Armeratur: Definition, funktion og dele (Elektrisk motor & generator)
Hvad er en armatur?
En armatur er den komponent i en elektrisk maskine (f.eks. en motor eller generator), der fører alternerende strøm (AC). Armaturen føre AC, selv i DC-maskiner (Direct Current) gennem kommutator (som periodisk ombytter strømretningen) eller på grund af elektronisk kommutation (f.eks. i en børsteløs DC-motor).
Armaturen tilbyder hus og støtte til armaturvindingen, som interagerer med det magnetiske felt, der dannes i luftspillet mellem statoren og rotoren. Statoren kan være enten en roterende del (rotor) eller en stationær del (stator).
Begrebet armatur blev introduceret i 1800-tallet som et teknisk begreb, der betyder "bevarer af en magnet".
Hvordan fungerer en armatur i en elektrisk motor?
En elektrisk motor konverterer elektrisk energi til mekanisk energi ved hjælp af princippet om elektromagnetisk induktion. Når en strømførende ledning placeres i et magnetfelt, oplever den en kraft ifølge Flemings venstre-håndsregel.
I en elektrisk motor producerer statoren et roterende magnetfelt ved hjælp af permanente magneter eller elektromagneter. Armaturen, som normalt er rotoren, bærer armaturvindingen, der er forbundet til kommutatoren og pensler. Kommutatoren skifter retningen af strømmen i armaturvindingen, mens den roterer, så den altid er i overensstemmelse med magnetfeltet.
Interaktionen mellem magnetfeltet og armaturvindingen genererer en drejningsmoment, der får armaturen til at rotere. Skakten, der er fastgjort til armaturen, overfører den mekaniske effekt til andre enheder.
Hvordan fungerer en armatur i en elektrisk generator?
En elektrisk generator konverterer mekanisk energi til elektrisk energi ved hjælp af princippet om elektromagnetisk induktion. Når en ledning bevæger sig i et magnetfelt, inducerer den en elektromotiv kraft (EMK) ifølge Faradays lov.
I en elektrisk generator er armaturen normalt rotoren, der drevet af en primær drev, f.eks. en dieselmotor eller en turbine. Armaturen bærer armaturvindingen, der er forbundet til kommutatoren og pensler. Statoren producerer et stillestående magnetfelt ved hjælp af permanente magneter eller elektromagneter.
Den relative bevægelse mellem magnetfeltet og armaturvindingen inducerer en EMK i armaturvindingen, hvilket driver en elektrisk strøm gennem den eksterne kredsløb. Kommutatoren skifter retningen af strømmen i armaturvindingen, mens den roterer, såden producerer en alternativ strøm (AC).
Armaturdele & diagram
Armaturen består af fire hoveddele: kerne, vinding, kommutator og skakt. Et diagram af en armatur vises nedenfor.
Armaturtab
Armaturen i en elektrisk maskine udsættes for forskellige typer tab, der reducerer dens effektivitet og ydeevne. De hovedtyper af armaturtab er:
Kobber-tab: Dette er effekttabet, der skyldes modstanden i armaturvindingen. Det er proportionalt med kvadratet af armaturstrømmen og kan reduceres ved at bruge tykkere tråde eller parallelle veje. Kobber-tabet kan beregnes ved hjælp af formlen:
hvor Pc er kobber-tab, Ia er armaturstrømmen, og Ra er armaturmodstanden.
Omgangsstrømstab: Dette er effekttabet, der skyldes de inducerede strømme i armaturkernen. Disse strømme er forårsaget af det ændrede magnetiske flux og producerer varme og magnetiske tab. Omgangsstrømstab kan reduceres ved at bruge laminerede kermaterialer eller øge luftspillet. Omgangsstrømstab kan beregnes ved hjælp af formlen:
hvor Pe er omgangsstrømstab, ke er en konstant, der afhænger af kermaterialet og formen, Bm er maksimal fluxtæthed, f er frekvensen af fluxomvendelse, t er tykkelsen af hver lamelle, og V er volumenet af kernen.
Hysteresis-tab: Dette er effekttabet, der skyldes den gentagne magnetisering og demagnetisering af armaturkernen. Denne proces forårsager friktion og varme i den molekylære struktur af kermaterialet. Hysteresis-tab kan reduceres ved at bruge bløde magnetiske materialer med lav coercitivitet og høj permeabilitet. Hysteresis-tab kan beregnes ved hjælp af formlen:
hvor Ph er hysteresis-tab, kh er en konstant, der afhænger af kermaterialet, Bm er maksimal fluxtæthed, f er frekvensen af fluxomvendelse, og V er volumenet af kernen.
Det totale armaturtab kan opnås ved at lægge disse tre tab sammen:
Armatureffektiviteten kan defineres som forholdet mellem udgangseffekten og indgangseffekten af armaturen:
hvor ηa er armatureffektiviteten, Po er udgangseffekten, og Pi er indgangseffekten af armaturen.
Armaturdesign
Designet af armaturen påvirker ydeevnen og effektiviteten af den elektriske maskine. Nogle af faktorerne, der påvirker armaturdesignet, er:
Antallet af slotte: Slotte anvendes til at tilpasse armaturvindingen og give mekanisk støtte. Antallet af slotte afhænger af typen vinding, antallet af poler og størrelsen på maskinen. Generelt resulterer flere slotte i bedre fordeling af flux og strøm, lavere reaktance og tab, samt jævnere drejningsmoment. Dog øger flere slotte også vægten og kostprisen af armaturen, reducerer pladsen til isolation og køling, og øger leckage-flux og armaturreaktion.
Formen af slotte: Slotte kan være åbne eller lukkede, afhængigt af, om de er udsat for luftspillet eller ej. Åbne slotte er lettere at vind og køle, men de øger reluctansen og leckage-flux i luftspillet. Lukkede slotte er sværere at vind og køle, men de reducerer reluctansen og leckage-flux i luftspillet.
Typen vinding: Vindingen kan være lap-wound eller wave-wound, afhængigt af, hvordan spolerne er forbundet til kommutatorens segmenter. Lap-winding er egnet til høj-strøm og lav-spændingsmaskiner, da den giver flere parallelle veje for strømflod. Wave-winding er egnet til lav strøm og høj spænding maskiner, da den giver en serieforbindelse af spoler og adderer spændinger.
Størrelsen af ledningen: Ledningen bruges til at føre strømmen i armaturvindingen. Størrelsen af ledningen afhænger af strømtætheden, som er forholdet mellem strøm og tværsnitsareal. Højere strømtæthed resulterer i højere kobber-tab og temperaturstigning, men lavere ledningspris og vægt. Lavere strømtæthed resulterer i lavere kobber-tab og temperaturstigning, men højere ledningspris og vægt.
Længden af luftspillet: Luftspillet er afstanden mellem statorens og rotorers poler. Længden af luftspillet påvirker fluxtætheden, reluctansen, leckage-flux og armaturreaktion i maskinen. Mindre luftspil resulterer i højere fluxtæthed, lavere reluctans, lavere leckage-flux og højere armaturreaktion. Større luftspil resulterer i lavere fluxtæthed, højere reluctans, højere leckage-flux og lavere armaturreaktion.
Armaturdesign (fortsat)
Nogle af metoderne, der anvendes til at designe armaturen, er:
