آرماتور: تعریف، عملکرد و قطعات (موتور الکتریکی و ژنراتور)

چه چیزی آرماتور است؟

آرماتور بخشی از دستگاه الکتریکی (به عنوان مثال، موتور یا ژنراتور) است که جریان متناوب (AC) را منتقل می‌کند. آرماتور حتی در دستگاه‌های DC (جریان مستقیم) نیز با استفاده از کمونوتاتور (که به طور دوره‌ای جهت جریان را عوض می‌کند) یا به دلیل کمونوتاسیون الکترونیکی (به عنوان مثال، در موتور DC بدون فرش) جریان AC را ایجاد می‌کند.

آرماتور محل و پشتیبانی برای پیچش آرماتور را فراهم می‌کند که با میدان مغناطیسی تشکیل شده در فاصله هوا بین استاتور و روتور تعامل می‌کند. استاتور می‌تواند بخشی چرخان (روتور) یا بخشی ثابت (استاتور) باشد.

اصطلاح آرماتور در قرن ۱۹ معرفی شد به عنوان یک اصطلاح تکنیکی که به معنای "نگهدارنده مغناطیس" است.

آرماتور در موتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. وقتی یک رساننده حامل جریان در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، طبق قانون دست چپ فلمینگ نیرویی را تجربه می‌کند.

در یک موتور الکتریکی، استاتور با استفاده از مغناطیس‌های دائمی یا الکترومغناطیس‌ها میدان مغناطیسی چرخان را تولید می‌کند. آرماتور که معمولاً روتور است، پیچش آرماتور را که به کمونوتاتور و فرش متصل است حمل می‌کند. کمونوتاتور جهت جریان را در پیچش آرماتور در حالی که چرخاندن می‌کند تغییر می‌دهد تا همیشه با میدان مغناطیسی هم‌خط شود.

تعامل بین میدان مغناطیسی و پیچش آرماتور گشتاوری را تولید می‌کند که باعث چرخاندن آرماتور می‌شود. محور متصل به آرماتور انرژی مکانیکی را به دستگاه‌های دیگر منتقل می‌کند.

آرماتور در ژنراتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

ژنراتور الکتریکی با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. وقتی یک رساننده در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، طبق قانون فارادی یک نیروی الکترومغناطیسی (EMF) القا می‌کند.

در یک ژنراتور الکتریکی، آرماتور معمولاً روتور است که توسط یک محرک اصلی مانند موتور دیزل یا توربین چرخانده می‌شود. آرماتور پیچش آرماتور را که به کمونوتاتور و فرش متصل است حمل می‌کند. استاتور با استفاده از مغناطیس‌های دائمی یا الکترومغناطیس‌ها میدان مغناطیسی ثابت را تولید می‌کند.

حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی و پیچش آرماتور EMF را در پیچش آرماتور القا می‌کند که جریان الکتریکی را از طریق مدار خارجی می‌راند. کمونوتاتور جهت جریان را در پیچش آرماتور در حالی که چرخاندن می‌کند تغییر می‌دهد تا جریان متناوب (AC) تولید کند.

اجزاء آرماتور و نمودار آن

آرماتور شامل چهار بخش اصلی است: هسته، پیچش، کمونوتاتور و محور. نمودار آرماتور در زیر نشان داده شده است.

تلفات آرماتور

آرماتور یک دستگاه الکتریکی با انواع مختلفی از تلفات مواجه است که کارایی و عملکرد آن را کاهش می‌دهند. انواع اصلی تلفات آرماتور عبارتند از:

• تلفات مس: این تلفات ناشی از مقاومت پیچش آرماتور است. این تلفات متناسب با مجذور جریان آرماتور است و می‌توان با استفاده از سیم‌های ضخیم‌تر یا مسیرهای موازی آن را کاهش داد. تلفات مس می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:

که Pc تلفات مس، Ia جریان آرماتور و Ra مقاومت آرماتور است.

• تلفات جریان ادی: این تلفات ناشی از جریان‌های القایی در هسته آرماتور است. این جریان‌ها توسط تغییر میدان مغناطیسی القا می‌شوند و گرمایی و تلفات مغناطیسی ایجاد می‌کنند. تلفات جریان ادی می‌تواند با استفاده از مواد هسته لامینه‌ای یا افزایش فاصله هوا کاهش یابد. تلفات جریان ادی می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:

که Pe تلفات جریان ادی، ke یک ثابت که بستگی به ماده و شکل هسته دارد، Bm چگالی مغناطیسی حداکثر، f فرکانس معکوس شدن میدان مغناطیسی، t ضخامت هر لامینه و V حجم هسته است.

• تلفات هیستریسیس: این تلفات ناشی از تغییر مکرر مغناطیسی و دیمگناطیسی هسته آرماتور است. این فرآیند سر و صدایی و گرما در ساختار مولکولی ماده هسته ایجاد می‌کند. تلفات هیستریسیس می‌تواند با استفاده از مواد مغناطیسی نرم با کواتیویته کم و پرونیابی بالا کاهش یابد. تلفات هیستریسیس می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:

که Ph تلفات هیستریسیس، kh یک ثابت که بستگی به ماده هسته دارد، Bm چگالی مغناطیسی حداکثر، f فرکانس معکوس شدن میدان مغناطیسی و V حجم هسته است.

تلفات کل آرماتور می‌تواند با جمع این سه تلفات به دست آید:

کارایی آرماتور می‌تواند به عنوان نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی آرماتور تعریف شود:

که ηa کارایی آرماتور، Po انرژی خروجی و Pi انرژی ورودی آرماتور است.

طراحی آرماتور

طراحی آرماتور بر عملکرد و کارایی دستگاه الکتریکی تأثیر می‌گذارد. برخی از عواملی که بر طراحی آرماتور تأثیر می‌گذارند عبارتند از:

• تعداد دندانه‌ها: دندانه‌ها برای جای دادن پیچش آرماتور و ارائه پشتیبانی مکانیکی استفاده می‌شوند. تعداد دندانه‌ها بستگی به نوع پیچش، تعداد قطب‌ها و اندازه دستگاه دارد. به طور کلی، دندانه‌های بیشتر منجر به توزیع بهتر فلوکس و جریان، واکنش کمتر و تلفات کمتر و گشتاور صاف‌تر می‌شود. با این حال، دندانه‌های بیشتر وزن و هزینه آرماتور را افزایش می‌دهند، فضای عایق‌بندی و خنک‌سازی را کاهش می‌دهند و فلوکس و واکنش آرماتور را افزایش می‌دهند.

• شکل دندانه‌ها: دندانه‌ها می‌توانند باز یا بسته باشند، بسته به اینکه آیا به فاصله هوا معرض هستند یا خیر. دندانه‌های باز ساده‌تر برای پیچش و خنک‌سازی هستند، اما میل و فلوکس نشتی در فاصله هوا را افزایش می‌دهند. دندانه‌های بسته سخت‌تر برای پیچش و خنک‌سازی هستند، اما میل و فلوکس نشتی در فاصله هوا را کاهش می‌دهند.

• نوع پیچش: پیچش می‌تواند پیچش لپ یا پیچش موج باشد، بسته به نحوه اتصال کویل‌ها به بخش‌های کمونوتاتور. پیچش لپ برای دستگاه‌های با جریان بالا و ولتاژ پایین مناسب است، زیرا مسیرهای موازی بیشتری برای جریان فراهم می‌کند. پیچش موج برای دستگاه‌های با جریان پایین و ولتاژ بالا مناسب است، زیرا کویل‌ها را به صورت سری اتصال می‌دهد و ولتاژ‌ها را جمع می‌کند.

• اندازه رساننده: رساننده برای حمل جریان در پیچش آرماتور استفاده می‌شود. اندازه رساننده بستگی به چگالی جریان دارد، که نسبت جریان به مساحت مقطعی است. چگالی ج