Armatur: Definition Funktion och delar

Vad är en armatur?

En armatur är komponenten i en elektrisk maskin (dvs. en motor eller generator) som bär växelström (AC). Armaturen leder AC även i DC (Direct Current) maskiner via kommutatorn (som periodvis ändrar strömföringens riktning) eller på grund av elektronisk kommutering (t.ex. i en borstelös DC-motor).

Armaturen ger bo och stöd till armaturvindningen, vilken interagerar med det magnetiska fältet som bildas i luftgapet mellan statoren och roteraren. Statorn kan vara antingen en roterande del (roterare) eller en stillastående del (statore).

Termen armatur introducerades under 1800-talet som ett tekniskt begrepp som betyder "magnets förvarare".

Hur fungerar en armatur i en elektrisk motor?

En elektrisk motor omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi genom elektromagnetisk induktion. Detta sker när en strömbärande ledare inuti ett magnetfält tvingas att röra sig, som förklaras av Flemings vänsterhandsregel.

I en elektrisk motor producerar statoren ett roterande magnetfält genom användning av permanentmagneter eller elektromagneter. Armaturen, som vanligtvis är roteraren, bär armaturvindningen som är ansluten till kommutatorn och borstarna. Kommutatorn växlar riktningen av strömmen i armaturvindningen när den roterar så att den alltid är justerad med magnetfältet.

Interaktionen mellan magnetfältet och armaturvindningen genererar en moment som orsakar att armaturen roterar. Axeln som är kopplad till armaturen överför den mekaniska kraften till andra enheter.

Hur fungerar en armatur i en elektrisk generator?

En elektrisk generator omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi genom att använda principen om elektromagnetisk induktion. När en ledare rör sig i ett magnetfält inducerar det en elektromotorisk kraft (EMK) enligt Faradays lag.

I en elektrisk generator är armaturen vanligtvis roteraren som drivs av en huvudmaskin, som en dieselmotor eller en turbin. Armaturen bär armaturvindningen som är ansluten till kommutatorn och borstarna. Statoren producerar ett stillastående magnetfält genom användning av permanentmagneter eller elektromagneter.

Den relativa rörelsen mellan magnetfältet och armaturvindningen inducerar en EMK i armaturvindningen, vilket driver en elektrisk ström genom den externa kretsen. Kommutatorn växlar riktningen av strömmen i armaturvindningen när den roterar så att den producerar en växelström (AC).

Armaturdelar & diagram

Armaturen består av fyra viktiga komponenter: kärnan, vindningen, kommutatorn och axeln. Nedan visas ett diagram som illustrerar dessa delar.

Armaturförluster

Armaturen i elektriska maskiner upplever flera förluster, vilket minskar dess effektivitet och prestanda. Dessa förluster inkluderar:

• Kopparförlust: Detta är effektförlusten på grund av motståndet i armaturvindningen. Den är proportionell mot kvadraten av armaturströmmen och kan minska genom att använda tjockare trådar eller parallella banor. Kopparförlusten kan beräknas med formeln:

där Pc är kopparförlusten, Ia är armaturströmmen, och Ra är armaturns motstånd.

Virvelförlust: Detta är effektförlusten på grund av de inducerade strömmarna i kärnan av armaturen. Dessa strömmar orsakas av det föränderliga magnetiska flödet och producerar värme och magnetiska förluster. Virvelförlusten kan minska genom att använda laminerade kärnmaterial eller öka luftgapet. Virvelförlusten kan beräknas med formeln:

där Pe är virvelförlusten, ke är en konstant som beror på kärnmaterial och form, Bm är den maximala flödestätheten, f är frekvensen av flödesomvändning, t är tjockleken av varje laminering, och V är volymen av kärnan.

• Hysteresisförlust: Detta är effektförlusten på grund av den upprepade magnetiseringen och demagnetiseringen av kärnan i armaturen. Denna process orsakar friktion och värme i molekylstrukturen av kärnmaterial. Hysteresisförlusten kan minska genom att använda mjuka magnetiska material med låg coercitivitet och hög permeabilitet. Hysteresisförlusten kan beräknas med formeln:

där Ph är hysteresisförlusten, kh är en konstant som beror på kärnmaterial, Bm är den maximala flödestätheten, f är frekvensen av flödesomvändning, och V är volymen av kärnan.

Den totala armaturförlusten kan erhållas genom att addera dessa tre förluster:

Armatureffektiviteten kan definieras som förhållandet mellan utdataeffekten och indataeffekten hos armaturen:

där ηa är armatureffektiviteten, Po är utdataeffekten, och Pi är indataeffekten hos armaturen.

Armaturdesign

Armaturdesignen är avgörande för elektriska maskiners prestanda och effektivitet, påverkad av flera nyckelfaktorer:

• Antalet spår: Spåren används för att rymma armaturvindningen och ge mekaniskt stöd. Antalet spår beror på typen av vindning, antalet poler och storleken på maskinen. Generellt sett resulterar fler spår i bättre fördelning av flux och ström, lägre reaktans och förluster, samt jämnare moment. Dock ökar fler spår också vikten och kostnaden för armaturen, minskar utrymmet för isolering och kylning, och ökar läckagefluxen och armaturreaktionen.

• Formen av spår: Spåren kan vara öppna eller stängda, beroende på om de är exponerade för luftgapet eller inte. Öppna spår är enklare att vindla och kyla, men de ökar reluctansen och läckagefluxen i luftgapet. Stängda spår är svårare att vindla och kyla, men de minskar reluctansen och läckagefluxen i luftgapet.

• Typ av vindning: Vindningen kan vara lap-vindad eller våg-vindad, beroende på hur spolar är anslutna till kommutatorsegmenten. Lap-vindning är lämplig för högströms- och lågspänningsmaskiner, eftersom den ger flera parallella banor för strömföring. Våg-vindning är lämplig för lågströms- och högspänningsmaskiner, eftersom den ger en serieanslutning av spolar och adderar spänningar.

• Storleken på ledaren: Ledaren används för att bära strömmen i armaturvindningen. Storleken på ledaren beror på strömtätheten