Armadura: Definición Función y Partes (Motor Eléctrico y Generador)
¿Qué es un armadura?
Una armadura es el componente de una máquina eléctrica (es decir, un motor o un generador) que lleva corriente alterna (CA). La armadura conduce CA incluso en máquinas de corriente directa (CD) a través del colector (que invierte periódicamente la dirección de la corriente) o debido a la conmutación electrónica (por ejemplo, en un motor de CD sin escobillas).
La armadura proporciona alojamiento y soporte al viento de armadura, que interactúa con el campo magnético formado en el espacio aéreo entre el estator y el rotor. El estator puede ser una parte rotativa (rotor) o una parte fija (estator).
El término armadura se introdujo en el siglo XIX como un término técnico que significa "guardián de un imán".
¿Cómo funciona una armadura en un motor eléctrico?
Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica utilizando el principio de inducción electromagnética. Cuando un conductor que lleva corriente se coloca en un campo magnético, experimenta una fuerza según la regla de la mano izquierda de Fleming.
En un motor eléctrico, el estator produce un campo magnético giratorio utilizando imanes permanentes o electroimanes. La armadura, que generalmente es el rotor, lleva el viento de armadura que está conectado al colector y a las escobillas. El colector cambia la dirección de la corriente en el viento de armadura a medida que gira para que siempre se alinee con el campo magnético.
La interacción entre el campo magnético y el viento de armadura genera un par que hace que la armadura gire. El eje unido a la armadura transfiere la potencia mecánica a otros dispositivos.
¿Cómo funciona una armadura en un generador eléctrico?
Un generador eléctrico convierte la energía mecánica en energía eléctrica utilizando el principio de inducción electromagnética. Cuando un conductor se mueve en un campo magnético, induce una fuerza electromotriz (FEM) según la ley de Faraday.
En un generador eléctrico, la armadura generalmente es el rotor que es impulsado por un motor primario, como un motor diésel o una turbina. La armadura lleva el viento de armadura que está conectado al colector y a las escobillas. El estator produce un campo magnético estacionario utilizando imanes permanentes o electroimanes.
El movimiento relativo entre el campo magnético y el viento de armadura induce una FEM en el viento de armadura, lo que impulsa una corriente eléctrica a través del circuito externo. El colector cambia la dirección de la corriente en el viento de armadura a medida que gira para que produzca una corriente alterna (CA).
Partes de la armadura y diagrama
La armadura consta de cuatro partes principales: núcleo, viento, colector y eje. A continuación se muestra un diagrama de una armadura.
Pérdidas de la armadura
La armadura de una máquina eléctrica está sometida a varios tipos de pérdidas que reducen su eficiencia y rendimiento. Los principales tipos de pérdidas de la armadura son:
Pérdida de cobre: Esta es la pérdida de potencia debido a la resistencia del viento de armadura. Es proporcional al cuadrado de la corriente de armadura y se puede reducir utilizando cables más gruesos o caminos paralelos. La pérdida de cobre se puede calcular utilizando la fórmula:
donde Pc es la pérdida de cobre, Ia es la corriente de armadura y Ra es la resistencia de la armadura.
Pérdida por corrientes de Foucault: Esta es la pérdida de potencia debido a las corrientes inducidas en el núcleo de la armadura. Estas corrientes son causadas por el flujo magnético cambiante y producen calor y pérdidas magnéticas. La pérdida por corrientes de Foucault se puede reducir utilizando materiales de núcleo laminados o aumentando la brecha de aire. La pérdida por corrientes de Foucault se puede calcular utilizando la fórmula:
donde Pe es la pérdida por corrientes de Foucault, ke es una constante que depende del material y la forma del núcleo, Bm es la densidad de flujo máxima, f es la frecuencia de inversión del flujo, t es el grosor de cada laminación y V es el volumen del núcleo.
Pérdida por histeresis: Esta es la pérdida de potencia debido a la magnetización y desmagnetización repetitivas del núcleo de la armadura. Este proceso causa fricción y calor en la estructura molecular del material del núcleo. La pérdida por histeresis se puede reducir utilizando materiales magnéticos blandos con baja coercitividad y alta permeabilidad. La pérdida por histeresis se puede calcular utilizando la fórmula:
donde Ph es la pérdida por histeresis, kh es una constante que depende del material del núcleo, Bm es la densidad de flujo máxima, f es la frecuencia de inversión del flujo y V es el volumen del núcleo.
La pérdida total de la armadura se puede obtener sumando estas tres pérdidas:
La eficiencia de la armadura se puede definir como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada de la armadura:
donde ηa es la eficiencia de la armadura, Po es la potencia de salida y Pi es la potencia de entrada de la armadura.
Diseño de la armadura
El diseño de la armadura afecta el rendimiento y la eficiencia de la máquina eléctrica. Algunos de los factores que influyen en el diseño de la armadura son:
El número de ranuras: Las ranuras se utilizan para alojar el viento de armadura y proporcionar soporte mecánico. El número de ranuras depende del tipo de viento, el número de polos y el tamaño de la máquina. En general, más ranuras resultan en una mejor distribución de flujo y corriente, menor reactancia y pérdidas, y un par más suave. Sin embargo, más ranuras también aumentan el peso y el costo de la armadura, reducen el espacio para aislamiento y enfriamiento, e incrementan el flujo de fuga y la reacción de la armadura.
La forma de las ranuras: Las ranuras pueden ser abiertas o cerradas, dependiendo de si están expuestas a la brecha de aire o no. Las ranuras abiertas son más fáciles de bobinar y enfriar, pero aumentan la reluctancia y el flujo de fuga en la brecha de aire. Las ranuras cerradas son más difíciles de bobinar y enfriar, pero reducen la reluctancia y el flujo de fuga en la brecha de aire.
El tipo de viento: El viento puede ser enrollado en lápiz o en onda, dependiendo de cómo se conectan las bobinas a los segmentos del colector. El viento en lápiz es adecuado para máquinas de alta corriente y baja tensión, ya que proporciona múltiples caminos paralelos para el flujo de corriente. El viento en onda es adecuado para máquinas de baja corriente y alta tensión, ya que proporciona una conexión en serie de bobinas y suma las tensiones.
El tamaño del conductor: El conductor se utiliza para llevar la corriente en el viento de armadura. El tamaño del conductor depende de la densidad de corriente, que es la relación de la corriente a la sección transversal. Una mayor densidad de corriente resulta en una mayor pérdida de cobre y aumento de temperatura, pero menor costo y peso del conductor. Una menor densidad de corriente resulta en una menor pérdida de cobre y aumento de temperatura, pero mayor costo y peso del conductor.
La longitud de la brecha de aire: La brecha de aire es la distancia entre los polos del estator y el rotor. La longitud de la brecha de aire afecta la densidad de flujo, la reluctancia, el flujo de fuga y la reacción de la armadura en la máquina. Una brecha de aire más pequeña resulta en una mayor densidad de flujo, menor reluctancia, menor flujo de fuga y mayor reacción de la armadura. Una brecha de aire más grande resulta en una menor densidad de flujo, mayor reluctancia, mayor flujo de fuga y menor reacción de la armadura.
Diseño de la armadura (continuación)
Algunos de los métodos utilizados para diseñar la armadura son:
Ecuación de FEM: Esta ecuación relaciona la FEM inducida en la armadura con el flujo, la velocidad y el número de vueltas del viento. Se puede utilizar para determinar las dimensiones y parámetros requeridos de la armadura para una tensión y potencia de salida dadas.
donde Ea es la FEM inducida en voltios, ϕ es el flujo por polo en webers, Z es el número total de conductores en serie, N es la velocidad de rotación en rpm, P es el número de polos y A es el número de caminos paralelos.
Ecuación de MMF: Esta ecuación relaciona la fuerza magnetomotriz (MMF) producida por el viento de armad
