Armatur: Definition Funktion und Teile

Was ist ein Armatur?

Eine Armatur ist der Bestandteil einer elektrischen Maschine (z.B. eines Motors oder Generators), der den Wechselstrom (AC) führt. Die Armatur leitet Wechselstrom auch in Gleichstrom- (Gleichstrom) Maschinen über den Umformer (der den Stromperiodisch umkehrt) oder durch elektronische Umrichtung (z.B. in einem bürstenlosen Gleichstrommotor).

Die Armatur bietet Hülle und Unterstützung für die Armaturwicklung, die mit dem Magnetfeld im Luftspalt zwischen Stator und Rotor interagiert. Der Stator kann entweder ein rotierender Teil (Rotor) oder ein stehender Teil (Stator) sein.

Der Begriff Armatur wurde im 19. Jahrhundert als technischer Begriff eingeführt, der "Halter eines Magneten" bedeutet.

Wie funktioniert eine Armatur in einem Elektromotor?

Ein Elektromotor transformiert elektrische Energie in mechanische Energie durch elektromagnetische Induktion. Dies geschieht, wenn ein stromführender Leiter innerhalb eines Magnetfeldes gezwungen wird, sich zu bewegen, wie es durch die Flemingsche Linkshandregel erklärt wird.

In einem Elektromotor erzeugt der Stator ein rotierendes Magnetfeld durch die Verwendung von Permanentmagneten oder Elektromagneten. Die Armatur, die in der Regel der Rotor ist, trägt die Armaturwicklung, die mit dem Umformer und den Bürsten verbunden ist. Der Umformer schaltet die Richtung des Stroms in der Armaturwicklung, während sie rotiert, so dass sie immer mit dem Magnetfeld ausgerichtet ist.

Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und der Armaturwicklung erzeugt ein Drehmoment, das die Armatur zum Rotieren bringt. Die an der Armatur befestigte Welle überträgt die mechanische Leistung an andere Geräte.

Wie funktioniert eine Armatur in einem Elektrizitätsgenerator?

Ein Elektrizitätsgenerator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, indem er das Prinzip der elektromagnetischen Induktion verwendet. Wenn ein Leiter sich in einem Magnetfeld bewegt, induziert er eine elektromotorische Kraft (EMF) gemäß dem Faradayschen Gesetz.

In einem Elektrizitätsgenerator ist die Armatur in der Regel der Rotor, der von einem Antriebsmotor, wie einem Dieselmotor oder einer Turbine, angetrieben wird. Die Armatur trägt die Armaturwicklung, die mit dem Umformer und den Bürsten verbunden ist. Der Stator erzeugt ein stationäres Magnetfeld durch die Verwendung von Permanentmagneten oder Elektromagneten.

Die relative Bewegung zwischen dem Magnetfeld und der Armaturwicklung induziert eine EMF in der Armaturwicklung, die einen elektrischen Strom durch den externen Schaltkreis treibt. Der Umformer schaltet die Richtung des Stroms in der Armaturwicklung, während sie rotiert, so dass er einen Wechselstrom (AC) erzeugt.

Armaturteile & Diagramm

Die Armatur besteht aus vier wesentlichen Komponenten: dem Kern, der Wicklung, dem Umformer und der Welle. Im folgenden Diagramm sind diese Teile dargestellt.

Armaturverluste

Die Armatur in elektrischen Maschinen verursacht mehrere Verluste, die ihre Effizienz und Leistung verringern. Zu diesen Verlusten gehören:

• Kupferverlust: Dies ist der Leistungsverlust aufgrund des Widerstands der Armaturwicklung. Er ist proportional zum Quadrat des Armaturstroms und kann durch die Verwendung von dickeren Drähten oder parallelen Pfaden reduziert werden. Der Kupferverlust kann mit der Formel berechnet werden:

wo Pc der Kupferverlust, Ia der Armaturstrom und Ra der Armaturwiderstand ist.

Wirbelstromverlust: Dies ist der Leistungsverlust aufgrund der induzierten Ströme im Kern der Armatur. Diese Ströme werden durch das sich ändernde magnetische Flussdichte verursacht und produzieren Wärme und magnetische Verluste. Der Wirbelstromverlust kann durch die Verwendung von gelagerten Kernmaterialien oder durch die Erhöhung des Luftspalts reduziert werden. Der Wirbelstromverlust kann mit der Formel berechnet werden:

wo Pe der Wirbelstromverlust, ke eine Konstante, die vom Kernmaterial und der Form abhängt, Bm die maximale Flussdichte, f die Frequenz der Flussumkehr, t die Dicke jeder Lamelle und V das Volumen des Kerns ist.

• Hystereseverlust: Dies ist der Leistungsverlust aufgrund der wiederholten Magnetisierung und Demagnetisierung des Kerns der Armatur. Dieser Prozess verursacht Reibung und Wärme in der molekularen Struktur des Kernmaterials. Der Hystereseverlust kann durch die Verwendung von weichmagnetischen Materialien mit geringer Coercitivität und hoher Permeabilität reduziert werden. Der Hystereseverlust kann mit der Formel berechnet werden:

wo Ph der Hystereseverlust, kh eine Konstante, die vom Kernmaterial abhängt, Bm die maximale Flussdichte, f die Frequenz der Flussumkehr und V das Volumen des Kerns ist.

Der Gesamtarmaturverlust ergibt sich aus der Addition dieser drei Verluste:

Die Armatureffizienz kann als Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung der Armatur definiert werden:

wo ηa die Armatureffizienz, Po die Ausgangsleistung und Pi die Eingangsleistung der Armatur ist.

Armaturdesign

Das Armaturdesign ist entscheidend für die Leistung und Effizienz der elektrischen Maschine und wird von mehreren Schlüsselfaktoren beeinflusst:

• Die Anzahl der Nuten: Die Nuten dienen dazu, die Armaturwicklung aufzunehmen und mechanische Unterstützung zu bieten. Die Anzahl der Nuten hängt von der Art der Wicklung, der Anzahl der Pole und der Größe der Maschine ab. Im Allgemeinen resultieren mehr Nuten in einer besseren Verteilung des Flusses und des Stroms, niedrigeren Reaktanz und Verlusten sowie in einem glatteren Drehmoment. Allerdings erhöhen mehr Nuten auch das Gewicht und die Kosten der Armatur, reduzieren den Raum für Isolierung und Kühlung und erhöhen den Durchflussstrom und die Armaturreaktion.

• Die Form der Nuten: Die Nuten können offen oder geschlossen sein, je nachdem, ob sie dem Luftspalt ausgesetzt sind oder nicht. Offene Nuten sind leichter zu wickeln und zu kühlen, aber sie erhöhen die Reluktanz und den Durchflussstrom im Luftspalt. Geschlossene Nuten sind schwieriger zu wickeln und zu kühlen, aber sie reduzieren die Reluktanz und den Durchflussstrom im Luftspalt.

• Die Art der Wicklung: Die Wicklung kann eine Lap-Wicklung oder eine Wellenwicklung sein, je nachdem, wie die Spulen mit den Umformersegmenten verbunden sind. Lap-Wicklungen sind für Hochstrom- und Niederspannungsmaschinen geeignet, da sie mehrere parallele Pfade für den Stromfluss bereitstellen. Wellenwicklungen sind für Niedrigstrom- und Hochspannungsmaschinen geeignet, da sie eine Serienschaltung der Spulen herstellen und die Spannungen addieren.

• Die Größe des Leiters: Der Leiter wird verwendet, um den Strom in der Armaturwicklung zu führen. Die Größe des Leiters hängt von der Stromdichte ab, die das Verhältnis von Strom zu Querschnittsfläche ist. Eine höhere Stromdichte führt