תורן: הגדרה, תפקיד וחלקים
מהו ארמטורה?
ארמטורה היא המרכיב של מכונת חשמל (כלומר, מנוע או גנרטור) שמעביר זרם חילופין (AC). הארמטורה מעבירה זרם חילופין גם במכונות זרם ישר (DC) דרך הקומוטטור (שמשנה באופן מחזורי את כיוון הזרם) או עקב קומוטציה אלקטרונית (למשל, במנוע DC ללא מברשת).
הארמטורה מספקת תיבת אביזרים ותמיכה לסליל הארמטורה, שמתחבר לשדה מגנטי שנוצר בסדק האוויר בין הסטטור לרוטור. הסטטור יכול להיות חלק סובב (רוטור) או חלק נייח (סטטור).
המונח ארמטורה הוצג במאה ה-19 כתיאור טכני המשמעות "שומר של מגנט".
איך עובדת ארמטורה במנוע חשמלי?
מנוע חשמלי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית באמצעות האינדוקציה אלקטרומגנטית. זה קורה כאשר מוליך המכיל זרם בתוך שדה מגנטי מופעל לנוע, כפי שמתואר על ידי כלל היד השמאלית של פלמינג.
במנוע חשמלי, הסטטור מייצר שדה מגנטי סובב באמצעות מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים. הארמטורה, שהיא בדרך כלל הרוטור, נושאת את סליל הארמטורה המחובר לקומוטטור והמברשות. הקומוטטור משנה את כיוון הזרם בסליל הארמטורה כשהוא מסובב כך שהוא תמיד מתאים לשדה המגנטי.
האינטרקציה בין השדה המגנטי לסליל הארמטורה מייצרת מומנט שגורם לארמטורה לסובב. הציר המחובר לארמטורה מעביר את הכוח המכני לערכות אחרות.
איך עובדת ארמטורה בגנרטור חשמלי?
גנרטור חשמלי ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית באמצעות עקרון האינדוקציה אלקטרומגנטית. כשמוליך נע בשדה מגנטי, הוא מפעיל כוח חשמלי (EMF) בהתאם לחוק פאראדיי.
בגנרטור חשמלי, הארמטורה היא בדרך כלל הרוטור הנגרר על ידי מנוע ראשוני, כגון מנוע דיזל או טורבינה. הארמטורה נושאת את סליל הארמטורה המחובר לקומוטטור והמברשות. הסטטור מייצר שדה מגנטי נייח באמצעות מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים.
התנועה היחסית בין השדה המגנטי לסליל הארמטורה מפעילה EMF בסליל הארמטורה, שמניעת זרם חשמלי דרך המעגל החיצוני. הקומוטטור משנה את כיוון הזרם בסליל הארמטורה כשהוא מסובב כך שהוא מייצר זרם חילופין (AC).
חלקים ודיאגרמה של ארמטורה
הארמטורה מורכבת מארבעה מרכיבים חיוניים: הליבה, הסליל, הקומוטטור והציר. להלן דיאגרמה הממחישה את החלקים הללו.
איבודים בארמטורה
הארמטורה במכונות חשמליות סובלת מאיבודים שונים, המפחיתים את יעילותה וביצועיה. האיבודים כוללים:
איבוד נחושת: זהו איבוד כוח בשל ההתנגדות של סליל הארמטורה. הוא פרופורציונלי לריבוע הזרם בארמטורה ניתן להפחית אותו באמצעות שימוש בחוטים עבים יותר או נתיבים מקבילים. האיבוד בנחושת ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה:
כאשר Pc הוא איבוד הנחושת, Ia הוא הזרם בארמטורה, ו-Ra היא ההתנגדות בארמטורה.
איבוד זרמים צדדיים: זהו איבוד כוח בשל הזרמים המושרה בליבה של הארמטורה. הזרמים האלו נגרמים על ידי שינוי השדה המגנטי והם מפיקים חום ואיבודים מגנטיים. ניתן להפחית את איבוד הזרמים הצדדיים באמצעות שימוש בחומרים משכפלים או בהגדלת הפער האווירי. איבוד הזרמים הצדדיים ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה:
כאשר Pe הוא איבוד הזרמים הצדדיים, ke הוא קבוע תלוי בחומרים והצורה של הליבה, Bm הוא צפיפות השדה המגנטי המקסימלית, f היא תדירות ההיפוך של השדה המגנטי, t הוא העובי של כל שכבה, ו-V הוא נפח הליבה.
איבוד היסטרזה: זהו איבוד כוח בשל המגנטיות והדמגנטיות החוזרים של ליבה הארמטורה. התהליך הזה גורם לחיכוך וחום במבנה המולקולרי של חומרי הליבה. ניתן להפחית את איבוד ההיסטרזה באמצעות שימוש בחומרים מגנטיים רכים עם נטייה מגנטית נמוכה וחדירות גבוהה. איבוד ההיסטרזה ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה:
כאשר Ph הוא איבוד ההיסטרזה, kh הוא קבוע תלוי בחומרים, Bm הוא צפיפות השדה המגנטי המקסימלית, f היא תדירות ההיפוך של השדה המגנטי, ו-V הוא נפח הליבה.
האיבוד הכולל בארמטורה ניתן לקבל על ידי חיבור של שלושת האיבודים:
יעילות הארמטורה יכולה להיות מוגדרת כיחס בין הכוח המוצא לכוח הנכנס של הארמטורה:
כאשר ηa היא יעילות הארמטורה, Po הוא הכוח המוצא, ו-Pi הוא הכוח הנכנס של הארמטורה.
עיצוב ארמטורה
עיצוב הארמטורה קריטי לביצועים ויעילות של מכונת החשמל, והוא מושפע מהגורמים הבאים:
מספר הגומות: הגומות משמשות כדי להכיל את סליל הארמטורה ולהספק תמיכה מכנית. מספר הגומות תלוי בסוג הסליל, במספר הקטבים ובגודל המכונה. בדרך כלל, מספר גדול של גומות מביא להתפלגות טובה יותר של שדה מגנטי וזרם, לתגובה נמוכה יותר ולאיבודים, ותורם לתורק חלק יותר. עם זאת, מספר גדול של גומות גם מגביר את משקל הארמטורה ואת עלותה, מפחית את המרחב עבור בידוד וקירור ומגביר את השדה המגנטי המסתנן והתגובה בארמטורה.
צורת הגומות: הגומות יכולות להיות פתוחות או סגורות, בהתאם לחשיפה שלהן לפער האוויר. גומות פתוחות קלות יותר לכרוך ולקרר, אך מגבירות את ההתנגדות והשדה המגנטי המסתנן בפער האוויר. גומות סגורות קשות יותר לכרוך ולקרר, אך מפחיתות את ההתנגדות והשדה המגנטי המסתנן בפער האוויר.
סוג הסליל: הסליל יכול להיות מעוטף בצורה לווית או גלי, בהתאם לדרך שבה הקויים מחוברים למקטעי הקומוטטור. סליל לווית מתאים למכונות עם זרם גבוה ומתח נמוך, שכן הוא מספק נתיבים מקבילים מרובים לזרם. סליל גלי מתאים למכונות עם זרם נמוך ומתח גבוה, שכן הוא מספק חיבור סדרתי של קויים ומוסיף את המתחים.
גודל המוליך: המוליך משמש להעברת הזרם בסליל הארמטורה. גודל המוליך תלוי בצפיפות הזרם, שהיא היחס בין הזרם לשטח החתך. צפיפות זרם גבוהה מובילה לאיבוד נחושת גבוה ועלייה בטמפרטורה, אך עלות ומשקל נמוכים יותר של המוליך. צפיפות זרם נמוכה מובילה לאיבוד נחושת נמוך ועלייה בטמפרטורה, אך עלות ומשקל גבוהים יותר של המוליך.
אורך הפער האווירי: הפער האווירי הוא המרחק בין קטבי הסטטור לרוטור. אורך הפער האווירי משפיע על צפיפות השדה המגנטי, ההתנגדות, השדה המגנטי המסתנן והתגובה בארמטורה. פער אווירי קטן מוביל לצפיפות שדה מגנטי גבוהה, להתנגדות נמוכה, לשדה מגנטי מסתנן נמוך והתגובה בארמטורה גבוהה. פער אווירי גדול מוביל לצפיפות שדה מגנטי נמוכה, להתנגדות גבוהה, לשדה מגנטי מסתנן גבוה והתגובה בארמטורה נמוכה.
עיצוב ארמטורה (המשך)
חלק מהשיטות המשמשות לעיצוב הארמטורה הן:
משוואת EMF: המשוואה הזו מקשרת את ה-EMF המושרה בארמטורה לשדה המגנטי, למהירות ומספר הקויים בסליל. ניתן להשתמש בה כדי לקבוע את הממדים והפרמטרים הנדרשים בארמטורה עבור מתח ועוצמה מוצא נתונים.
כאשר Ea הוא ה-EMF המושרה בוולט, ϕ הוא השדה המגנטי לכל קוטב בוובר, Z הוא מספר המוליכים בסך הכל בשרשרת, N היא מהירות הסיבוב ב-rpm, P הוא מספר הקטבים, ו-A הוא מספר הנתיבים מקבילים.
