المكثف: التعريف والوظيفة والأجزاء
ما هو الأرماتور؟
الأرماتور هو المكون في الجهاز الكهربائي (أي محرك أو مولد) الذي يحمل التيار المتردد (AC). الأرماتور يقوم بتمرير التيار المتردد حتى في الأجهزة ذات التيار المستمر (DC) عبر القاطع (الذي يعكس اتجاه التيار بشكل دوري) أو بسبب التقطيع الإلكتروني (مثل المحرك بدون فرشاة).
يوفر الأرماتور الإسكان والدعم لللف الأرماتور، والذي يتداخل مع المجال المغناطيسي المتكون في الفجوة الهوائية بين الستاتور والروتور. يمكن أن يكون الستاتور جزءًا دورانًا (روتور) أو جزءًا ثابتًا (ستاتور).
تم تقديم مصطلح الأرماتور في القرن التاسع عشر كمصطلح تقني يعني "حافظ للمغناطيس".
كيف يعمل الأرماتور في المحرك الكهربائي؟
يحول المحرك الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية من خلال الاستقراء الكهرومغناطيسي. يحدث هذا عندما يتم إجبار الموصل الذي يحمل التيار داخل المجال المغناطيسي على الحركة، كما يشرح قاعدة يد فليمنغ اليسرى.
في المحرك الكهربائي، ينتج الستاتور مجالًا مغناطيسيًا دورانيًا باستخدام المغناطيس الدائمة أو المغناطيس الكهربائي. الأرماتور، الذي يكون عادةً الروتور، يحمل لف الأرماتور المتصل بالقاطع والفراشي. يقوم القاطع بتغيير اتجاه التيار في لف الأرماتور أثناء دورانه بحيث يكون دائمًا متوافقًا مع المجال المغناطيسي.
التداخل بين المجال المغناطيسي ولف الأرماتور يولد عزم دوران يجعل الأرماتور يدور. يتم نقل الطاقة الميكانيكية بواسطة العمود المرتبط بالأرماتور إلى أجهزة أخرى.
كيف يعمل الأرماتور في المولد الكهربائي؟
يحول المولد الكهربائي الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية باستخدام مبدأ الاستقراء الكهرومغناطيسي. عندما يتحرك الموصل في المجال المغناطيسي، فإنه يثير قوة كهربائية حافزة (EMF) وفقًا لقانون فاراداي.
في المولد الكهربائي، يكون الأرماتور عادةً الروتور الذي يُدفع بواسطة محرك رئيسي، مثل محرك ديزل أو توربين. الأرماتور يحمل لف الأرماتور المتصل بالقاطع والفراشي. ينتج الستاتور مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا باستخدام المغناطيس الدائمة أو المغناطيس الكهربائي.
الحركة النسبية بين المجال المغناطيسي ولف الأرماتور تثير قوة كهربائية حافزة في لف الأرماتور، مما يدفع تيارًا كهربائيًا عبر الدائرة الخارجية. يقوم القاطع بتغيير اتجاه التيار في لف الأرماتور أثناء دورانه بحيث ينتج تيارًا متناوبًا (AC).
أجزاء الأرماتور ورسم توضيحي
يتكون الأرماتور من أربع مكونات أساسية: اللب، اللف، القاطع، والعمود. أدناه رسم توضيحي لهذه الأجزاء.
خسائر الأرماتور
يتعرض الأرماتور في الأجهزة الكهربائية لعدة خسائر، مما يقلل من كفاءته وأدائه. تشمل هذه الخسائر:
خسارة النحاس: هي خسارة الطاقة بسبب مقاومة لف الأرماتور. وهي تناسبية مع مربع تيار الأرماتور ويمكن تقليلها باستخدام أسلاك أثخن أو مسارات متوازية. يمكن حساب خسارة النحاس باستخدام الصيغة:
حيث Pc هي خسارة النحاس، Ia هو تيار الأرماتور، وRa هي مقاومة الأرماتور.
خسارة التيار الدوار: هي خسارة الطاقة بسبب التيارات المحدثة في لب الأرماتور. تتسبب هذه التيارات عن طريق تغير الشحنة المغناطيسية وتنتج حرارة وخسائر مغناطيسية. يمكن تقليل خسارة التيار الدوار باستخدام مواد لب ملتصقة أو زيادة الفجوة الهوائية. يمكن حساب خسارة التيار الدوار باستخدام الصيغة:
حيث Pe هي خسارة التيار الدوار، ke هي ثابت يعتمد على مادة اللب وشكله، Bm هي الكثافة المغناطيسية القصوى، f هي تردد عكس الشحنة، t هي سمك كل طبقة، وV هي حجم اللب.
خسارة الهستيريزيس: هي خسارة الطاقة بسبب المغناطيسة المتكررة وغير المغناطيسة لللب الأرماتور. يؤدي هذا العملية إلى احتكاك وحرارة في بنية الجزيئات لمادة اللب. يمكن تقليل خسارة الهستيريزيس باستخدام مواد مغناطيسية ناعمة ذات قابلية مغناطيسية عالية ومعامل تقوية منخفض. يمكن حساب خسارة الهستيريزيس باستخدام الصيغة:
حيث Ph هي خسارة الهستيريزيس، kh هي ثابت يعتمد على مادة اللب، Bm هي الكثافة المغناطيسية القصوى، f هي تردد عكس الشحنة، وV هي حجم اللب.
يمكن الحصول على الخسارة الكلية للأرماتور بإضافة هذه الثلاث خسائر:
يمكن تعريف كفاءة الأرماتور كنسبة القوة الناتجة إلى القوة الداخلة للأرماتور:
حيث ηa هي كفاءة الأرماتور، Po هي القوة الناتجة، وPi هي القوة الداخلة للأرماتور.
تصميم الأرماتور
تصميم الأرماتور مهم لأداء وكفاءة الجهاز الكهربائي، ويتأثر بعدة عوامل رئيسية:
عدد الفتحات: تستخدم الفتحات لتوفير مكان للف الأرماتور وتقديم الدعم الميكانيكي. يعتمد عدد الفتحات على نوع اللف، وعدد القطبيات، وحجم الجهاز. عمومًا، يؤدي المزيد من الفتحات إلى توزيع أفضل للشحنة والتيار، ومنخفضة المعاوقة والخسائر، وعزم دوران أكثر سلاسة. ومع ذلك، يؤدي المزيد من الفتحات أيضًا إلى زيادة الوزن والتكلفة للأرماتور، وتقليل المساحة للعزل والتبريد، وزيادة تسرب الشحنة واختلاف الأرماتور.
شكل الفتحات: يمكن أن تكون الفتحات مفتوحة أو مغلقة، اعتمادًا على ما إذا كانت معرضة للفجوة الهوائية أم لا. الفتحات المفتوحة أسهل في اللف والتبريد، ولكنها تزيد من المقاومة وتسرب الشحنة في الفجوة الهوائية. الفتحات المغلقة صعبة في اللف والتبريد، ولكنها تقلل من المقاومة وتسرب الشحنة في الفجوة الهوائية.
نوع اللف: يمكن أن يكون اللف لفًا متوازيًا أو موجيًا، اعتمادًا على كيفية توصيل الملفات بشرائح القاطع. اللف المتوازي مناسب للأجهزة ذات التيار العالي والجهد المنخفض، حيث يوفر مسارات متوازية متعددة لتدفق التيار. اللف الموجي مناسب للأجهزة ذات التيار المنخفض والجهد العالي، حيث يوفر توصيلًا متسلسلًا للملفات ويضيف الجهود.
حجم الموصل: يستخدم الموصل لحمل التيار في لف الأرماتور. يعتمد حجم الموصل على الكثافة الحالية، وهي نسبة التيار إلى المساحة العرضية. تؤدي الكثافة الحالية الأعلى إلى خسارة النحاس الأعلى وارتفاع درجة الحرارة، ولكن بتكلفة وزن أقل للموصل. الكثافة الحالية الأدنى تؤدي إلى خسارة النحاس الأدنى وارتفاع درجة الحرارة الأدنى، ولكن بتكلفة وزن أعلى للموصل.
طول الفجوة الهوائية: الفجوة الهوائية هي المسافة بين قطبي الستاتور والروتور. يؤثر طول الفجوة الهوائية على الكثافة المغناطيسية، والممانعة، وتسرب الشحنة، واختلاف الأرماتور في الجهاز. الفجوة الهوائية الأصغر تؤدي إلى كثافة مغناطيسية أعلى، وممانعة أقل، وتسرب شحنة أقل، واختلاف أرماتور أعلى. الفجوة الهوائية الأكبر تؤدي إلى كثافة مغناطيسية أقل، وممانعة أعلى، وتسرب شحنة أعلى، واختلاف أرماتور أقل.
تصميم الأرماتور (استمرار)
بعض الأساليب المستخدمة لتصميم الأرماتور هي:
معادلة EMF: تربط هذه المعادلة الجهد المحدث في الأرماتور بالشحنة، السرعة، وعدد ملفات اللف. يمكن استخدامها لتحديد الأبعاد والمعايير المطلوبة للأرماتور للجهد والقوة الخارجيين المحددين.
حيث Ea هو الجهد المحدث بالفولت، ϕ هو الشحنة لكل قطب بوبر، Z هو العدد الكلي للموصلات المتسلسلة، N هو سرعة الدوران بالدورة في الدقيقة، P هو عدد الأقطاب، وA هو عدد المسارات المتوازية.
