Armadura: Definició, Funció i Parts

Què és un armadura?

L'armadura és el component d'una màquina elèctrica (és a dir, un motor o generador) que porta corrent alternada (CA). L'armadura condueix CA fins i tot en màquines de corrent contínua (CC) mitjançant el comutador (que periòdicament inverteix la direcció de la corrent) o gràcies a la commutació electrònica (per exemple, en un motor de corrent contínua sense escobilles).

L'armadura proporciona lloguer i suport al bobinat de l'armadura, que interacciona amb el camp magnètic format en el forat d'aire entre el estator i el rotor. El estator pot ser una part rotativa (rotor) o una part estacionària (estator).

El terme armadura es va introduir al segle XIX com a terme tècnic que significa "guardià d'un imant".

Com funciona l'armadura en un motor elèctric?

Un motor elèctric transforma l'energia elèctrica en energia mecànica mitjançant la inducció electromagnètica. Això ocorre quan un conductor que porta corrent dins d'un camp magnètic és forçat a moure's, tal com s'explica per la regla de la mà esquerra de Fleming.

En un motor elèctric, el estator produeix un camp magnètic rotatiu utilitzant imants permanents o electroimants. L'armadura, que normalment és el rotor, porta el bobinat de l'armadura que està connectat al comutador i les escobilles. El comutador canvia la direcció de la corrent en el bobinat de l'armadura mentre gira perquè sempre s'alinia amb el camp magnètic.

La interacció entre el camp magnètic i el bobinat de l'armadura genera un parell que fa girar l'armadura. El volant connectat a l'armadura transmet la potència mecànica a altres dispositius.

Com funciona l'armadura en un generador elèctric?

Un generador elèctric converteix l'energia mecànica en energia elèctrica utilitzant el principi de la inducció electromagnètica. Quan un conductor es mou en un camp magnètic, induce una força electromotriu (FEM) segons la llei de Faraday.

En un generador elèctric, l'armadura sol ser el rotor que és dut per un motor principal, com ara un motor dièsel o una turbina. L'armadura porta el bobinat de l'armadura que està connectat al comutador i les escobilles. El estator produeix un camp magnètic estacionari utilitzant imants permanents o electroimants.

El moviment relatiu entre el camp magnètic i el bobinat de l'armadura induce una FEM en el bobinat de l'armadura, que duu una corrent elèctrica a través del circuit extern. El comutador canvia la direcció de la corrent en el bobinat de l'armadura mentre gira perquè produeix una corrent alternada (CA).

Parts de l'armadura i diagrama

L'armadura està composta per quatre components essencials: el nucli, el bobinat, el comutador i el volant. A continuació, es mostra un diagrama que il·lustra aquestes parts.

Pèrdues de l'armadura

L'armadura en màquines elèctriques incurreix en diverses pèrdues, reduint-ne l'eficiència i el rendiment. Aquestes pèrdues inclouen:

• Pèrdues de cobre: Aquesta és la pèrdua de potència deguda a la resistència del bobinat de l'armadura. És proporcional al quadrat de la corrent de l'armadura i es pot reduir utilitzant fils més gruosos o camins paral·lels. Les pèrdues de cobre es poden calcular utilitzant la fórmula:

on Pc són les pèrdues de cobre, Ia és la corrent de l'armadura, i Ra és la resistència de l'armadura.

Pèrdues de corrents de Foucault: Aquesta és la pèrdua de potència deguda a les corrents induïdes en el nucli de l'armadura. Aquestes corrents són causades pel flux magnètic que canvia i produeix calor i pèrdues magnètiques. Les pèrdues de corrents de Foucault es poden reduir utilitzant materials de nucli laminats o augmentant el forat d'aire. Les pèrdues de corrents de Foucault es poden calcular utilitzant la fórmula:

on Pe són les pèrdues de corrents de Foucault, ke és una constant que depèn del material i forma del nucli, Bm és la densitat de flux màxim, f és la freqüència de reversió del flux, t és l'espessor de cada laminació, i V és el volum del nucli.

• Pèrdues de histeresis: Aquesta és la pèrdua de potència deguda a la magnetització i desmagnetització repetitives del nucli de l'armadura. Aquest procés causa fricció i calor en l'estructura molecular del material del nucli. Les pèrdues de histeresis es poden reduir utilitzant materials magnètics suaus amb coercivitat baixa i permeabilitat alta. Les pèrdues de histeresis es poden calcular utilitzant la fórmula:

on Ph són les pèrdues de histeresis, kh és una constant que depèn del material del nucli, Bm és la densitat de flux màxim, f és la freqüència de reversió del flux, i V és el volum del nucli.

La pèrdua total de l'armadura es pot obtenir sumant aquestes tres pèrdues:

L'eficiència de l'armadura es pot definir com la raó entre la potència de sortida i la potència d'entrada de l'armadura:

on ηa és l'eficiència de l'armadura, Po és la potència de sortida, i Pi és la potència d'entrada de l'armadura.

Disseny de l'armadura

El disseny de l'armadura és crucial per al rendiment i eficiència de la màquina elèctrica, influït per diversos factors clau:

• El nombre de ranures: Les ranures s'utilitzen per acomodar el bobinat de l'armadura i proporcionar suport mecànic. El nombre de ranures depèn del tipus de bobinat, el nombre de pols i la mida de la màquina. Generalment, més ranures resulten en una millor distribució de flux i corrent, menor reactància i pèrdues, i un parell més suau. No obstant això, més ranures també incrementen el pes i el cost de l'armadura, redueixen l'espai per a l'aïllament i la refrigeració, i incrementen el flux de fuga i la reacció de l'armadura.

• La forma de les ranures: Les ranures poden estar obertes o tancades, depenent de si estan exposades al forat d'aire o no. Les ranures obertes són més fàcils de bobinar i refrigerar, però incrementen la reluctància i el flux de fuga al forat d'aire. Les ranures tancades són més difícils de bobinar i refrigerar, però redueixen la reluctància i el flux de fuga al forat d'aire.

• El tipus de bobinat: El bobinat pot ser bobinat en capçalera o bobinat ondulant, depenent de com estiguin connectats els voltants als segments del comutador. El bobinat en capçalera és adequat per a màquines d'alta corrent i baixa tensió, ja que proporciona múltiples camins paral·lels per al flux de corrent. El bobinat ondulant és adequat per a màquines de baixa corrent i alta tensió, ja que proporciona una connexió en sèrie de voltants i suma les tensions.

• La mida del conductor: El conductor s'utilitza per portar la corrent en el bobinat de l'armadura. La mida del conductor depèn de la densitat de corrent, que és la raó entre la corrent i l'àrea de secció transversal. Una major densitat de corrent resulta en majors pèrdues de cobre i augment de temperatura, però menor cost i pes del conductor. Una menor densitat de corrent resulta en menors pèrdues de cobre i augment de temperatura, però major cost i pes del conductor.

• La longitud del forat d'aire: El forat d'aire és la distància entre els pols del estator i el rotor. La longitud del forat d'aire afecta la densitat de flux, la reluctància, el flux de fuga i la reacció de l'armadura en la màquina. Un forat d'aire més petit resulta en una major densitat de flux, menor reluctància, menor flux de fuga i major reacció de l'armadura. Un forat d'aire més gran resulta en una menor densitat de flux, major reluctància, major flux de fuga i menor reacció de l'armadura.

Disseny de l'armadura (continuació)

Alguns dels mètodes utilitzats per dissenyar l'armadura són:

• Equació de FEM: Aquesta equació relaciona la FEM induïda en l'armadura amb el flux, la velocitat i el nombre de voltants del bobinat. Es pot utilitzar per determinar les dimensions i paràmetres requerits de l'armadura per a una tensió i potència de sortida donades.