Armatura: definizione funzione e parti
Cos'è un Armature?
Un armature è il componente di una macchina elettrica (cioè, un motore o generatore) che trasporta la corrente alternata (CA). L'armature conduce la CA anche nelle macchine a corrente continua (CC) attraverso il commutatore (che inverte periodicamente la direzione della corrente) o a causa della commutazione elettronica (ad esempio, in un motore a corrente continua senza spazzole).
L'armature fornisce alloggio e supporto all'avvolgimento dell'armature, che interagisce con il campo magnetico formato nello spazio tra il stator e il rotore. Il stator può essere sia una parte rotante (rotore) che una parte fissa (stator).
Il termine armature fu introdotto nel XIX secolo come termine tecnico per indicare "il custode di un magnete".
Come funziona l'armature in un motore elettrico?
Un motore elettrico trasforma l'energia elettrica in energia meccanica attraverso l'induzione elettromagnetica. Questo avviene quando un conduttore portatore di corrente all'interno di un campo magnetico viene costretto a muoversi, come spiegato dalla regola della mano sinistra di Fleming.
In un motore elettrico, lo stator produce un campo magnetico rotante utilizzando magneti permanenti o elettromagneti. L'armature, che solitamente è il rotore, porta l'avvolgimento dell'armature che è collegato al commutatore e alle spazzole. Il commutatore inverte la direzione della corrente nell'avvolgimento dell'armature mentre si ruota, in modo che sia sempre allineato con il campo magnetico.
L'interazione tra il campo magnetico e l'avvolgimento dell'armature genera un momento che fa ruotare l'armature. L'albero collegato all'armature trasferisce la potenza meccanica ad altri dispositivi.
Come funziona l'armature in un generatore elettrico?
Un generatore elettrico converte l'energia meccanica in energia elettrica utilizzando il principio dell'induzione elettromagnetica. Quando un conduttore si muove in un campo magnetico, induce una forza elettromotrice (FEM) secondo la legge di Faraday.
In un generatore elettrico, l'armature è solitamente il rotore che è azionato da un motore primario, come un motore diesel o una turbina. L'armature porta l'avvolgimento dell'armature che è collegato al commutatore e alle spazzole. Lo stator produce un campo magnetico fisso utilizzando magneti permanenti o elettromagneti.
Il movimento relativo tra il campo magnetico e l'avvolgimento dell'armature induce una FEM nell'avvolgimento dell'armature, che genera una corrente elettrica attraverso il circuito esterno. Il commutatore inverte la direzione della corrente nell'avvolgimento dell'armature mentre si ruota, producendo così una corrente alternata (CA).
Parti dell'armature e diagramma
L'armature è composto da quattro componenti essenziali: il nucleo, l'avvolgimento, il commutatore e l'albero. Di seguito è riportato un diagramma che illustra queste parti.
Perdite dell'armature
L'armature nelle macchine elettriche subisce diverse perdite, riducendo la sua efficienza e prestazioni. Queste perdite includono:
Perdita di rame: Questa è la perdita di potenza dovuta alla resistenza dell'avvolgimento dell'armature. È proporzionale al quadrato della corrente dell'armature e può essere ridotta utilizzando fili più spessi o percorsi paralleli. La perdita di rame può essere calcolata utilizzando la formula:
dove Pc è la perdita di rame, Ia è la corrente dell'armature e Ra è la resistenza dell'armature.
Perdita di correnti indotte: Questa è la perdita di potenza dovuta alle correnti indotte nel nucleo dell'armature. Queste correnti sono causate dal flusso magnetico variabile e producono calore e perdite magnetiche. La perdita di correnti indotte può essere ridotta utilizzando materiali a nastro laminati o aumentando lo spazio d'aria. La perdita di correnti indotte può essere calcolata utilizzando la formula:
dove Pe è la perdita di correnti indotte, ke è una costante dipendente dal materiale e dalla forma del nucleo, Bm è la densità di flusso massima, f è la frequenza di inversione del flusso, t è lo spessore di ciascun nastro laminato e V è il volume del nucleo.
Perdita di isteresi: Questa è la perdita di potenza dovuta alla magnetizzazione e demagnetizzazione ripetute del nucleo dell'armature. Questo processo causa attrito e calore nella struttura molecolare del materiale del nucleo. La perdita di isteresi può essere ridotta utilizzando materiali magnetici morbidi con coercività bassa e permeabilità alta. La perdita di isteresi può essere calcolata utilizzando la formula:
dove Ph è la perdita di isteresi, kh è una costante dipendente dal materiale del nucleo, Bm è la densità di flusso massima, f è la frequenza di inversione del flusso e V è il volume del nucleo.
La perdita totale dell'armature può essere ottenuta sommando queste tre perdite:
L'efficienza dell'armature può essere definita come il rapporto tra la potenza di uscita e la potenza di ingresso dell'armature:
dove ηa è l'efficienza dell'armature, Po è la potenza di uscita e Pi è la potenza di ingresso dell'armature.
Progettazione dell'armature
La progettazione dell'armature è cruciale per le prestazioni ed efficienza della macchina elettrica, influenzata da diversi fattori chiave:
Il numero di scanalature: Le scanalature vengono utilizzate per ospitare l'avvolgimento dell'armature e fornire supporto meccanico. Il numero di scanalature dipende dal tipo di avvolgimento, dal numero di poli e dalle dimensioni della macchina. Generalmente, più scanalature risultano in una migliore distribuzione del flusso e della corrente, in una reattività minore e in perdite minori, nonché in un momento più uniforme. Tuttavia, più scanalature aumentano anche il peso e il costo dell'armature, riducono lo spazio per l'isolamento e il raffreddamento e aumentano il flusso di dispersione e la reazione dell'armature.
La forma delle scanalature: Le scanalature possono essere aperte o chiuse, a seconda che siano esposte allo spazio d'aria o meno. Le scanalature aperte sono più facili da avvolgere e raffreddare, ma aumentano la riluttanza e il flusso di dispersione nello spazio d'aria. Le scanalature chiuse sono più difficili da avvolgere e raffreddare, ma riducono la riluttanza e il flusso di dispersione nello spazio d'aria.
Il tipo di avvolgimento: L'avvolgimento può essere a bobinaggio a corona o a onda, a seconda di come i coil sono collegati ai segmenti del commutatore. Il bobinaggio a corona è adatto per macchine ad alta corrente e bassa tensione, poiché fornisce percorsi multipli e paralleli per il flusso di corrente. Il bobinaggio a onda è adatto per macchine a bassa corrente e alta tensione, poiché fornisce una connessione in serie dei coil e somma le tensioni.
Le dimensioni del conduttore: Il conduttore viene utilizzato per trasportare la corrente nell'avvolgimento dell'armature. Le dimensioni del conduttore dipendono dalla densità di corrente
