Oblouková cívka: Definice, funkce a části
Co je armatura?
Armatura je součást elektrického stroje (tj. motoru nebo generátoru), která nese střídavý proud (AC). Armatura vede AC i u DC (Proud Přímý) strojů prostřednictvím komutátoru (který pravidelně mění směr proudu) nebo díky elektronické komutaci (např. u bezúčelového DC motoru).
Armatura poskytuje obal a podporu pro závit armatury, který interaguje s magnetickým polem vytvořeným ve vzduchovém mezeru mezi státorem a rotorem. Státor může být buď otáčející se částí (rotor) nebo stacionární částí (státor).
Termín armatura byl zaveden v 19. století jako technický termín označující "držitele magnetu".
Jak funguje armatura v elektrickém motoru?
Elektrický motor transformuje elektrickou energii na mechanickou energii prostřednictvím elektromagnetické indukce. Toto nastane, když vedoucí vodič v magnetickém poli je nucen se pohybovat, jak popisuje Flemingův levohlavý pravidlo.
V elektrickém motoru státor produkuje otáčivé magnetické pole pomocí trvalých magnetů nebo elektromagnetů. Armatura, která je obvykle rotor, nese závit armatury, který je spojen s komutátorem a štětcemi. Komutátor mění směr proudu v závitu armatury, aby se vždy shodoval s magnetickým polem.
Interakce mezi magnetickým polem a závitem armatury vygeneruje moment, který způsobí, že armatura otáčí. Hřídel připojený k armatuře přenáší mechanickou sílu na jiné zařízení.
Jak funguje armatura v elektrickém generátoru?
Elektrický generátor převádí mechanickou energii na elektrickou energii pomocí principu elektromagnetické indukce. Když vodič pohybuje v magnetickém poli, indukuje elektromotorickou sílu (EMF) podle Faradayova zákona.
V elektrickém generátoru je armatura obvykle rotor, který je poháněn hlavním pohonem, jako je dieselový motor nebo turbína. Armatura nese závit armatury, který je spojen s komutátorem a štětcemi. Státor produkuje stacionární magnetické pole pomocí trvalých magnetů nebo elektromagnetů.
Relativní pohyb mezi magnetickým polem a závitem armatury indukuje EMF v závitu armatury, což pohání elektrický proud skrz externí obvod. Komutátor mění směr proudu v závitu armatury, aby vytvořil střídavý proud (AC).
Části armatury a diagram
Armatura se skládá ze čtyř zásadních komponent: jádro, závit, komutátor a hřídel. Níže je diagram znázorňující tyto části.
Ztráty armatury
Armatura v elektrických strojích způsobuje několik ztrát, které snižují její efektivitu a výkon. Tyto ztráty zahrnují:
Měděné ztráty: Jsou to ztráty energie způsobené odporovými vlastnostmi závitu armatury. Jsou úměrné druhé mocnině proudu armatury a lze je snížit použitím silnějších drátů nebo paralelních cest. Měděné ztráty lze vypočítat pomocí vzorce:
kde Pc jsou měděné ztráty, Ia je proud armatury a Ra je odpor armatury.
Ztráty vířivých proudů: Jsou to ztráty energie způsobené indukovanými proudy v jádře armatury. Tyto proudy jsou způsobeny změnami magnetického toku a produkují teplo a magnetické ztráty. Ztráty vířivých proudů lze snížit použitím laminovaných materiálů jádra nebo zvětšením vzduchového mezeru. Ztráty vířivých proudů lze vypočítat pomocí vzorce:
kde Pe jsou ztráty vířivých proudů, ke je konstanta závislá na materiálu a tvaru jádra, Bm je maximální hustota toku, f je frekvence obrácení toku, t je tloušťka každého laminátu a V je objem jádra.
Hysterezní ztráty: Jsou to ztráty energie způsobené opakovaným magnetizováním a demagnetizováním jádra armatury. Tento proces způsobuje tření a teplo v molekulární struktuře materiálu jádra. Hysterezní ztráty lze snížit použitím měkkých magnetických materiálů s nízkou koercivitou a vysokou permeabilitou. Hysterezní ztráty lze vypočítat pomocí vzorce:
kde Ph jsou hysterezní ztráty, kh je konstanta závislá na materiálu jádra, Bm je maximální hustota toku, f je frekvence obrácení toku a V je objem jádra.
Celkové ztráty armatury lze získat součtem těchto tří ztrát:
Efektivita armatury lze definovat jako poměr výstupní síly k vstupní síle armatury:
kde ηa je efektivita armatury, Po je výstupní síla a Pi je vstupní síla armatury.
Návrh armatury
Návrh armatury je klíčový pro výkon a efektivitu elektrického stroje, ovlivněn několika klíčovými faktory:
Počet slotů: Sloty slouží k umístění závitu armatury a poskytnutí mechanické podpory. Počet slotů závisí na typu závitu, počtu póll a velikosti stroje. Obecně platí, že více slotů vede k lepšímu rozložení toku a proudu, nižší reaktance a ztrátách, a hladšímu momentu. Nicméně, více slotů také zvyšuje hmotnost a náklady armatury, snižuje prostor pro izolaci a chlazení a zvyšuje únikový tok a reakci armatury.
Tvar slotů: Sloty mohou být otevřené nebo uzavřené, v závislosti na tom, zda jsou expozovány vzduchovému mezeru nebo ne. Otevřené sloty jsou snazší na zaplétení a chlazení, ale zvyšují odpor a únikový tok ve vzduchovém mezeru. Uzavřené sloty jsou obtížnější na zaplétení a chlazení, ale snižují odpor a únikový tok ve vzduchovém mezeru.
Typ závitu: Závit může být lap wound nebo wave wound, v závislosti na tom, jak jsou cívečky spojeny s segmenty komutátoru. Lap winding je vhodný pro vysokoproudové a nízkonapěťové stroje, protože poskytuje více paralelních cest pro proud. Wave winding je vhodný pro nízkoproudové a vysokonapěťové stroje, protože poskytuje sériové spojení cíveček a sčítá napětí.
Velikost vodiče: Vodič se používá k vedení proudu v závitu armatury. Velikost vodiče závisí na hustotě proudu, která je poměrem proudu k ploše řezu. Vyšší hustota proudu vede k vyšším měděným ztrátám a teplotnímu nárůstu, ale nižším nákladům a hmotnosti vodiče. Nižší hustota proudu vede k nižším měděným ztrátám a teplotnímu nárůstu, ale vyšším nákladům a hmotnosti vodiče.
Délka vzduchového mezeru: Vzduchový mezera je vzdálenost mezi póly státoru a rotoru. Délka vzduchového mezeru ovlivňuje hustotu toku, odpor, únikový tok a reakci armatury ve stroji. Menší vzduchový mezera vede k vyšší hustotě toku, nižšímu odporu, nižšímu únikovému toku a vyšší reakci armatury. Větší vzduchový mezera vede k nižší hustotě toku, vyššímu odporu, vyššímu únikovému toku a nižší reakci armatury.
Návrh armatury (pokračování)
Některé metody používané k návrhu armatury jsou:
