Armatur: Definition Funktion und Teile (Elektromotor & Generator)

Was ist eine Armatur?

Eine Armatur ist der Bestandteil einer elektrischen Maschine (z.B. eines Motors oder Generators), der Wechselstrom (AC) führt. Die Armatur leitet auch in Gleichstrommaschinen (DC) über den Umformer (der den Strom periodisch umkehrt) oder durch elektronische Kommutation (z.B. in einem bürstenlosen DC-Motor) AC.

Die Armatur bietet Hülle und Stütze für die Armaturwicklung, die mit dem Magnetfeld im Luftspalt zwischen Stator und Rotor interagiert. Der Stator kann entweder ein rotierender Teil (Rotor) oder ein starrer Teil (Stator) sein.

Der Begriff Armatur wurde im 19. Jahrhundert als technischer Begriff eingeführt, der „Halter eines Magneten“ bedeutet.

Wie funktioniert eine Armatur in einem Elektromotor?

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, indem er das Prinzip der elektromagnetischen Induktion verwendet. Wenn ein stromführender Leiter in ein Magnetfeld platziert wird, erfährt er eine Kraft gemäß der linken Handregel von Fleming.

In einem Elektromotor erzeugt der Stator durch die Verwendung von Dauermagneten oder Elektromagneten ein rotierendes Magnetfeld. Die Armatur, die in der Regel der Rotor ist, trägt die Armaturwicklung, die mit dem Umformer und den Bürsten verbunden ist. Der Umformer schaltet die Richtung des Stroms in der Armaturwicklung während der Rotation so um, dass sie immer mit dem Magnetfeld ausgerichtet ist.

Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und der Armaturwicklung erzeugt ein Drehmoment, das die Armatur zum Rotieren bringt. Die an der Armatur befestigte Welle überträgt die mechanische Leistung an andere Geräte.

Wie funktioniert eine Armatur in einem Elektrogenerator?

Ein Elektrogenerator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um, indem er das Prinzip der elektromagnetischen Induktion verwendet. Wenn ein Leiter sich in einem Magnetfeld bewegt, induziert er eine elektromotorische Kraft (EMF) gemäß dem Faradayschen Gesetz.

In einem Elektrogenerator ist die Armatur in der Regel der Rotor, der von einem Antriebsmotor wie einem Dieselmotor oder einer Turbine angetrieben wird. Die Armatur trägt die Armaturwicklung, die mit dem Umformer und den Bürsten verbunden ist. Der Stator erzeugt ein stationäres Magnetfeld durch die Verwendung von Dauermagneten oder Elektromagneten.

Die relative Bewegung zwischen dem Magnetfeld und der Armaturwicklung induziert eine EMF in der Armaturwicklung, die einen elektrischen Strom durch den externen Schaltkreis treibt. Der Umformer schaltet die Richtung des Stroms in der Armaturwicklung während der Rotation so um, dass er einen Wechselstrom (AC) erzeugt.

Teile der Armatur & Diagramm

Die Armatur besteht aus vier Hauptteilen: Kern, Wicklung, Umformer und Welle. Ein Diagramm der Armatur ist unten dargestellt.

Verluste der Armatur

Die Armatur einer elektrischen Maschine unterliegt verschiedenen Arten von Verlusten, die ihre Effizienz und Leistung reduzieren. Die wichtigsten Arten von Armaturverlusten sind:

• Kupferverlust: Dies ist der Leistungsverlust aufgrund des Widerstands der Armaturwicklung. Er ist proportional zum Quadrat des Armaturstroms und kann durch die Verwendung von dickeren Drähten oder parallelen Pfaden reduziert werden. Der Kupferverlust kann mit der Formel berechnet werden:

wo Pc der Kupferverlust, Ia der Armaturstrom und Ra der Armaturwiderstand ist.

• Wirbelstromverlust: Dies ist der Leistungsverlust aufgrund der induzierten Ströme im Kern der Armatur. Diese Ströme werden durch das wechselnde magnetische Flussfeld verursacht und produzieren Wärme und magnetische Verluste. Der Wirbelstromverlust kann durch die Verwendung von laminierten Kernmaterialien oder durch die Vergrößerung des Luftspalts reduziert werden. Der Wirbelstromverlust kann mit der Formel berechnet werden:

wo Pe der Wirbelstromverlust, ke eine Konstante, die vom Kernmaterial und -form abhängt, Bm die maximale Flussdichte, f die Frequenz der Flussumkehr, t die Dicke jeder Lamelle und V das Volumen des Kerns ist.

• Hystereseverlust: Dies ist der Leistungsverlust aufgrund der wiederholten Magnetisierung und Demagnetisierung des Kerns der Armatur. Dieser Prozess verursacht Reibung und Wärme in der molekularen Struktur des Kernmaterials. Der Hystereseverlust kann durch die Verwendung von weichen magnetischen Materialien mit geringer Coercitivität und hoher Permeabilität reduziert werden. Der Hystereseverlust kann mit der Formel berechnet werden:

wo Ph der Hystereseverlust, kh eine Konstante, die vom Kernmaterial abhängt, Bm die maximale Flussdichte, f die Frequenz der Flussumkehr und V das Volumen des Kerns ist.

Der gesamte Armaturverlust ergibt sich durch die Addition dieser drei Verluste:

Die Armatureffizienz kann definiert werden als das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung der Armatur:

wo ηa die Armatureffizienz, Po die Ausgangsleistung und Pi die Eingangsleistung der Armatur ist.

Armaturdesign

Das Design der Armatur beeinflusst die Leistung und Effizienz der elektrischen Maschine. Einige Faktoren, die das Armaturdesign beeinflussen, sind:

• Die Anzahl der Nuten: Die Nuten dienen dazu, die Armaturwicklung aufzunehmen und mechanischen Halt zu bieten. Die Anzahl der Nuten hängt von der Art der Wicklung, der Anzahl der Pole und der Größe der Maschine ab. Im Allgemeinen führen mehr Nuten zu einer besseren Verteilung des Flusses und des Stroms, geringerer Reaktivität und Verlusten sowie glatterem Drehmoment. Allerdings erhöhen mehr Nuten auch das Gewicht und die Kosten der Armatur, verringern den Platz für Isolierung und Kühlung und erhöhen den Leckfluss und die Armaturreaktion.

• Die Form der Nuten: Die Nuten können offen oder geschlossen sein, je nachdem, ob sie dem Luftspalt ausgesetzt sind oder nicht. Offene Nuten sind einfacher zu winden und zu kühlen, erhöhen jedoch die Reluktanz und den Leckfluss im Luftspalt. Geschlossene Nuten sind schwieriger zu winden und zu kühlen, verringern jedoch die Reluktanz und den Leckfluss im Luftspalt.

• Die Art der Wicklung: Die Wicklung kann eine Lap-Wicklung oder Wellenwicklung sein, je nachdem, wie die Spulen mit den Umformersegmenten verbunden sind. Lap-Wicklungen eignen sich für Hochstrom- und Niederspannungsmaschinen, da sie mehrere parallele Pfade für den Stromfluss bieten. Wellenwicklungen eignen sich für Niedrigstrom- und Hochspannungsmaschinen, da sie eine Serienschaltung der Spulen und die Summierung der Spannungen ermöglichen.

• Die Größe des Leiters: Der Leiter dient dazu, den Strom in der Armaturwicklung zu führen. Die Größe des Leiters hängt von der Stromdichte ab, die das Verhältnis des Stroms zur Querschnittsfläche ist. Eine höhere Stromdichte führt zu höheren Kupferverlusten und Temperaturanstiegen, aber zu niedrigeren Leiterkosten und -gewichten. Eine geringere Stromdichte führt zu geringeren Kupferverlusten und Temperaturanstiegen, aber zu höheren Leiterkosten und -gewichten.

• Die Länge des Luftspalts: Der Luftspalt ist der Abstand zwischen den Stator- und Rotorpolen. Die Länge des Luftspalts beeinflusst die Flussdichte, die Reluktanz, den Leckfluss und die Armaturreaktion in der Maschine. Ein kleinerer Luftspalt führt zu einer höheren Flussdichte, geringerer Reluktanz, geringerem Leckfluss und höherer Armaturreaktion. Ein größerer Luftspalt führt zu einer geringeren Flussdichte, höherer Reluktanz, höherem Leckfluss und geringerer Armaturreaktion.

Armaturdesign (Fortsetzung)

Einige Methoden, die zur Gestaltung der Armatur verwendet werden, sind:

• EMF-Gleichung: Diese Gleichung stellt die induzierte EMF in der Armatur in Beziehung zum Fluss, der Geschwindigkeit und der Anzahl der Wicklungen. Sie kann verwendet werden, um die erforderlichen Maße und Parameter der Armatur für eine bestimmte Ausgangsspannung und -leistung zu bestimmen.

wo Ea die induzierte EMF in Volt, ϕ der Fluss pro Pol in Weber, Z die Gesamtzahl der in Serie geschalteten Leiter, N die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute, P die Anzahl der Pole und A die Anzahl der parallelen Pfade ist.

• MMF-Gleichung: Diese Gleichung stellt die magnetomotorische Kraft (MMF), die durch die Armatur