาร์เมเจอร์จะต่อเข้ากับร่องหรือสลิท(Slit) ที่บริเวณปลายของซี่คอมมิวเตเตอร์ บริเวณผิวของคอมมิวเตเตอร์จะถูกทำให้เรียบอย่างมาก สิ่งนี้ช่วยยืนยันได้ว่าจะสามารถลดความฝืดระหว่างผิวของคอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่านให้เหลือน้อยที่สุด นอกจากนี้แผ่นไมก้าที่ใช้คั่นระหว่างซี่คอมมิวเตเตอร์แต่ละซี่ จะถูกตัดให้ต่ำกว่าระดับผิวของคอมมิวเตเตอร์เพียงเล็กน้อย ทั้งนี้เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้มันสัมผัสกับแปรงถ่านโดยตรง

ขั้วแม่เหล็ก
                เป็นส่วนที่สร้างสนามแม่เหล็กให้ผ่านแกนเหล็กอาร์เมเจอร์ ขั้วแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงจะยึดติดกับเครื่องเครื่อง(Frame or yoke) หรือขดลวดฟิลด์ (Field coil) แกนของขั้วแม่เหล็ก(Pole core) และโปลชู(Pole shoe)
โครงเครื่อง ใช้เป็นตัวรองรับทางกล สำหรับส่วนประกอบต่างๆที่ประกอบกันขึ้นเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตัวโครงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าส่วนใหญ่มันยังถูกใช้เป็นตัวป้องกันสิ่งรบกวนจากภายนอกอีกด้วย เช่นฝุ่นผงและความชื้น ตัวโครงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดจะประกอบด้วยสามส่วน คือ ตัวโครงหลัก(Main frame) หนึ่งชิ้นและฝาประกบหัวท้าย(End frame) อีกสองชิ้น โครงหลักจะเป็นตัวยึดหรือรองรับขดลวดสนามแม่เหล็ก นอกจากนี้มันยังถูกใช้ให้เป็นทางเดินของวงจรแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดสนามแม่เหล็กอีกด้วย ด้วยเหตุที่มันทำหน้าที่เป็นทางเดินของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นตัวโครงจึงต้องทำจากเหล็กหรือเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ดี ความหนาของตัวโครงจะขึ้นอยู่กับขนาดที่มันจะต้องรองรับทางกล ในขณะเดียวกันจะขึ้นอยู่กับความเข้มของสนามแม่เหล็กที่มันจะต้องรองรับด้วย ส่วนฝาประกบหัวท้ายจะยึดเข้ากับปลายแต่ละด้านของตัวโครงหลักโดยใช้สกรูเกลียวเป็นตัวยึดเข้าด้วยกัน โดยมีตลับลูกปืนหรือรองลื่น(Bearing) ฝังอัดไว้อย่างมิดชิดอยู่ภายในฝาประกบหัวท้ายข้างละอัน
แกนของขั้วแม่เหล็กและโปลชู ปกติจะทำจากเหล็กแผ่นบางๆ(Laminated sheet steel) ปั๊มเป็นแกนของขั้วแม่เหล็กและโปลชูในแผ่นเดียวกัน แล้วนำมาประกอบเข้าด้วยกัน ซึ่งวิธีนี้จะช่วยลดการสูญเสียที่เกิดจากกระแสไหลวน โปลชู คือ ส่วนที่ยื่นออกจาขอบทั้งสองบริเวณด้านหน้าของชั้วแม่เหล็กและมีลักษณะโค้งงอตามความโค้งของแกนอาร์เมเจอร์ โดยจุดประสงค์เพื่อจะรักษาช่วงว่าง(Air gap) ระหว่างแท่งขั้วแม่เหล็ก และอาร์เมเจอร์ให้เหลือน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ทั้งนี้ก็เพราะว่าอากาศมีความต้านทานต่อฟลักซ์แม่เหล็กสูงมากเมื่อเทียบกับเนื้อเหล็ก
ขดลวดสนามแม่เหล็ก คือขดลวดที่พันรอบแกนของขั้วแม่เหล็กทุกขั้ว โดยมากมักจะใช้ขดลวดสนามแม่เหล็กที่พันไว้ล่วงหน้าหุ้มฉนวนอาบวานิช และอบแห้เรียบร้อยแล้วไปสวมเข้ากับแกนของขั้วแม่เหล็ก การต่อขดลวดสนามแม่เหล็กของแต่ละชั้วเข้าด้วยกัน จะต้องทำให้เกิดขั้นเหนือและขั้วใต้สลับกันไป ขดลวดสนามแม่เหล็กที่ต่อขนานหรือชั้นต์กับอาร์เมเจอร์จะประกอบด้วยจำนวนรอบมาก แต่เป็นลวดทองแดงหุ้มฉนวนที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดเล็ก ในขณะที่ขดลวดสนามแม่เหล็กที่ต่ออนุกรมกับอาร์เมเจอร์จะประกอบด้วยจำนวนรอบน้อยรอบ แต่เป็นลวดทองแดงหุ้มฉนวนที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางที่โตกว่า อย่างไรก็ตาม เส้นลวดตัวนำที่ใช้ในขดลวดสนามแม่เหล็กอนุกรม จะต้องมีขนาดโตพอที่จะรองรับกระแสโหลดทั้งหมดได้อย่างเพียงพอโดยไม่เกิดความร้อนมากเกินไป

แปรงถ่านและชุดยึดแปรงถ่าน
                    แปรงถ่านเป็นตัวส่งผ่าน หรือ ถ่านทอดกำลังด้านออกของเครื่องกำเนิดจากคอมมิวเตเตอร์ไปยังวรจรภายนอก โดยปกติมันเป็นแท่งเล็กๆทำจากส่วนผสมระหว่างคาร์บอนและการไฟต์ ไม่ต้องใช้การหล่อลื่นระหว่างแปรงถ่านและคอมมิวเตเตอร์ เนื่องจากกราไฟต์ในตัวแปรงถ่านมีคุณสมบัติของการหล่อลื่นอยู่ในตัวของมันเองอยู่แล้ว แปรงถ่านจะถูกสอดใส่เข้าไว้ในซองยึดแปรงถ่าน และถูกยึดให้กดลงบนซี่คอมมิวเตเตอร์ด้วยสปริง ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าส่วนใหญ่แรงกดของสปริงสามารถที่จะทำการปรับค่าได้ ถ้าแรงกดถูกตั้งไว้สูงมากเกินไปจะทำให้แปรงถ่านสึกเร็วขึ้น แต่ถ้าแรงกดถูกตั้งไว้ต่ำเกินไปจะทำให้การสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างแปรงถ่านและซี่คอมมิวเตเตอร์อยู่ในสภาวะที่ไม่ดีเท่าที่ควร
ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าส่วนใหญ่ แปรงถ่านจะต่อถึงกันทางไฟฟ้าเข้ากับซองยึดแปรงถ่านด้วยลวดทองแดงถึกซึ่งเรียกว่าลวดเกลียวทางเปีย(Pigtails) แต่สำหรับในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบธรรมดา ขนาดของแปรงถ่านจะถูกทำให้สวมเข้าพอดีกับซองยึดแปรงถ่านและใช้เป็นการต่อถุงกันทางไฟฟ้าด้วย ดังนั้นการต่อไปยังวงจรภายนอกจึงต้องต่อจากซองยึดแปรงถ่าน ถึงแม้ว่าซองยึดแปรงถ่านจะติดตั้งอยู่บนตัวโครงของเครื่องกำเนิด แต่มันก็มีฉนวนกั้นไม่ให้ต่อถึงกันทางไฟฟ้าเข้ากับตัวโครง ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าส่วนใหญ่ซองยึดแปรงถ่านติดตั้งอยู่ในตำแหน่งที่ไม่สามารถที่จะใช้มือล้วงถึงได้อย่างสะดวก ดังนั้นโดยปกติจึงมักใช้สลักเกลียวเป็นตัวต่อออกมายังด้านนอกของตัวโครงเครื่องกำเนิด ถึงแม้ว่าแปรงถ่านจะถูกออกแบบให้ใช้ได้ในระยะเวลานาน แต่มันก็จะสึกเร็วกว่าคอมมิวเตเตอร์ นอกนากนี้มันยังมีราคาถูกกว่าและสามารถที่จะเปลี่ยนใหม่ได้ง่ายกว่าอาร์เมเจอร์ โดยปกติแปรงถ่านจะถูกสร้างให้ค่อนข้างมีความยาวเพื่อให้มันสึกลงได้เป็นระยะเวลานานก่อนที่มันจะทำการเปลี่ยนใหม่ ในขณะที่แปรงถ่านสึกลง สปริงจะเป็นตัวกดให้มันเคลื่อนที่เข้าหาคอมมิวเตเตอร์ ถึงแม่ว่าแปรงถ่านจะถูกออกแบบให้ใช้ได้ระยะเวลานาน แต่มันก็จะสึกเร็วกว่าคอมมิวเตเตอร์ นอกนากนี้มันยังมีรคาถูกกว่าและสามารถที่จะเปลี่ยนใหม่ได้ง่ายกว่าอาร์เมเจอร์ โดยปกติแปรงถ่านจะถูกสร้างให้ค่อนข้างมีความยาว เพื่อให้มันสึกลงได้เป็นระยะเวลานานก่อนที่มันจะทำการเปลี่ยนใหม่ ในขณะที่แปรงถ่านสึกลง สปริงจะเป็นตัวกดให้มันเคลื่อนที่เข้ามาคอมมิวเตเตอร์

ส่วนประกอบที่สำคัญอื่นๆ
                     ส่วนประกอบที่สำคัญอื่นๆ อีกสองอย่างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า คือ ตลับลูกปืนหรือแบริ่ง (Bearings) และวิธีการระบายความร้อน(Colling methods) ในทางปฏิบัติเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กเกือบทั้งหมดจะใช้ตลับลูกปืน เพื่อช่วยให้อาร์เมเจอร์หมุนอย่างราบเรียบที่ความเร็วสูง โดยที่ให้มีความฝืดเกิดขึ้นเล็กน้อยที่สุด ตลับลูกปืนจะเป็นตัวสวมเข้ากับเพลาของอาร์เมเจอร์และมันถูกฝังไว้อย่างมิดชิดที่ฝาประกบหัวท้าย ดังนั้นเมื่อฝ่าประกบหัวท้ายถูกยึดเข้ากับตัวโครงด้วยสกรูเกลียว อาร์เมเจอร์จึงถูกยึดหรือรองรับด้วยฝาประกบหัวท้าย ตลับลูกปืนในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบางตัวจะมีการหล่อลื่นอย่างถาวร โดยที่ระบบการหล่อลื่นถูกฝังหรือผนึกเข้าไว้อย่างดีในระหว่างการผลิต ดังนั้นจึงไม่จำเป็นที่จะต้องทำการหล่อลื่นอีกในขณะใช้งาน ส่วนในเครื่องกำเนิดที่ไม่ได้ฝังหรือผนึกระบบการหล่อลื่นของตลับลูกปืนเอาไว้ จะต้องทำการหล่อลื่นภายในระยะเวลาที่แน่นอนในขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกใช้งาน โดยปกติสิ่งนี้จะทำเป็นถ้วยรูปกรวยติดตั้งอยู่ที่ฝาประกบหัวท้าย ซึ่งเตรียมไว้สำหรับเติมจาระบีหรือน้ำมัน
เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานที่อัตราพิกัดเต็มที่ มันจะมีความร้อนเกิดขึ้นด้วย วิธีการระบายความร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดคือ ใช้พัดลม และให้มีช่องหรือรูปสำหรับระบายอากาศช่อง ซึ่งจะเปิดว่างอยู่ที่ฝาประกบหัวท้ายและที่ตัวโครงหลักซึ่งอยู่ใกล้กับขดลวดสนามแม่เหล็ก สำหรับในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่จะมีรูหรือช่องสำหรับระบายอากาศผ่านอาร์เมเจอร์ ส่วนพัดลมจะถูกติดตั้งอยู่บนปลายข้างหนึ่งของเพลาอาร์เมเจอร์

Credit: http://nateekku.blogspot.com/2015/12/blog-post_21.html