Armeratur: Definition, funktion og dele

Hvad er en armatur?

En armatur er komponenten i en elektrisk maskine (dvs. en motor eller generator), der føres alternativstrøm (AC). Armaturen fører AC, selv i DC (Direkte Strøm) maskiner gennem kommutatoren (som periodisk vendes strømretningen) eller på grund af elektronisk kommutering (f.eks. i en børsteløs DC motor).

Armaturen giver bolig og støtte til armaturevindingen, som interagerer med det magnetiske felt, der dannes i luftspillet mellem stator og rotor. Stator kan være enten en roterende del (rotor) eller en stationær del (stator).

Begriffet armatur blev introduceret i 1800-tallet som et teknisk begreb, der betyder "bevarer af en magnet".

Hvordan fungerer en armatur i en elektrisk motor?

En elektrisk motor omdanner elektrisk energi til mekanisk energi gennem elektromagnetisk induktion. Dette sker, når en strømførende leder inden for et magnetisk felt tvinges til at bevæge sig, som forklaret af Flemings venstre-håndsregel.

I en elektrisk motor producerer stator et roterende magnetfelt ved hjælp af permanente magneter eller elektromagneter. Armaturen, som normalt er rotoren, bærer armaturevindingen, der er forbundet med kommutatoren og pensler. Kommutatoren skifter retningen af strømmen i armaturevindingen, mens den roterer, så den altid er i overensstemmelse med magnetfeltet.

Interaktionen mellem magnetfeltet og armaturevindingen genererer en drejningskraft, der får armaturen til at rotere. Skæften, der er monteret på armaturen, overfører den mekaniske effekt til andre enheder.

Hvordan fungerer en armatur i en elektrisk generator?

En elektrisk generator omdanner mekanisk energi til elektrisk energi ved hjælp af principperne for elektromagnetisk induktion. Når en leder bevæger sig i et magnetfelt, inducerer det en elektromotorisk kraft (EMK) ifølge Faradays lov.

I en elektrisk generator er armaturen normalt rotoren, der drevet af en primær drivkraft, såsom en dieselmotor eller en turbine. Armaturen bærer armaturevindingen, der er forbundet med kommutatoren og pensler. Stator producerer et stillestående magnetfelt ved hjælp af permanente magneter eller elektromagneter.

Den relative bevægelse mellem magnetfeltet og armaturevindingen inducerer en EMK i armaturevindingen, hvilket driver en elektrisk strøm gennem den eksterne kredsløb. Kommutatoren skifter retningen af strømmen i armaturevindingen, mens den roterer, så den producerer en alternativstrøm (AC).

Armaturdele & diagram

Armaturen består af fire væsentlige komponenter: kernen, vindingen, kommutatoren og skæften. Nedenfor er et diagram, der illustrerer disse dele.

Armaturtab

Armaturen i elektriske maskiner har flere tab, der nedsætter dens effektivitet og ydeevne. Disse tab inkluderer:

• Kobber-tab: Dette er strømtab pga. modstand i armaturevindingen. Det er proportional med kvadratet af armaturestrømmen og kan reduceres ved brug af tykkere tråde eller parallelle veje. Kobber-tab kan beregnes ved hjælp af formlen:

hvor Pc er kobber-tab, Ia er armaturestrømmen, og Ra er armaturens modstand.

Vedligeholdelsesstrømstab: Dette er strømtab pga. de inducerede strømme i kernen af armaturen. Disse strømme er forårsaget af det ændrede magnetiske flux og producerer varme og magnetiske tab. Vedligeholdelsesstrømstab kan reduceres ved brug af laminerede kernematerialer eller ved at øge luftspillet. Vedligeholdelsesstrømstab kan beregnes ved hjælp af formlen:

hvor Pe er vedligeholdelsesstrømstab, ke er en konstant, der afhænger af kernematerialet og formen, Bm er maksimal fluxtetthed, f er frekvensen af fluxreversering, t er tykkelsen af hver lamination, og V er volumenet af kernen.

• Hysteresis-tab: Dette er strømtab pga. den gentagne magnetisering og demagnetisering af kernen i armaturen. Denne proces forårsager friktion og varme i molekylstruktur af kernematerialet. Hysteresis-tab kan reduceres ved brug af bløde magnetiske materialer med lav coercitivitet og høj permeabilitet. Hysteresis-tab kan beregnes ved hjælp af formlen:

hvor Ph er hysteresis-tab, kh er en konstant, der afhænger af kernematerialet, Bm er maksimal fluxtetthed, f er frekvensen af fluxreversering, og V er volumenet af kernen.

Det totale armaturtab kan fås ved at lægge disse tre tab sammen:

Armatureffektiviteten kan defineres som forholdet mellem udgangseffekten og indgangseffekten i armaturen:

hvor ηa er armatureffektiviteten, Po er udgangseffekten, og Pi er indgangseffekten i armaturen.

Armaturdesign

Armaturdesignet er afgørende for elektriske maskiners ydeevne og effektivitet, og det påvirkes af flere nøglefaktorer:

• Antallet af slotte: Slotterne bruges til at rumme armaturevindingen og give mekanisk støtte. Antallet af slotte afhænger af typen vindings, antallet af poler og størrelsen på maskinen. Generelt resulterer flere slotte i bedre fordeling af flux og strøm, lavere reaktans og tab, samt jævnere drejningskraft. Dog øger flere slotte også vægten og prisen på armaturen, reducerer pladsen til isolering og køling, og øger leckage-fluxet og armaturreaktionen.

• Formen af slotte: Slotterne kan være åbne eller lukkede, afhængigt af om de er udsat for luftspillet eller ej. Åbne slotter er lettere at vind og køle, men de øger reluctansen og leckage-fluxet i luftspillet. Lukkede slotter er sværere at vind og køle, men de reducerer reluctansen og leckage-fluxet i luftspillet.

• Typen af vindings: Vindingen kan være lap-wound eller wave-wound, afhængigt af hvordan spolerne er forbundet til kommutatorens segmenter. Lap-winding er egnet til høj-strøm- og lav-spænding-maskiner, da det giver flere parallelle veje for strømflod. Wave-winding er egnet til lav strøm- og høj spænding-maskiner, da det giver en serie-forbindelse af spoler og summerer spændingerne.

• Størrelsen af ledere: Ledere bruges til at føre strøm i armaturevindingen. Størrelsen af ledere afhænger af strømtætheden, som er forholdet mellem strøm og tværsnitarealet. H