Obloukový výbojek: Definice, funkce a části (Elektrický motor & Generátor)

Co je armatura?

Armatura je součást elektrického stroje (tj. motoru nebo generátoru), která nese střídavý proud (AC). Armatura vede AC i u DC (stejnosměrných) strojů prostřednictvím komutátoru (který pravidelně mění směr proudu) nebo díky elektronické komutaci (např. u bezšetříkového DC motoru).

Armatura poskytuje obal a podporu pro vinutí armatury, které interaguje s magnetickým polem vytvořeným ve vzduchovém mezeru mezi statorom a rotorem. Stator může být buď rotační část (rotor) nebo stacionární část (stator).

Termín armatura byl zaveden v 19. století jako technický termín znamenající „držitel magnetu“.

Jak funguje armatura v elektrickém motoru?

Elektrický motor převádí elektrickou energii na mechanickou energii pomocí principu elektromagnetické indukce. Když se vedoucí proud umístí do magnetického pole, zažije sílu podle Flemingova levého pravidla.

V elektrickém motoru stator produkuje otáčející se magnetické pole pomocí trvalých magnetů nebo elektromagnetů. Armatura, která je obvykle rotor, nese vinutí armatury, které je spojeno s komutátorem a štětci. Komutátor mění směr proudu v vinutí armatury, když se toto otáčí, takže se vždy vyrovnává s magnetickým polem.

Interakce mezi magnetickým polem a vinutím armatury generuje moment, který způsobuje otáčení armatury. Hřídel spojený s armaturou přenáší mechanickou sílu na jiné zařízení.

Jak funguje armatura v elektrickém generátoru?

Elektrický generátor převádí mechanickou energii na elektrickou energii pomocí principu elektromagnetické indukce. Když se vedoucí proud pohybuje v magnetickém poli, vyvolá elektromotorickou sílu (EMF) podle Faradayova zákona.

V elektrickém generátoru armatura je obvykle rotor, který je poháněn hlavním pohonem, jako je například dieselový motor nebo turbína. Armatura nese vinutí armatury, které je spojeno s komutátorem a štětci. Stator produkuje stacionární magnetické pole pomocí trvalých magnetů nebo elektromagnetů.

Relativní pohyb mezi magnetickým polem a vinutím armatury vyvolá EMF v vinutí armatury, která pohání elektrický proud v externím obvodu. Komutátor mění směr proudu v vinutí armatury, když se toto otáčí, takže vyvolá střídavý proud (AC).

Části armatury a schéma

Armatura se skládá ze čtyř hlavních částí: jádro, vinutí, komutátor a hřídel. Schéma armatury je znázorněno níže.

Ztráty armatury

Armatura elektrického stroje je vystavena různým typům ztrát, které snižují její efektivitu a výkon. Hlavní typy ztrát armatury jsou:

• Měděné ztráty: Toto jsou ztráty energie způsobené odporovými vlastnostmi vinutí armatury. Jsou úměrné druhé mocnině armatury proudu a lze je snížit použitím silnějších drátů nebo paralelních cest. Měděné ztráty lze vypočítat pomocí vzorce:

kde Pc jsou měděné ztráty, Ia je proud armatury a Ra je odpor armatury.

• Ztráty vířivých proudů: Toto jsou ztráty energie způsobené indukovanými proudy v jádru armatury. Tyto proudy jsou způsobeny měnícím se magnetickým tokem a produkují teplo a magnetické ztráty. Ztráty vířivých proudů lze snížit použitím laminovaných materiálů jádra nebo zvětšením vzduchového mezeru. Ztráty vířivých proudů lze vypočítat pomocí vzorce:

kde Pe jsou ztráty vířivých proudů, ke je konstanta závislá na materiálu a tvaru jádra, Bm je maximální hustota toku, f je frekvence obrácení toku, t je tloušťka každého laminátu a V je objem jádra.

• Hysterézní ztráty: Toto jsou ztráty energie způsobené opakovaným namagnetováním a demagnetizací jádra armatury. Tento proces způsobuje tření a teplo v molekulární struktuře materiálu jádra. Hysterézní ztráty lze snížit použitím měkkých magnetických materiálů s nízkou koercivitou a vysokou permeabilitou. Hysterézní ztráty lze vypočítat pomocí vzorce:

kde Ph jsou hysterézní ztráty, kh je konstanta závislá na materiálu jádra, Bm je maximální hustota toku, f je frekvence obrácení toku a V je objem jádra.

Celkové ztráty armatury lze získat sečtením těchto tří ztrát:

Efektivita armatury lze definovat jako poměr výstupní síly k vstupní síle armatury:

kde ηa je efektivita armatury, Po je výstupní síla a Pi je vstupní síla armatury.

Návrh armatury

Návrh armatury ovlivňuje výkon a efektivitu elektrického stroje. Některé faktory, které ovlivňují návrh armatury, jsou:

• Počet slotů: Sloty se používají k umístění vinutí armatury a poskytnutí mechanické podpory. Počet slotů závisí na typu vinutí, počtu pólovců a velikosti stroje. Obecně platí, že více slotů zlepšuje rozložení toku a proudu, snižuje reaktanci a ztráty a zajišťuje hladší moment. Nicméně, více slotů také zvyšuje hmotnost a náklady armatury, snižuje prostor pro izolaci a chlazení a zvyšuje únikový tok a reakci armatury.

• Tvar slotů: Sloty mohou být otevřené nebo uzavřené, v závislosti na tom, zda jsou expozovány vzduchovému mezeru nebo ne. Otevřené sloty jsou snazší na vinutí a chlazení, ale zvyšují nechtěný tok a únikový tok v vzduchovém mezeru. Uzavřené sloty jsou obtížnější na vinutí a chlazení, ale snižují nechtěný tok a únikový tok v vzduchovém mezeru.

• Typ vinutí: Vinutí může být lapové nebo vlnové, v závislosti na tom, jak jsou cívek spojeny s segmenty komutátoru. Lapové vinutí je vhodné pro stroje s vysokým proudem a nízkým napětím, protože poskytuje několik paralelních cest pro proud. Vlnové vinutí je vhodné pro stroje s nízkým proudem a vysokým napětím, protože poskytuje sériové spojení cívek a sčítá napětí.

• Velikost vodiče: Vodič se používá k vedению тока в обмотке якоря. Размер проводника зависит от плотности тока, которая является соотношением тока к поперечному сечению. Более высокая плотность тока приводит к более высоким медным потерям и повышению температуры, но меньшей стоимости и веса проводника. Низкая плотность тока приводит к меньшим медным потерям и повышению температуры, но большей стоимости и весу проводника.

• Délka vzduchového mezeru: Vzduchový mezera je vzdálenost mezi póly statoru a rotoru. Délka vzduchového mezeru ovlivňuje hustotu toku, nechtěný tok, únikový tok a reakci armatury v stroji. Menší vzduchový mezera způsobuje vyšší hustotu toku, nižší nechtěný tok, nižší únikový tok a vyšší reakci armatury. Větší vzduchový mezera způsobuje nižší hustotu toku, vyšší nechtěný tok, vyšší únikový tok a nižší reakci armatury.

Návrh armatury (pokračování)

Některé metody používané k návrhu armatury jsou:

• Vzorec pro EMF: Tento vzorec popisuje vztah mezi indukovaným EMF v armatuře a tokem, rychlostí a počtem ot