アーマチュア：定義、機能と部品

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フィールド: 基本電気

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アーマチュアとは何か

アーマチュアは、電気機器（モーターや発電機など）の部品で、交流（AC）を流す役割を持っています。直流（DC）マシンでも、コマタタキや電子制御（ブラシレスDCモーターなど）により、アーマチュアは交流を流します。

アーマチュアは、アーマチュア巻線の収容と支持を行います。この巻線は、スタータとロータ間のエアギャップに形成される磁界と相互作用します。スタータは回転部（ロータ）または固定部（スタータ）のいずれかです。

アーマチュアという用語は19世紀に「磁石の保持者」という意味の技術用語として導入されました。

電動機におけるアーマチュアの働き

電動機は、電磁誘導によって電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。これは、フリミングの左手の法則によれば、磁界内にある電流を流す導体が動き出すときに起こります。

電動機では、スタータは永久磁石または電磁石を使用して回転磁界を生成します。アーマチュアは通常ロータであり、アーマチュア巻線をコマタタキとブラシに接続しています。コマタタキは、アーマチュア巻線が回転する際に電流の方向を切り替えて、常に磁界と一致させます。

磁界とアーマチュア巻線との相互作用によりトルクが生成され、アーマチュアが回転します。アーマチュアに取り付けられたシャフトは、機械力を他の装置に伝達します。

発電機におけるアーマチュアの働き

発電機は、電磁誘導の原理を使用して機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。導体が磁界内で動くと、ファラデーの法則に従って起電力（EMF）が誘導されます。

発電機では、アーマチュアは通常ディーゼルエンジンやタービンなどのプライムムーバーによって駆動されるロータです。アーマチュアはアーマチュア巻線をコマタタキとブラシに接続しています。スタータは永久磁石または電磁石を使用して静止磁界を生成します。

磁界とアーマチュア巻線との相対的な動きにより、アーマチュア巻線にEMFが誘導され、外部回路を通じて電流が流れます。コマタタキは、アーマチュア巻線が回転する際に電流の方向を切り替えて、交流（AC）を生成します。

アーマチュアの部品と図

アーマチュアは、コア、巻線、コマタタキ、およびシャフトの4つの主要な部品から構成されています。以下にこれらの部品を示す図を示します。

アーマチュアの損失

電気機器のアーマチュアにはいくつかの損失があり、効率と性能を低下させます。これらの損失には以下のものがあります。

銅損：これはアーマチュア巻線の抵抗による電力損失です。アーマチュア電流の2乗に比例し、太いワイヤーや並列パスを使用することで減少できます。銅損は以下の式で計算できます。

ここでPcは銅損、Iaはアーマチュア電流、Raはアーマチュア抵抗です。

渦電流損：これはアーマチュアコア内の誘導電流による電力損失です。これらの電流は磁束の変化によって引き起こされ、熱と磁気損失を生み出します。渦電流損は、層状コア材料を使用したり、エアギャップを増加させることで減少できます。渦電流損は以下の式で計算できます。

ここでPeは渦電流損、keはコア材料と形状に依存する定数、Bmは最大磁束密度、fは磁束反転の周波数、tは各層の厚さ、Vはコアの体積です。

ヒステリシス損失：これはアーマチュアコアの反復的な磁化と非磁化による電力損失です。この過程はコア材料の分子構造に摩擦と熱を生み出します。ヒステリシス損失は、低いコーシビリティと高い透磁率を持つ軟磁性材料を使用することで減少できます。ヒステリシス損失は以下の式で計算できます。

ここでPhはヒステリシス損失、khはコア材料に依存する定数、Bmは最大磁束密度、fは磁束反転の周波数、Vはコアの体積です。

総アーマチュア損失は、これらの3つの損失を合算することで得られます。

アーマチュア効率は、アーマチュアの出力電力と入力電力の比として定義されます。

ここでηaはアーマチュア効率、Poは出力電力、Piはアーマチュアの入力電力です。

アーマチュア設計

アーマチュア設計は、電気機器の性能と効率に大きく影響します。主な要素は以下の通りです。

スロット数：スロットはアーマチュア巻線を収容し、機械的なサポートを提供します。スロット数は巻線の種類、極数、機器のサイズによって決まります。一般的に、多くのスロットがあるほど磁束と電流の分布が良くなり、リアクタンスと損失が低減され、トルクが滑らかになります。しかし、スロット数が多いとアーマチュアの重量とコストが増加し、絶縁と冷却のスペースが減少し、漏れ磁束とアーマチュア反応が増大します。
スロットの形状：スロットはエアギャップに露出しているかどうかにより開口または閉口タイプがあります。開口スロットは巻線と冷却が容易ですが、エアギャップのリラクタンスと漏れ磁束を増加させます。閉口スロットは巻線と冷却が困難ですが、エアギャップのリラクタンスと漏れ磁束を減少させます。
巻線の種類：巻線はコマタタキセグメントへの接続方法によりラップ巻きまたはウェーブ巻きがあります。ラップ巻きは高電流・低電圧の機器に適しており、複数の並列パスを提供します。ウェーブ巻きは低電流・高電圧の機器に適しており、コイルの直列接続を行い、電圧を加算します。
導体のサイズ：導体はアーマチュア巻線に電流を流すために使用されます。導体のサイズは電流密度（単位断面積あたりの電流）によって決まります。高い電流密度は高い銅損と温度上昇をもたらしますが、導体のコストと重量が低くなります。低い電流密度は低い銅損と温度上昇をもたらしますが、導体のコストと重量が高くなります。
エアギャップの長さ：エアギャップはスタータとロータの極間の距離です。エアギャップの長さは磁束密度、リラクタンス、漏れ磁束、アーマチュア反応に影響します。短いエアギャップは高い磁束密度、低いリラクタンス、低い漏れ磁束、高いアーマチュア反応をもたらします。長いエアギャップは低い磁束密度、高いリラクタンス、高い漏れ磁束、低いアーマチュア反応をもたらします。