آرماتور: تعریف، عملکرد و قطعات

آرماتور چیست؟

آرماتور قطعه‌ای از یک ماشین الکتریکی (مثلاً موتور یا ژنراتور) است که جریان متناوب (AC) را منتقل می‌کند. آرماتور حتی در ماشین‌های DC (جریان مستقیم) از طریق کموناتور (که به طور دوره‌ای جهت جریان را معکوس می‌کند) یا به دلیل کموناتور الکترونیکی (مثلاً در موتورهای DC بدون برس) جریان AC را هدایت می‌کند.

آرماتور محل و پشتیبانی برای پیچش آرماتور را فراهم می‌کند که با میدان مغناطیسی تشکیل شده در فاصله هوایی بین استاتور و روتور تعامل دارد. استاتور می‌تواند بخشی چرخان (روتور) یا ثابت (استاتور) باشد.

اصطلاح آرماتور در قرن نوزدهم به عنوان یک اصطلاح تکنیکی معرفی شد و به معنای "نگهدارنده مغناطیس" است.

آرماتور در یک موتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این اتفاق زمانی می‌افتد که یک رسانا حاوی جریان در یک میدان مغناطیسی مجبور به حرکت می‌شود، همانطور که توسط قانون دست چپ فلمینگ توضیح داده شده است.

در یک موتور الکتریکی، استاتور با استفاده از مغناطیس‌های دائمی یا الکترومغناطیس‌ها میدان مغناطیسی چرخان را ایجاد می‌کند. آرماتور که معمولاً روتر است، پیچش آرماتور را که به کموناتور و برس‌ها متصل است حمل می‌کند. کموناتور جهت جریان در پیچش آرماتور را هنگام چرخش عوض می‌کند تا همیشه با میدان مغناطیسی هماهنگ باشد.

تعامل بین میدان مغناطیسی و پیچش آرماتور گشتاوری ایجاد می‌کند که باعث چرخش آرماتور می‌شود. محور متصل به آرماتور انرژی مکانیکی را به دستگاه‌های دیگر منتقل می‌کند.

آرماتور در یک ژنراتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

ژنراتور الکتریکی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی. وقتی یک رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، یک نیروالکتروموتوری (EMF) طبق قانون فارادی القاء می‌شود.

در یک ژنراتور الکتریکی، آرماتور معمولاً روتر است که توسط یک محرک اصلی مانند موتور دیزل یا توربین به چرخش در می‌آید. آرماتور پیچش آرماتور را که به کموناتور و برس‌ها متصل است حمل می‌کند. استاتور با استفاده از مغناطیس‌های دائمی یا الکترومغناطیس‌ها میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد می‌کند.

حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی و پیچش آرماتور EMF را در پیچش آرماتور القاء می‌کند که جریان الکتریکی را از طریق مدار خارجی راه‌اندازی می‌کند. کموناتور جهت جریان در پیچش آرماتور را هنگام چرخش عوض می‌کند تا جریان متناوب (AC) تولید کند.

اجزاء و نمودار آرماتور

آرماتور از چهار جزء اساسی تشکیل شده است: هسته، پیچش، کموناتور و محور. در زیر نموداری از این اجزا آورده شده است.

زیان‌های آرماتور

آرماتور در ماشین‌های الکتریکی چندین زیان دارد که کارایی و عملکرد آن را کاهش می‌دهد. این زیان‌ها شامل موارد زیر است:

• زیان مس: این زیان تلفات قدرت ناشی از مقاومت پیچش آرماتور است. این زیان متناسب با مجذور جریان آرماتور است و می‌تواند با استفاده از سیم‌های ضخیم‌تر یا مسیرهای موازی کاهش یابد. زیان مس را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

که در آن Pc زیان مس، Ia جریان آرماتور و Ra مقاومت آرماتور است.

زیان جریان ادی: این زیان تلفات قدرت ناشی از جریان‌های القایی در هسته آرماتور است. این جریان‌ها با تغییر میدان مغناطیسی ایجاد می‌شوند و گرمی و تلفات مغناطیسی ایجاد می‌کنند. زیان جریان ادی را می‌توان با استفاده از مواد هسته لایه‌ای یا افزایش فاصله هوایی کاهش داد. زیان جریان ادی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

که در آن Pe زیان جریان ادی، ke یک ثابت وابسته به مواد هسته و شکل آن، Bm چگالی مغناطیسی حداکثر، f فرکانس معکوس مغناطیسی، t ضخامت هر لایه و V حجم هسته است.

• زیان هیسترزیس: این زیان تلفات قدرت ناشی از مغناطیس‌پذیری و دی‌مغناطیس‌پذیری مکرر هسته آرماتور است. این فرآیند سر و صدای مولکولی در ساختار مواد هسته ایجاد می‌کند. زیان هیسترزیس را می‌توان با استفاده از مواد مغناطیسی نرم با کوئرسیویته کم و نفوذپذیری بالا کاهش داد. زیان هیسترزیس را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

که در آن Ph زیان هیسترزیس، kh یک ثابت وابسته به مواد هسته، Bm چگالی مغناطیسی حداکثر، f فرکانس معکوس مغناطیسی و V حجم هسته است.

زیان کل آرماتور را می‌توان با جمع این سه زیان به دست آورد:

کارایی آرماتور را می‌توان به عنوان نسبت توان خروجی به توان ورودی آرماتور تعریف کرد:

که در آن ηa کارایی آرماتور، Po توان خروجی و Pi توان ورودی آرماتور است.

طراحی آرماتور

طراحی آرماتور برای عملکرد و کارایی ماشین الکتریکی بسیار مهم است و تحت تأثیر چندین عامل کلیدی قرار دارد:

• تعداد اسلات‌ها: اسلات‌ها برای جای دادن پیچش آرماتور و ارائه پشتیبانی مکانیکی استفاده می‌شوند. تعداد اسلات‌ها به نوع پیچش، تعداد قطب‌ها و اندازه ماشین بستگی دارد. به طور کلی، تعداد بیشتر اسلات‌ها منجر به توزیع بهتر فلوکس و جریان، واکنش‌های کمتر و گشتاور صاف‌تر می‌شود. با این حال، تعداد بیشتر اسلات‌ها وزن و هزینه آرماتور را افزایش می‌دهد، فضای عایق‌بندی و خنک‌سازی را کاهش می‌دهد و فلوکس‌های نشتی و واکنش آرماتور را افزایش می‌دهد.

• شکل اسلات‌ها: اسلات‌ها می‌توانند باز یا بسته باشند، بسته به اینکه آیا به فاصله هوایی مواجه هستند یا خیر. اسلات‌های باز رساندن و خنک‌سازی آن‌ها آسان‌تر است، اما مقاومت و فلوکس‌های نشتی در فاصله هوایی را افزایش می‌دهد. اسلات‌های بسته رساندن و خنک‌سازی آن‌ها سخت‌تر است، اما مقاومت و فلوکس‌های نشتی در فاصله هوایی را کاهش می‌دهد.

• نوع پیچش: پیچش می‌تواند پیچش لپ یا پیچش موج باشد، بسته به نحوه اتصال کوات‌ها به بخش‌های کموناتور. پیچش لپ برای ماشین‌های با جریان بالا و ولتاژ پایین مناسب است، زیرا مسیرهای موازی متعددی برای جریان فراهم می‌کند. پیچش موج برای ماشین‌های با جریان کم و ولتاژ بالا مناسب است، زیرا کوات‌ها را به صورت سری اتصال می‌دهد و ولتاژ‌ها را جمع می‌کند.

• اندازه رسانا: رسانا برای حمل جریان در پیچش آرماتور استفاده