Armadura: Definición Función y Partes
¿Qué es un armadura?
Una armadura es el componente de una máquina eléctrica (es decir, un motor o generador) que lleva corriente alterna (CA). La armadura conduce CA incluso en máquinas de corriente continua (Corriente Directa) a través del colector (que invierte periódicamente la dirección de la corriente) o debido a la conmutación electrónica (por ejemplo, en un motor de corriente directa sin escobillas).
La armadura proporciona alojamiento y soporte al enrollado de la armadura, que interactúa con el campo magnético formado en el espacio entre el estator y el rotor. El estator puede ser una parte rotativa (rotor) o una parte estacionaria (estator).
El término armadura se introdujo en el siglo XIX como un término técnico que significa "guardián de un imán".
¿Cómo funciona una armadura en un motor eléctrico?
Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica a través de la inducción electromagnética. Esto ocurre cuando un conductor que lleva corriente dentro de un campo magnético es forzado a moverse, como lo explica la regla de la mano izquierda de Fleming.
En un motor eléctrico, el estator produce un campo magnético giratorio mediante el uso de imanes permanentes o electroimanes. La armadura, que generalmente es el rotor, lleva el enrollado de la armadura que está conectado al colector y a las escobillas. El colector cambia la dirección de la corriente en el enrollado de la armadura a medida que gira para que siempre esté alineada con el campo magnético.
La interacción entre el campo magnético y el enrollado de la armadura genera un par que hace que la armadura rote. El eje unido a la armadura transfiere la potencia mecánica a otros dispositivos.
¿Cómo funciona una armadura en un generador eléctrico?
Un generador eléctrico convierte la energía mecánica en energía eléctrica utilizando el principio de la inducción electromagnética. Cuando un conductor se mueve en un campo magnético, induce una fuerza electromotriz (FEM) según la ley de Faraday.
En un generador eléctrico, la armadura suele ser el rotor que es impulsado por un motor primario, como un motor diésel o una turbina. La armadura lleva el enrollado de la armadura que está conectado al colector y a las escobillas. El estator produce un campo magnético estacionario mediante el uso de imanes permanentes o electroimanes.
El movimiento relativo entre el campo magnético y el enrollado de la armadura induce una FEM en el enrollado de la armadura, que impulsa una corriente eléctrica a través del circuito externo. El colector cambia la dirección de la corriente en el enrollado de la armadura a medida que gira para producir una corriente alterna (CA).
Partes de la armadura y diagrama
La armadura está compuesta por cuatro componentes esenciales: el núcleo, el enrollado, el colector y el eje. A continuación se muestra un diagrama que ilustra estas partes.
Pérdidas de la armadura
La armadura en las máquinas eléctricas incurre en varias pérdidas, disminuyendo su eficiencia y rendimiento. Estas pérdidas incluyen:
Pérdida por cobre: Esta es la pérdida de potencia debido a la resistencia del enrollado de la armadura. Es proporcional al cuadrado de la corriente de la armadura y se puede reducir usando cables más gruesos o caminos paralelos. La pérdida por cobre se puede calcular usando la fórmula:
donde Pc es la pérdida por cobre, Ia es la corriente de la armadura, y Ra es la resistencia de la armadura.
Pérdida por corrientes de Foucault: Esta es la pérdida de potencia debido a las corrientes inducidas en el núcleo de la armadura. Estas corrientes son causadas por el flujo magnético variable y producen calor y pérdidas magnéticas. La pérdida por corrientes de Foucault se puede reducir usando materiales de núcleo laminados o aumentando la brecha de aire. La pérdida por corrientes de Foucault se puede calcular usando la fórmula:
donde Pe es la pérdida por corrientes de Foucault, ke es una constante dependiente del material y la forma del núcleo, Bm es la densidad máxima de flujo, f es la frecuencia de inversión del flujo, t es el grosor de cada laminación, y V es el volumen del núcleo.
Pérdida por histéresis: Esta es la pérdida de potencia debido a la magnetización y desmagnetización repetitivas del núcleo de la armadura. Este proceso causa fricción y calor en la estructura molecular del material del núcleo. La pérdida por histéresis se puede reducir usando materiales magnéticos blandos con baja coercitividad y alta permeabilidad. La pérdida por histéresis se puede calcular usando la fórmula:
donde Ph es la pérdida por histéresis, kh es una constante dependiente del material del núcleo, Bm es la densidad máxima de flujo, f es la frecuencia de inversión del flujo, y V es el volumen del núcleo.
La pérdida total de la armadura se puede obtener sumando estas tres pérdidas:
La eficiencia de la armadura se puede definir como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada de la armadura:
donde ηa es la eficiencia de la armadura, Po es la potencia de salida, y Pi es la potencia de entrada de la armadura.
Diseño de la armadura
El diseño de la armadura es crucial para el rendimiento y la eficiencia de la máquina eléctrica, influenciado por varios factores clave:
El número de ranuras: Las ranuras se utilizan para acomodar el enrollado de la armadura y proporcionar soporte mecánico. El número de ranuras depende del tipo de enrollado, el número de polos y el tamaño de la máquina. Generalmente, más ranuras resultan en una mejor distribución de flujo y corriente, menor reactancia y pérdidas, y un par más suave. Sin embargo, más ranuras también aumentan el peso y el costo de la armadura, reducen el espacio para el aislamiento y la refrigeración, y aumentan el flujo de fuga y la reacción de la armadura.
La forma de las ranuras: Las ranuras pueden ser abiertas o cerradas, dependiendo de si están expuestas a la brecha de aire o no. Las ranuras abiertas son más fáciles de enrollar y enfriar, pero aumentan la reluctancia y el flujo de fuga en la brecha de aire. Las ranuras cerradas son más difíciles de enrollar y enfriar, pero reducen la reluctancia y el flujo de fuga en la brecha de aire.
El tipo de enrollado: El enrollado puede ser un enrollado en lágrima o en onda, dependiendo de cómo se conecten los devanados a los segmentos del colector. El enrollado en lágrima es adecuado para máquinas de alta corriente y baja tensión, ya que proporciona múltiples caminos paralelos para el flujo de corriente. El enrollado en onda es adecuado para máquinas de baja corriente y alta tensión, ya que proporciona una conexión en serie de los devanados y suma las tensiones.
El tamaño del conductor: El conductor se utiliza para llevar la corriente en el enrollado de la armadura. El tamaño del conductor depende de la densidad de corriente, que es la relación entre la corriente y el área de sección transversal. Una
