Armature: Definitie, functie en onderdelen

Wat is een Armatuur?

Een armatuur is het onderdeel van een elektrische machine (d.w.z. een motor of generator) dat wisselstroom (WS) draagt. De armatuur geleidt WS zelfs in gelijkstroom (GS) machines via de commutator (die periodiek de stroomrichting omkeert) of door elektronische commutatie (bijv. in een brushless DC-motor).

De armatuur biedt huisvesting en ondersteuning aan de armatuurwinding, die interactie heeft met het magnetisch veld dat gevormd wordt in de luchtgap tussen de stator en de rotor. De stator kan zowel een roterend (rotor) als een stationair (stator) deel zijn.

De term armatuur werd in de 19e eeuw geïntroduceerd als technische term met de betekenis "bewaarder van een magneet".

Hoe werkt een Armatuur in een Elektrische Motor?

Een elektromotor transformeert elektrische energie in mechanische energie door middel van elektromagnetische inductie. Dit gebeurt wanneer een stroomvoerende geleider binnen een magnetisch veld gedwongen wordt te bewegen, zoals uitgelegd door Flemings linkerhandregel.

In een elektromotor produceert de stator een roterend magnetisch veld door gebruik te maken van permanente magneten of elektromagneten. De armatuur, die meestal de rotor is, bevat de armatuurwinding die verbonden is met de commutator en borstels. De commutator schakelt de richting van de stroom in de armatuurwinding bij elke rotatie, zodat deze altijd in lijn staat met het magnetisch veld.

De interactie tussen het magnetisch veld en de armatuurwinding genereert een koppel dat de armatuur doet roteren. De as die aan de armatuur is bevestigd, overbrengt de mechanische kracht naar andere apparaten.

Hoe werkt een Armatuur in een Elektrische Generator?

Een elektrische generator zet mechanische energie om in elektrische energie door gebruik te maken van het principe van elektromagnetische inductie. Wanneer een geleider zich in een magnetisch veld beweegt, wordt een elektromotief vermogen (EMK) geïnduceerd volgens Faradays wet.

In een elektrische generator is de armatuur meestal de rotor die aangedreven wordt door een primaire drijver, zoals een dieselmotor of een turbine. De armatuur bevat de armatuurwinding die verbonden is met de commutator en borstels. De stator produceert een stationair magnetisch veld door gebruik te maken van permanente magneten of elektromagneten.

De relatieve beweging tussen het magnetisch veld en de armatuurwinding induceert een EMK in de armatuurwinding, wat een elektrische stroom door de externe circuit drijft. De commutator schakelt de richting van de stroom in de armatuurwinding bij elke rotatie, zodat deze een wisselstroom (WS) produceert.

Armatureonderdelen & Diagram

De armatuur bestaat uit vier essentiële componenten: de kern, winding, commutator en as. Hieronder is een diagram dat deze delen illustreert.

Armatuurverliezen

De armatuur in elektrische machines ondervindt verschillende verliezen, waardoor de efficiëntie en prestaties afnemen. Deze verliezen omvatten:

• Koperverlies: Dit is het vermogensverlies door de weerstand van de armatuurwinding. Het is evenredig met het kwadraat van de armatuurstroom en kan worden verminderd door dikker draad of parallelle paden te gebruiken. Het koperverlies kan worden berekend met de formule:

waar Pc het koperverlies is, Ia de armatuurstroom en Ra de armatuur weerstand is.

Wervelstroomverlies: Dit is het vermogensverlies door de geïnduceerde stromen in de kern van de armatuur. Deze stromen worden veroorzaakt door de veranderende magnetische flux en produceren warmte en magnetische verliezen. Het wervelstroomverlies kan worden verminderd door gelamineerde kernmaterialen te gebruiken of de luchtgap te vergroten. Het wervelstroomverlies kan worden berekend met de formule:

waar Pe het wervelstroomverlies is, ke een constante afhankelijk van het kernmateriaal en de vorm, Bm de maximale fluxdichtheid, f de frequentie van de fluxomkering, t de dikte van elke laminatie, en V het volume van de kern.

• Remanentieverlies: Dit is het vermogensverlies door de herhaalde magnetisatie en demagnetisatie van de kern van de armatuur. Dit proces veroorzaakt wrijving en warmte in de moleculaire structuur van het kernmateriaal. Het remanentieverlies kan worden verminderd door zachte magnetische materialen met lage coercitiviteit en hoge permeabiliteit te gebruiken. Het remanentieverlies kan worden berekend met de formule:

waar Ph het remanentieverlies is, kh een constante afhankelijk van het kernmateriaal, Bm de maximale fluxdichtheid, f de frequentie van de fluxomkering, en V het volume van de kern.

Het totale armatuurverlies kan worden verkregen door deze drie verliezen op te tellen:

De armatuurefficiëntie kan worden gedefinieerd als het verhouding van het uitvoervermogen tot het invoervermogen van de armatuur:

waar ηa de armatuurefficiëntie, Po het uitvoervermogen, en Pi het invoervermogen van de armatuur is.

Armatuurontwerp

Het armatuurontwerp is cruciaal voor de prestaties en efficiëntie van de elektrische machine, beïnvloed door verschillende sleutelelementen:

• Het aantal gleuven: De gleuven worden gebruikt om de armatuurwinding te huisvesten en mechanische ondersteuning te bieden. Het aantal gleuven hangt af van het type winding, het aantal polen en de grootte van de machine. Over het algemeen resulteert meer gleuven in een betere verdeling van flux en stroom, lagere reactantie en verliezen, en een soepeler koppel. Echter, meer gleuven verhoogt ook het gewicht en de kosten van de armatuur, vermindert de ruimte voor isolatie en koeling, en verhoogt de lekkageflux en de armatuurreactie.

• De vorm van de gleuven: De gleuven kunnen open of gesloten zijn, afhankelijk van of ze blootgesteld zijn aan de luchtgap of niet. Open gleuven zijn gemakkelijker te winden en te koelen, maar verhogen de reluctancie en lekkageflux in de luchtgap. Gesloten gleuven zijn moeilijker te winden en te koelen, maar verlagen de reluctancie en lekkageflux in de luchtgap.

• Het type winding: De winding kan een lap winding of golf winding zijn, afhankelijk van hoe de spulen verbonden zijn met de commutatorsegmenten. Lap winding is geschikt voor hoogstroom en laagspanningsmachines, omdat het meerdere parallelle paden voor stroomvoer biedt. Golf winding is geschikt voor lage stroom en hogespanningsmachines, omdat het een serieverbinding van spulen biedt en de spanningen optelt.