Арматура: Дефиниция, функция и части (Електричен мотор и генератор)

Какво е арматура?

Арматурата е компонент на електрическа машина (например, мотор или генератор), който пренася алтернативен ток (AC). Арматурата провежда AC дори в DC (директен ток) машини чрез комутатора (който периодично обръща посоката на тока) или благодарение на електронна комутация (например, в безщетков DC мотор).

Арматурата предоставя домакинство и поддръжка на арматурното оплитане, което взаимодейства с магнитното поле, образувано в въздушния зазор между статора и ротора. Статорът може да бъде или вращаща се част (ротор) или неподвижна част (статор).

Терминът арматура беше въведен през 19 век като технически термин, означаващ „хранител на магнит“.

Как работи арматурата в електрическия мотор?

Електрическият мотор преобразува електрическа енергия в механична енергия, използвайки принципа на електромагнитна индукция. Когато проводник, който пренася ток, е поставен в магнитно поле, той изпитва сила според правилото на Флеминг за лявата ръка.

В електрическия мотор статорът произвежда въртящо се магнитно поле, използвайки постоянни магнити или електромагнити. Арматурата, която обикновено е ротор, носи арматурното оплитане, свързано с комутатора и щетките. Комутаторът превключва посоката на тока в арматурното оплитане при въртене, така че то винаги да се подравнява с магнитното поле.

Взаимодействието между магнитното поле и арматурното оплитане генерира момента, който причинява арматурата да се върти. Валът, прикрепен към арматурата, прехвърля механичната мощност към други устройства.

Как работи арматурата в електрическия генератор?

Електрическият генератор преобразува механична енергия в електрическа енергия, използвайки принципа на електромагнитна индукция. Когато проводник се движи в магнитно поле, той индуцира електромоторна сила (EMF) според закона на Фарадей.

В електрическия генератор арматурата обикновено е ротор, който се задвижва от първичен двигател, като например дизелов двигател или турбина. Арматурата носи арматурното оплитане, свързано с комутатора и щетките. Статорът произвежда неподвижно магнитно поле, използвайки постоянни магнити или електромагнити.

Относителното движение между магнитното поле и арматурното оплитане индуцира EMF в арматурното оплитане, което води до електрически ток във външната верига. Комутаторът превключва посоката на тока в арматурното оплитане при въртене, така че да произвежда алтернативен ток (AC).

Части на арматурата и диаграма

Арматурата се състои от четири основни части: ядро, оплитане, комутатор и вал. Диаграма на арматура е показана по-долу.

Потери на арматурата

Арматурата на електрическа машина е изложена на различни видове загуби, които намаляват нейната ефективност и производителност. Основните видове загуби на арматура са:

• Медна загуба: Това е загубата на мощност, породена от съпротивлението на арматурното оплитане. Тя е пропорционална на квадрата на арматурния ток и може да бъде намалена, като се използват по-дебели жици или паралелни пътища. Медната загуба може да бъде изчислена с формулата:

където Pc е медната загуба, Ia е арматурния ток, и Ra е арматурното съпротивление.

• Загуба от токове на Фуко: Това е загубата на мощност, породена от индуцираните токове в ядрото на арматурата. Тези токове са причинени от променящото се магнитно поток и произвеждат топлина и магнитни загуби. Загубата от токове на Фуко може да бъде намалена, като се използват слоести материали за ядрото или се увеличи въздушния зазор. Загубата от токове на Фуко може да бъде изчислена с формулата:

където Pe е загубата от токове на Фуко, ke е константа, зависеща от материал и форма на ядрото, Bm е максималната плътност на потока, f е честотата на обратното превключване на потока, t е дебелината на всяко слойче, а V е обемът на ядрото.

• Хистерезисна загуба: Това е загубата на мощност, породена от повторната намагничаване и демагнетизация на ядрото на арматурата. Този процес причинява триене и топлина в молекулярната структура на материалите на ядрото. Хистерезисната загуба може да бъде намалена, като се използват меки магнитни материали с ниска коерцитивна сила и висока проницаемост. Хистерезисната загуба може да бъде изчислена с формулата:

където Ph е хистерезисната загуба, kh е константа, зависеща от материалите на ядрото, Bm е максималната плътност на потока, f е честотата на обратното превключване на потока, а V е обемът на ядрото.

Общата загуба на арматурата може да бъде получена, като се съберат тези три загуби:

Ефективността на арматурата може да бъде дефинирана като отношението на изходната мощност към входната мощност на арматурата:

където ηa е ефективността на арматурата, Po е изходната мощност, а Pi е входната мощност на арматурата.

Дизайн на арматурата

Дизайнът на арматурата влияе върху производителността и ефективността на електрическата машина. Някои от факторите, които влияят на дизайнът на арматурата, са:

• Броят на слотовете: Слотовете се използват за разположение на арматурното оплитане и осигуряване на механичен подпор. Броят на слотовете зависи от типа оплитане, броя на полюсите и размера на машината. Обикновено повече слотове водят до по-добро разпределение на потока и тока, по-ниска реактивна мощност и загуби, и по-гладък момент. Но повече слотове също увеличават теглото и цената на арматурата, намаляват пространството за изолация и охлаждане, и увеличават утечката на потока и реакцията на арматурата.

• Формата на слотовете: Слотовете могат да са отворени или затворени, в зависимост от това дали са изложени на въздушния зазор или не. Отворените слотове са по-лесни за оплитане и охлаждане, но те увеличават релуктанцията и утечката на потока във въздушния зазор. Затворените слотове са по-трудни за оплитане и охлаждане, но те намаляват релуктанцията и утечката на потока във въздушния зазор.

• Типа оплитане: ОPLITANETO може да бъде лапово или вълново, в зависимост от начина, по който катушките са свързани със сегментите на комутатора. Лаповото оплитане е подходящо за машини с висок ток и ниско напрежение, тъй като предоставя множество паралелни пътища за тока. Вълновото оплитане е подходящо за машини с нисък ток и високо напрежение, тъй като предоставя сериен контакт на катушките и добавя напреженията.

• Размерът на проводника: Проводникът се използва