Dynamo (dynamomachine), - het werktuig, waarin mechanisch arbeidsvermogen wordt omgezet in elektrisch arbeidsvermogen. Dikwijls wordt het woord d. in engeren zin gebruikt voor die machines, waarin gelijkstroom wordt opgewekt in tegenstelling met het woord generator, dat dan dient voor den wissel- of draaistroom. Daar deze splitsing echter volstrekt niet algemeen is en ook weinig zin heeft, omdat de wissel- en gelijkstroommachines in beginsel geheel gelijk zijn, zal zij in het volgende niet worden aangehouden en onder het begrip d. zoowel de wisselals de gelijkstroommachine worden behandeld. Het beginsel, waarop de werking van de d. berust, door Faraday in 1831 ontdekt, bestaat daarin, dat in een geleider, die zoodanig in een magnetisch veld wordt bewogen, dat hij krachtlijnen snijdt, eene electromotorische kracht wordt opgewekt.
Vormt deze geleider een gesloten kringloop, dan zal daarin bij de beweging door het magneetveld een elektrische stroom vloeien. De geschiedenis van den d. is nu niets anders dan het relaas van de opeenvolgende pogingen om dit beginsel op meer en meer volkomen wijze te verwerkelijken. Naast het overwinnen van de mechanische en elektrische moeilijkheden, die dit vraagstuk bood, was vooral hoofdzaak het opvoeren van de verhouding tusschen het geleverde elektrische arbeidsvermogen en het opgeofferde mechanische arbeidsvermogen (het rendement) en het verminderen van de hoeveelheid materialen, die voor de levering van eene bepaalde hoeveelheid elektrisch arbeidsvermogen noodzakelijk zijn.
De voornaamste feiten uit de ontwikkelingsgeschiedenis van den d. zijn de volgende: onmiddellijk na de ontdekking van Faraday construeeren in 1832 Pixii en Clarke kleine d.’s, waarin door de beweging van een permanente magneet langs een stel draadklossen of omgekeerd een elektrische stroom werd opgewekt. Door volgende constructeurs werd het aantal magneten en spoelen vergroot (Stöhrer, 1844), hetgeen wel zijn uiterste bereikte in de machine van l’Alliance, 1859. Een nieuwe stap voorwaarts was de uitvinding van het dubbel T-anker van Werner van Siemens in 1856 (thans nog gebruikt in den generator van telefoontoestellen), maar vooral de toepassing van de electromagneet in plaats van de permanente magneet door Wilde en Ladd in 1866. Aanvankelijk werd daarbij de electromagneet bekrachtigd door een stroom, ontleend aan een kleinere machine met permanente magneet, totdat in 1867 Werner von Siemens en Wheatstone ongeveer gelijktijdig het dynamo-electrische principe toepassen, daarin bestaande, dat de door de machine met electromagneten opgewekte stroom zelf geheel of gedeeltelijk wordt aangewend om de magneten van de eigen machine te bekrachtigen. Het eerste levert de seriedynamo van Siemens, het tweede de shuntdynamo van Wheatstone. Al deze machines leverden tot nu toe wisselstroom, die bij elke omwenteling tweemaal van richting wisselde of wel, door toepassing van den tweedeeligen kommutator pulseerenden gelijkstroom. De echte gelijkstroom ontstaat met het ringanker, in ’65 door Pacinotti gevonden, in ’67 door Gramme in meer volmaakte vorm toegepast.
Bij deze machines treffen we tevens voor het eerst den collector aan. Van alle spoelen nl. die op het ringanker in vrij groot aantal zijn aangebracht wordt een verbinding gelegd naar den op denzelfden as zittenden collector, opgebouwd uit van elkaar geïsoleerde kopersegmenten. Over den collector sleepen vaststaande borstels, aanvankelijk koperborstels, later meer koolborstels, die den stroom aan de wikkeling ontnemen en de uitwendige of gebruiksketen toevoeren. Wel wordt nu nog in elke spoel afzonderlijk eene wisselspanning opgewekt, doch deze spanningen worden door middel van den collector op elk oogenblik over een voortdurend gelijkblijvend aantal spoelen gesommeerd en leveren zoo eene spanning, die nagenoeg constant in richting en grootte is. Met de vinding van het trommelanker door von Hefner Alteneck in 1871 zijn de belangrijkste feiten uit de geschiedenis van den dynamo vermeld. Het belang van deze vinding schuilt in eene betere aanwending van het materiaal in vergelijking van het ringanker, doordat het terugkeerende part eener winding, hetwelk bij het ringanker geen krachtlijnen snijdt en dus onactief is, bij het trommelanker onder den tegengestelden pool ligt en daar meehelpt aan de opwekking van de elektromotorische kracht.
Ving de ontwikkeling derhalve aan met de wisselstroommachine, in de eerste jaren werd alleen de gelijkstroommachine verder gebracht, totdat de wensch om groote gebieden vanuit één electriciteitsfabriek te voorzien en de uitvinding van den transformator de aandacht weer op den wissel- en draaistroomd. vestigden. De gelijkstroomd. werd weldra in de thans nog bestaande drie hoofdtypen gefabriceerd, nl. de serie-, shunt- en compoundd. Bij den eersten wordt de totale ankerstroom door de magneetwindingen gevoerd, die daartoe in serie met het anker zijn geschakeld. Dit brengt mee, dat bij stijgende belasting, d. i. bij toenemenden ankerstroom, ook het magneetveld en daarmede de spanning toeneemt. Kortsluiting van zulk een dynamo is dus uiterst gevaarlijk. Daar echter bijna alle apparaten, die met electriciteit worden gedreven of die electriciteit gebruiken, eene constante spanning verlangen, komt de seried. nagenoeg niet voor. Veel meer verspreid is de shuntd., waarbij de magneetwikkeling onder voorschakeling van een weerstand parallel aan het anker wordt gelegd en dus vrijwel onafhankelijk is van den verbruiksstroom. Bovendien is dan de mogelijkheid aanwezig door middel van den bovengenoemden weerstand, de spanning tusschen vrij wijde grenzen te regelen.
Afgezien van deze weerstandsregeling zal de spanning bij toenemende belasting iets dalen tengevolge van het toenemende spanningsverlies in het anker, waardoor de magneetstroom iets geringer zal worden. Neemt de belasting zeer sterk toe, dan verdwijnt de spanning ten slotte geheel. Een shuntmachine kan derhalve zonder gevaar worden kortgesloten. Een combinatie van de beide, serie- en shuntd., is de compoundd. die beide soorten magneetwikkelingen heeft. Daar de eene wikkeling bij toenemende belasting de spanning verhoogt, de andere haar laat dalen, is het mogelijk het aantal windingen zoo te verdeelen, dat de spanning nauwkeurig gelijk blijft bij wisselende belasting of wel men kan één der beide wikkelingen een weinig laten overwegen en de spanning wat laten toe- of afnemen. Het, grafisch voorgestelde, verband tusschen de verschillende belangrijke grootheden van den d. als opwekstroom, electromotorische kracht, klemspanning, belastingstroom en aantal omwentelingen noemt men de karakteristieken.
Het boven geschetste verband tusschen belasting en klemspanning wordt voorgesteld door den zg. uitwendigen karakteristiek. De berekening van de afmetingen van een te bouwen d. heeft een hoogen trap van volmaaktheid bereikt. De hoofdelementen, die daarbij optreden bestaan uit:
1e. het magnetisch circuit, d. z. die deelen, waardoor de magnetische krachtstroom verloopt, poolkernen, poolschoenen, luchtspleet of entrefer, ankerlichaam en juk. De berekening leert hoeveel ampère-windingen (product van aantal windingen en stroom per winding) op elke spoel moeten worden aangebracht, teneinde met inachtneming der spreiding den vereischten magnetischen krachtstroom te verkrijgen.
2e. Het anker met zijn wikkeling. Bij moderne machines wordt deze laatste ondergebracht in gleuven, die in het ankerijzer zijn uitgespaard, teneinde de luchtspleet zoo klein mogelijk te houden. Het anker zelf is opgebouwd uit dunne blikken, van elkaar geïsoleerd door een papierlaagje, teneinde de verliezen in het ijzer door wervelstroomen tot een minimum terug te brengen. De wikkeling zelve vertoont eindelooze variaties in de wijze waarop de verschillende geleiders, die in de gleuven liggen, achter elkaar geschakeld of op andere wijze met elkaar verbonden worden. De hoofdsoorten zijn serie-, parallel-, en serie-parallelwikkeling. Een systematisch overzicht hiervan is het eerst gegeven door E. Arnold, vroeger hoogleeraar in Karlsruhe.
3e. De commutatie en de daarmede verband houdende ankerreaktie. Zoodra de collectorlamel, waaraan eene bepaalde ankerwinding is verbonden onder een borstel passeert, keert in die winding de stroomrichting om. Bij de groote snelheden, die in den d.bouw gebruikelijk zijn, gebeurt dit in zeer korten tijd en dit geeft aanleiding tot het optreden van vonken onder de borstels, wanneer daartegen geen gepaste maatregelen worden genomen. Een tweede oorzaak van vonken wordt veroorzaakt door het feit, dat de borstel breeder moet zijn dan één collectorlamel, teneinde onderbreking van den stroom te voorkomen. Zoodra nu echter de borstel meer dan één lamel bedekt, is een meer of minder groot deel van de wikkeling kortgesloten. Om het vonken op grond daarvan tegen te gaan, moet dat deel der wikkeling gelegen zijn in de zoogenaamde neutrale zône, d. i. daar waar het magneetveld nagenoeg nul is. Om nu echter de tweede oorzaak van vonken, de snelle stroomrichtingswisseling (zelfinductie) te bestrijden, worden de kortgesloten windingen juist iets buiten de neutrale zône geplaatst en gebruikt men aldus de ééne afwijking om de andere te niet te doen. Dit wordt bewerkstelligd door borstelverschuiving.
Het bezwaar is, dat de grootte dezer borstelverschuiving afhankelijk is van de belasting. Een veel beter hulpmiddel is daarom gelegen in de zg. hulppolen, in 1884 door den Hollander Menges gepatenteerd. Dit zijn kleine magneetpolen, in de neutrale zône van het hoofdveld geplaatst, en voorzien van eene wikkeling waardoor de belastingstroom vloeit (seriewikkeling). Het door deze hulppolen opgewekte veld kan dan juist dienen voor het bestrijden van de zelfinductie-spanning in de kortgesloten windingen. De ankerreactie bestaat daarin, dat het anker met zijne stroomvoerende wikkeling zelve ook een magnetisch veld veroorzaakt, dat het hoofdveld plaatselijk versterkt, plaatselijk verzwakt. Dit ankerveld verplaatst zich mede als de borstels verplaatst worden.
Bij de berekening van de verschillende onderdeelen wordt gebruik gemaakt van allerlei materiaalconstanten, die een maat geven voor hetgeen de gebruikte materialen in magnetisch, electrisch of mechanisch opzicht kunnen leveren.
Door verbetering der in deze materiaalconstanten uitgedrukte eigenschappen, en verder door het opvoeren van de snelheid heeft men het gewicht der machines bij een bepaald vermogen geleidelijk weten te verminderen. Hiertoe heeft vooral krachtig bijgedragen de toepassing der stoomturbine, die zeer hooge snelheden vereischte. Het zijn voor de gelijkstroomd.’s vooral de moeilijkheden van de commutatie, die daarbij grenzen stellen.
De verdere ontwikkeling der wissel- en draaistroomd.’s ving aan, toen men met de gelijkstroomd.’s reeds een vrij aanmerkelijke hoogte had bereikt. Reeds aanstonds ontstond hier een kenmerkend verschil, doordat men weldra nagenoeg uitsluitend binnenpoold.’s voor wisselstroom bouwde, d. z. machines waarbij de magneten met hunne wikkeling op de as zijn aangebracht en daarmee ronddraaien, terwijl de wikkeling, waarin het aldus geproduceerd magnetische veld eene electromotorische kracht opwekt, dan stil kan staan. Een tweede onderscheid bestaat in het wegvallen van den collector, die hier uit den aard der zaak overbodig is. De spanning en de stroom die hier worden opgewekt, wisselen derhalve geregeld van richting en wel iederen keer dat de geleider van uit het veld van een noordpool overgaat in dat van een zuidpool of omgekeerd. De verandering in haar geheel geschiedt nagenoeg volgens een sinuswet, althans men tracht een dergelijk verloop zoo goed mogelijk te benaderen. Door combinatie van drie wikkelingen, in elk waarvan een dergelijken wisselstroom vloeit, welke stroomen onderling 120° in phase verschillen ontstaat de draaistroom.
Voor verdeeling over grootere gebieden heeft de draaistroomd. thans verreweg de grootste beteekenis. In den draaistroomd. toch met zijn stilstaande wikkeling kan men veel hoogere spanningen opwekken (tot 15.000 Volt) dan in den gelijkstroomd. met zijn collector (tot 2000 Volt), terwijl men deze spanning bij draaistroom door toepassing van transformatoren bijna willekeurig kan verhoogen (tot 160.000 Volt). Hiermede hangt samen, dat men den draaistroomd. in veel grootere vermogens kan bouwen. Er zijn thans reeds eenheden met een vermogen van ± 70.000 P.K, hetgeen ook alleen mogelijk is geworden door toepassing der stoomturbine.
In haar eigenlijken aard verschillen de verschijnselen in een wissel- of draaistroomd. niet van die in een gelijkstroomd. Behalve dat de commutatie met de daaraan verbonden moeilijkheden is vervallen, treedt eene iets meer ingewikkelde armatuurreactie op, doordat we hier te maken krijgen met phaseverschuiving tusschen stroom en spanning. Zoolang deze niet bestaat, d. w. z. zoolang stroom en spanning tegelijkertijd nul zijn, keert de stroom in een geleider van teeken om, als deze geleider van een noordpoolveld overgaat in een zuidpoolveld of omgekeerd. Is dit niet meer het geval en door uitwendige oorzaken kunnen hierin vrij aanzienlijke afwijkingen ontstaan, dan versterkt of verzwakt de belastingstroom het magneetveld al naar deze stroom voor- of na-ijlend is, d.i. naarmate de stroom vroeger dan wel later dan de spanning van teeken wisselt. Deze invloed op het magneetveld kan vrij groote afmetingen aannemen en daarop moet bij het ontwerp wel degelijk worden gerekend. Behalve de hier genoemde inwerking bestaat ook de dwarsmagnetiseering, de vervorming van het magneetveld, zooals die bij gelijkstroommachines optreedt. Zie verder: E. Arnold, Die Gleichstrommachinen; E. Arnold und J. L. la Cour, Die Wechselstromtechnik IV.
