Virta: Määritelmä toiminta ja osat

Mikä on armatuuri?

Armatuuri on sähkökoneen (esimerkiksi moottorin tai generaattorin) osa, joka kuljettaa vuorovesi sähköä (AC). Armatuuri kuljettaa AC-sähköä myös DC- (suora virta) koneissa kommutaattorin (joka kääntää sähkövirran suuntaa ajoittain) tai elektronisen kommutoinnin (esimerkiksi siirtovirtamoottorissa) avulla.

Armatuuri tarjoaa asuinpaikan ja tukirakenteen armatuuripituvalle, joka vuorovaikutaa magneettikentän kanssa statorin ja rotorin välisessä ilmavälissä. Stator voi olla joko pyörimällä oleva (rotor) tai paikallaan pysyvä (stator) osa.

Armatuuritermi otettiin käyttöön 19. vuosisadalla tekniseksi termiksi, joka tarkoitti "magneetin säilöntäväylä".

Miten armatuuri toimii sähmössä?

Sähmö muuttaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi sähkömagneettisen induktion periaatteella. Tämä tapahtuu, kun virtajohdin magneettikentässä pakotetaan liikkumaan, kuten Flemingin vasenkätinen sääntö selittää.

Sähmössä stator tuottaa pyörimällä olevan magneettikentän käyttäen pysyviä magneetteja tai sähkömagneetteja. Armatuuri, joka on yleensä rotor, sisältää armatuuripituvalle, joka on yhdistetty kommutaattoriin ja sikkeisiin. Kommutaattori vaihtaa sähkövirran suuntaa armatuuripituvalle pyörimisen aikana, jotta se aina vastaa magneettikenttää.

Magneettikentän ja armatuuripituvalle välinen vuorovaikutus tuottaa napa, joka saa armatuurin pyörimään. Armatuuriin kiinnitetty vaaka siirtää mekaanisen voiman muihin laitteisiin.

Miten armatuuri toimii sähkögeneraattorissa?

Sähkögeneraattori muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi käyttäen sähkömagneettisen induktion periaatetta. Kun johtaja liikkuu magneettikentässä, se indusoivaan sähkömotorin (EMF) Faradayn laissa kuvatun mukaan.

Sähkögeneraattorissa armatuuri on yleensä rotor, jota ajaa päämoottori, kuten dieselmoottori tai turbiini. Armatuuri sisältää armatuuripituvalle, joka on yhdistetty kommutaattoriin ja sikkeisiin. Stator tuottaa paikallisen magneettikentän käyttäen pysyviä magneetteja tai sähkömagneetteja.

Magneettikentän ja armatuuripituvalle välinen suhteellinen liike indusoivaan EMF:n armatuuripituvalle, joka ajaa sähkövirtaa ulkoiseen piiriin. Kommutaattori vaihtaa sähkövirran suuntaa armatuuripituvalle pyörimisen aikana, jotta se tuottaa vuorovesivirtaa (AC).

Armatuurin osat & kaavio

Armatuuri koostuu neljästä olennaisesta komponentista: ytimestä, pituvallesta, kommutaattorista ja vaakasta. Alla on kaavio, joka havainnollistaa näitä osia.

Armatuurin häviöt

Armatuurissa sähkökoneissa on useita häviöitä, jotka vähentävät sen tehokkuutta ja suorituskykyä. Nämä häviöt ovat:

• Kuparihäviö: Tämä on tehojen häviö armatuuripituvallesta johtuen. Se on verrannollinen armatuurivirran neliöön ja sitä voidaan vähentää käyttämällä paksimpia johdoja tai rinnakkaisia polkuja. Kuparihäviö lasketaan käyttämällä kaavaa:

missä Pc on kuparihäviö, Ia on armatuurivirta, ja Ra on armatuurin resistanssi.

Vihertähäviö: Tämä on tehojen häviö armatuurin ytimessä syntyvien virtojen aiheuttamana. Nämä virrat aiheutuvat muuttuvasta magneettisesta fluksista ja tuottavat lämpöä ja magneettisia häviöitä. Vihertähäviötä voidaan vähentää käyttämällä laminoituja ytimemateriaaleja tai lisäämällä ilmaväli. Vihertähäviö lasketaan käyttämällä kaavaa:

missä Pe on vihertähäviö, ke on vakio, joka riippuu ytimemateriaalista ja muodosta, Bm on maksimifluksitiheyden, f on fluksin käännöksen taajuus, t on jokaisen laminoinnin paksuus, ja V on ytimen tilavuus.

• Hystereesishäviö: Tämä on tehojen häviö armatuurin ytimen toistuvaan magnetisoitumiseen ja demagnetisoitumiseen. Tämä prosessi aiheuttaa kitkettä ja lämpöä ytimemateriaalin molekyylistruktuurissa. Hystereesishäviötä voidaan vähentää käyttämällä pehmeitä magneettisia materiaaleja, joilla on alhainen koersivisuus ja korkea permeabiliteetti. Hystereesishäviö lasketaan käyttämällä kaavaa:

missä Ph on hystereesishäviö, kh on vakio, joka riippuu ytimemateriaalista, Bm on maksimifluksitiheyden, f on fluksin käännöksen taajuus, ja V on ytimen tilavuus.

Armatuurin kokonaishäviö voidaan saada lisäämällä nämä kolme häviötä:

Armatuurin tehokkuus määritellään armatuurin tulosteen ja syötteen suhteena:

missä ηa on armatuurin tehokkuus, Po on tulosteen voima, ja Pi on syötteen voima armatuurissa.

Armatuurin suunnittelu

Armatuurin suunnittelu on ratkaiseva sähkökoneen suorituskyvyn ja tehokkuuden kannalta, ja se vaikuttaa useisiin keskeisiin tekijöihin:

• Paikkojen määrä: Paikat käytetään armatuuripituvalleiden sijoittamiseen ja mekaaniseen tueksi. Paikkojen määrä riippuu pistojen tyypistä, napojen määrästä ja koneen kokoista. Yleisesti ottaen, enemmän paikkoja johtaa parempaan fluxin ja virran jakautumiseen, pienempään ja häviöihin, sekä sileämpään napaan. Kuitenkin, enemmän paikkoja myös lisää armatuurin painoa ja hintaa, vähentää eristys- ja jähdytysavaruutta, ja lisää leivontavirtauksen ja armatuurin reaktiossa.

• Paikkojen muoto: Paikat voivat olla avoimia tai suljettuja, riippuen ovatko ne alttiina ilmavälille vai eivät. Avoimet paikat ovat helpompia pistää ja jähdyttää, mutta ne lisäävät vastusta ja leivontavirtauksen ilmavälissä. Suljetut paikat ovat vaikeampia pistää ja jähdyttää, mutta ne vähentävät vastusta ja leivontavirtauksen ilmavälissä.

• Pistotyyppi: Pisto voi olla lap-wound tai wave-wound, riippuen siitä, miten kytkentät yhdistetään kommutaattorin segmentteihin. Lap-winding sopii hyvin korkeavirtaisiin ja matalavolttaisiin koneisiin, koska