การพันขดลวดอเมเจอร์

การพันขดลวดอาร์เมเจอร์
                   เช่นเดียวกับการรวมขดลวดสนามแม่เหล็กย่อยแต่ละขดเข้าด้วยกันประกอบกันขึ้นเป็น ชุดขดลวดสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิด การรวมขดลวดอาร์เมเจอร์ย่อยแต่ละขดเข้าด้วยกันก็ถูกเรียกว่าชุดขดลวดอาร์เมเจอร์ของเครื่องกำเนิด ปลายทั้งสองข้างของอาร์เมเจอร์แต่ละขดจะต่อเข้ากับซี่ของคอมมิวเตเตอร์ที่อยู่ห่างกัน และแรงดันที่เกิดขึ้นจะถูกแปรงถ่านนำออกไปสู่วงจรภายนอก

ชนิดของการพันขดลวดอาร์เมเจอร์แบ่งออกได้เป็น 2 แบบคือ
              อาร์เมเจอร์แบบวงแหวน(Ring – wound armature)
              อาร์เมเจอร์แบบดรัม(Drum armature)
                          การพันขดลวดในอาร์เมเจอร์แบบดรัม แบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ แบบแล็ป (Lap winding) และแบบเวฟ (Wave winding) ความแตกต่างของการพันทั้งสองแบบคือการนำปลายสายทั้งสองขดลวดไปต่อเข้ากับคอมมิวเตเตอร์
              การพันขดลวดอาร์เมเจอร์แบบแล็ป (Lap winding)
              การพันขดลวดอาร์เมเจอร์แบบเวฟ (Wave winding)

การแบ่งชนิดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง แบ่งออกตามลักษณะการนำกระแสไฟฟ้าไปกระตุ้นขดลวดสนามแม่เหล็ก ได้ 2 แบบ คือ

เครื่องกำเนิดชนิดกระตุ้นแบบแยก (Separately excited generator)
           คือเครื่องกำเนิดชนิดหรือประเภทที่ซึ่ง ขดลวดสนามแม่เหล็กของมันถูกกระตุ้นจากแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงจากภายนอกที่แยกต่างหาก ซึ่งแหล่งจ่ายที่ใช้ในการกระตุ้นสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงจากภายนอกที่แยกต่างหาก ซึ่งแหล่งจ่ายที่ใช้ในการกระตุ้นสำหรับเครื่องกำเนิดชนิดนี้อาจจะเป็นแบตเตอรี่ หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงตัวอื่นๆ เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวอื่นๆถูกนำมาใช้ในการกระตุ้น มันก็จะถูกเรียกว่า ตัวกระตุ้นหรือเอ็กเซเตอร์(Exciter)สัญลักษณ์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดกระตุ้นแบบแยก
เนื่องจากการกระตุ้นแบบแยกต้องการแบตเตอรี่หรือเครื่องกำเนิดที่แยกต่างหาก ดังนั้น โดยทั่วไป มันจึงมีราคาแพงกว่าการกระตุ้นตัวเอง ตามผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นโดยปกติแล้วการกระตุ้นแบบแยกจะถูกนำมาใช้เมื่อการกระตุ้นตัวเองให้ผลไม่เป็นที่น่าพอใจ ซึ่งสิ่งที่เกิดขึ้นในกรณีที่เครื่องกำเนิดต้องตอบสนองอย่างรวดเร็ว และถูกต้องแน่นอนต่อการควบคุมแหล่งจ่ายจากภายนอก หรือเมื่อแรงดันด้านออกของเครื่องกำเนิดต้องเปลี่ยนแปลงไปในย่านที่กว้างในระหว่างที่มันทำงานตามปกติ
เครื่องกำเนิดชนิดกระตุ้นตัวเอง(Self excited generator) คือ เครื่องกำเนิดชนิดหรือประเภทซึ่งชุดขดลวดสนามแม่เหล็กของมัน ถูกกระตุ้นด้วยกระแสที่เกิดจากตัวของมันเอง เนื่องจากแม่เหล็กตกค้างจึงมีฟลักซ์แม่เหล็กบางส่วนหลงเหลืออยู่ภายในแท่งขั้วแม่เหล็กเสมอ เมื่ออาร์เมเจอร์หมุนจะมีแรงเคลื่อนจำนวนหนึ่งเกิดขึ้น และทำให้กระแสเหนี่ยวนำจำนวนหนึ่งเกิดขึ้นด้วยซึ่งเป็นบางส่วนหรือทั้งหมดที่มันเคลื่อนที่ผ่านชุดขดลวดสนามแม่เหล็ก เพราะฉะนั้นฟลักซ์แม่เหล็กที่ตกค้างที่แท่งขั้วแม่เหล็กจึงถูกทำให้มีความเข้มมากขึ้น

เครื่องกำเนิดชนิดกระตุ้นตัวเอง
        แบ่งออกตามลักษณะการต่อขดลวดสนามแม่เล็กกับวงจรขดลวดอาร์เมเจอร์ได้เป็น 3 แบบ คือ
1. เครื่องกำเนิดแบบอนุกรม (Series generator)
2. เครื่องกำเนิดแบบขนาน(Shunt generator)
3. เครื่องกำเนิดแบบผสม(Compound generator)

เครื่องกำเนิดแบบอนุกรม (Series generator) เครื่องกำเนิดชนิดนี้ชุด ขดลวดสนามแม่เหล็กจะต่ออนุกรมเข้ากับเอาต์พุดของเครื่องกำเนิด กระแสกระตุ้นที่ไหลผ่านชุดขดลวดสนามแม่เหล็กจะเป็นค่าเดียวกันกับกระแสที่เครื่องกำเนิดจ่ายให้โหลด ถ้าโหลดมีความต้านทานสูง มันก็จะดึงกระแสดจากเครื่องกำเนิดได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และกระแสกระตุ้นก็จะมีค่าเพียงเล็กน้อยตามไปด้วยทำให้ความเข้มของสนามแม่เหล็กน้อย ซึ่งจะทำให้แรงเคลื่อนที่ขั้วของเครื่องกำเนิดมีค่าต่ำ ในลักษณะทำนองเดียวกัน ถ้าโหลดดึงกระแสมากกระแสกระตุ้นก็จะมีค่ามากด้วย ซึ่งจะทำให้สนามแม่เหล็กของชุดขดลวดสนามแม่เหล็กมีความเข้มมาก และแรงดันที่ขั้วของเครื่องกำเนิดก็จะมีค่าสูง ดังนั้นจึงพิจารณาเห็นได้ว่าเครื่องกำเนิดแบบอนุกรม การเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดจะมีผลอย่างมากต่อแรงดันที่ขั้วของเครื่องกำเนิด เพราะฉะนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่า เครื่องกำเนิดแบบอนุกรมจะมีความสม่ำเสมอของแรงดันที่แย่(Poor voltage regulation) และจากผลลัพธ์ที่เกิดขึ้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอนุกรมจึงไม่มีความเหมาะสมที่จะนำไปใช้กับโหลดที่ไม่คงที่หรือมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา

เครื่องกำเนิดแบบขนาน(Shunt generator) เครื่องกำเนิดชนิดนี้ชุดขดลวด สนามแม่เหล็กจะพันด้วยขดลวดเส้นเล็ก พันจำนวนมากรอบต่อขนานกับอาร์เมเจอร์และโหลด ค่าของกระแสกระตุ้นในเครื่องกำเนิดแบบขนานจะขึ้นอยู่กับ แรงดันที่ขั้วและความต้านทานของชุดขดลวดสนามแม่เหล็ก โดยปกติกระแสกระตุ้นจะถูกรักษาให้มีค่าอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ของกระแสทั้งหมดที่ไหลออกจากเครื่องกำเนิด

เครื่องกำเนิดแบบผสม(Compound generator) ทั้งเครื่องกำเนิดแบบ อนุกรมและแบบขนานต่างก็มีข้อเสียที่เหมือนกัน กล่าวคือ เมื่อกระแสโหลดของมันเกิดการเปลี่ยนแปลงจากค่าศูนย์จนถึงค่าใช้งานปกติ จะทำให้แรงดันที่ขั้วของมันเกิดการเปลี่ยนแปลง สำหรับในเครื่องกำเนิดแบบอนุกรมเมื่อกระแสไหลเพิ่มขึ้นเป็นเหตุให้แรงดันที่ขั้วเพิ่มขึ้น ในขณะที่ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขนานเมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้นเป็นเหตุให้แรงดันที่ขั้วลดลง ในการใช้งานหลายอย่างที่เครื่องกำเนิดต้องการให้ได้แรงดันที่ขั้วของมันมีเสถียรภาพมากกว่าเช่นที่มันจ่าย โดยเครื่องกำเนิดอนุกรมหรือแบบขนาน วิธีหนึ่งที่ใช้เพื่อที่จะให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมีเสถียรภาพ คือ การใช้เครื่องกำเนิดแบบขนานในรูปแบบการปรับค่าแรงดันไฟฟ้าให้ดีขึ้น และอีกวิธีหนึ่งของการจ่ายแรงดันที่ขั้วให้มีเสถียรภาพ คือ การใช้เครื่องกำเนิดแบบผสม
เครื่องกำเนิดแบบผสมเชิงสะสม แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
เครื่องกำเนิดแบบผสมชนิดผสมเรียบ(Flat compound generator)
เครื่องกำเนิดแบบผสมชนิดผสมเกิน(Over compound generator)
เครื่องกำเนิดแบบผสมชนิดผสมขาด(Under compound generator)

สมการของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ 

ให้ Ø= ฟลักซ์แม่เหล็กต่อหนึ่งขั้ว หน่วยเป็น Wb
Z = ลวดตัวนำทั้งหมดในอาร์เมเจอร์  = จำนวนร่องทั้งหมด x จำนวนตัวนำ/ร่อง
P = จำนวนขั้วแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
A = จำนวนทางขนานในอาร์เมเจอร์
N = ความเร็วรอบของอาร์เมเจอร์ หน่วยเป็นรอบต่อนาที
E = แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในแต่ละทาง
เมื่อ A = 2 สำหรับการพันขดลวดอาร์เมเจอร์แบบเวฟหรือซิมเพลกซ์เวฟ
A = P สำหรับการพันขดลวดอาร์เมเจอร์แบบแล็ปหรือซิมเพลกซ์แล็ป
และ A = 2x2= 4 สำหรับการพันแบบดูเพลกซ์เวฟ
A = 3x2= 6 สำหรับการพันแบบทริพเพลกซ์เวฟ
A = 2P สำหรับการพันแบบดูเพลกซ์แล็ป
A = 3P สำหรับพันแบบทริพเพลกซ์แล็ป

คอมมิวเตชั่น(Commutation)
               คือ กระบวนการกลับทิศทางการไหลของกระแสในขดลวดอาร์เมเจอร์ย่อยแต่ละขดและนำพากระแสไฟตรงไปสู่วงจรภายนอกโดยผ่านซี่คอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่านซึ่งเกิดขึ้นในระยะเวลาสั้นๆ คอมมิวเตชั่นจะเกิดขึ้นพร้อมๆกันในทิ้งสองขดลวดที่กำลังถูกลัดวงจร โดยที่ขดลวด จะถูกลัดวงจรด้วยแปรงถ่านบวก และขดลวดที่อยู่ฝั่งตรงข้ามจะถูกลัดวงจรด้วยแปรงถ่านลบ เพื่อไม่ให้เกิดการ สปาร์คขึ้นระหว่างซี่คอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่าน ก็จะต้องวางแปรงถ่านให้อยู่ในตำแหน่งระนาบเป็นกลางที่แท้จริงในขณะที่เครื่องกำเนิดกำลังจ่ายโหลด(ระนาบเป็นกลางทางไฟฟ้า) ทั้งนี้รู้เพราะว่าไม่มีแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดทั้งสอง ณ เวลาในขณะนั้น

อินเตอร์โปลหรือคอมโปล(Interpoles or compoles)
                อินเตอร์โปลเป็นขั้วแม่เหล็กเล็กๆ ที่อยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กหลัก (Main poles) ขดลวดที่พันรอบขั้วอินเตอร์โปลเป็นลวดทองแดงเส้นใหญ่ และต่ออนุกรมกับอาร์เมเจอร์ เมื่อเกิดอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น ระนาบเป็นกลาง(Neutral plane) จะเลื่อนไปในทิศทางการหมุนของอาร์เมเจอร์ ขนาดของมุมที่แปรงถ่านเลื่อนไปขึ้นอยู่กับกระแสโหลด ดังนั้นเมื่อโหลดเปลี่ยนแปลงจึงต้องเลื่อนตำแหน่งแปรงถ่านทุกครั้ง ซึ่งไม่สะดวกในทางปฏิบัติ โดยเฉพราะอย่างยิ่งเมื่อมุมที่แปรงถ่านเลื่อนไปมีขนาดเพิ่มขึ้น ค่าของดีแมกเนไตซิ่ง แอมแปร์-เทินส์(Demagnetizing ampere-turns)ซึ่งสร้างเส้นแรงแม่เหล็กต่อต้านกับฟลักซ์แม่เหล็กของขั้วแม่เหล็กหลักจะมีค่าเพิ่มขึ้น ทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กลดลงเป็นผลให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วลดลง จากข้อเสียดังกล่าวจึงนิยมใช้อินเตอร์โปลแทนการเลื่อนตำแหน่งแปรงถ่าน โดยติดตั้งไว้กึ่งกลางระหว่างขั้วแม่เหล็กหลัก และอยู่เหนือขดลวดอาร์เมเจอร์ที่ถูกลดวงจรพอดี กระแสที่ไหลผ่านผ่านขดลวดอินเตอร์โปลจะเป็นกระแสจากขดลวดอาร์เมเจอร์ ขั้วแม่เหล็กของอินเตอร์โปลจะต้องมีขั้วเหมือนกับขั้วแม่เหล็กหลักตามทิศทางการหมุน

หน้าที่หลักของอินเตอร์โปลมี 2 ประการ คือ
1. ลดประกายไฟที่เกิดจากคอมมิวเตชั่น โดยขดลวดที่ถูกลัดวงจรเมื่อเคลื่อนที่ ตัดกับฟลักซ์แม่เหล็กของอินเตอร์โปลจะร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้น เรียกว่า “คอมมิวเตติ้ง อี.เอ็ม.เอฟ.(Commutating e.m.f.)”
2. การลดคลอสแมกไนเตชิ่ง แอมแปร์เทินส์ที่เกิดจากอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น

ลักษณะสมบัติของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (Characteristic of D.C.generators)
เส้นกราฟลักษณะสมบัติอิ่มตัวขณะไม่มีโหลด (No-load saturation characteristic,E0/If) เรียกกันโดยทั่วไปว่าลักษณะสมบัติทางแม่เหล็ก (Magnetic characteristic) หรือ ลักษณะสมบัติในสภาวะวงจรเปิด (Open-circuit characteristic or o.c.c.) ใช้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในอาร์เมเจอร์ขณะไร้โหลด (E0) และกระแสฟิลด์ (If) เมื่อความเร็วรอบคงที
เส้นกราฟลักษณะสมบัติภายใจ (Internal or total characteristic,E/Ia) เป็นเส้นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในอาร์เมเจอร์ (E) (ภายหลังการเกิดผลของดีแมกเนไตซิ่งของอาร์เมเจอร์รีแอคชั่น) และกระแสอาร์เมเจอร์ (Ia)
เส้นกราฟลักษณะสมบัติภายนอก (External characteristic,V/I) เป็นเส้นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว (V) กับกระแสที่จ่ายให้โหลด (I) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า”Performance characteristic”
การสูญเสียในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง
การสูญเสียในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ
1. การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดง (Copper loss)
2. การสูญเสียที่เกิดจากการหมุน (Rotational loss)

การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดง (Copper loss)
การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดง เป็นกำลังที่สูญเสียไปในรูปของความร้อนในขดลวด เนื่องจากกระแสไหลผ่านขดลวดทองแดง การสูญเสียนี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต้านทานของขดลวดและกรแสที่ไหนผ่านขดลวดยกกำลังสอง โดยที่ความต้านทานของขดลวดจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของขดลวดและเป็นสัดส่วนกลับ กับพื้นที่หน้าตัดของมัน การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดงประกอบด้วย
การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดงในอาร์เมเจอร์ การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดงในอาร์เมเจอร์ จะขึ้นอยู่กับความต้านทานของอาร์เมเจอร์และกระแสที่ไหลผ่านอาร์เมเจอร์ยกกำลังสอง โดยที่ความต้านทานของอาร์เมเจอร์ จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของตัวนำอาร์เมเจอร์และเป็นสัดส่วนกลับกับพื้นที่หน้าตัดของมัน การสูญเสียนี้มีค่าประมาณ 30-40 % ของการสูญเสียเมื่อมีโหลดเต็ม
การสูญเสียที่เกิดจากขดลวดทองแดงในชุดขดลวดสนามแม่เหล็ก การสูญเสียที่เกิดขึ้นในชุดขดลวดสนามแม่เหล็กขนาน(ในกรณีเป็นเครื่องกำเนิดแบบขนาน) การสูญเสียที่เกิดขึ้นในชุดขดลวดสนามแม่เหล็กอนุกรม (ในกรณีเป็นเครื่องกำเนิดแบบอนุกรม) การสูญเสียในขดลวดสนามแม่เหล็กมีค่าประมาณ 20-30% ของการสูญเสียเมื่อมีโหลดเต็ม

การสูญเสียที่เกิดจากการหมุน(Rotational loss) 
 การสูญเสียที่เกิดขึ้นในแกนเหล็ก การสูญเสียที่เกิดขึ้นในแกนเหล็กมี 2 ชนิด คือ การสูญเสียที่เกิดจากกระแสไหลวน การสูญเสียที่เกิดจากฮิสเตอรีซิส
การสูญเสียทางกล (Mechanical loss) การสูญเสียนี้ประกอบด้วย การสูญเสียที่เกิดจากความฝืดที่แบริ่ง(Bearing) และคอมมิวเตเตอร์ การสูญเสียเนื่องจากแรงต้านลมขณะที่อาร์เมเจอร์หมุน
การสูญเสียนี้มีค่าประมาณ 10-20% ของการสูญเสียเมื่อมีโหลดเต็ม การสูญเสียทั้งหมดในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นเนื้อหาของบทความหรือสินค้าโดยละเอียด

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