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

آرماتور چیست؟

آرماتور بخشی از دستگاه الکتریکی (مانند موتور یا ژنراتور) است که جریان متناوب (AC) را حمل می‌کند. آرماتور حتی در دستگاه‌های DC (جریان مستقیم) نیز با استفاده از کموناتور (که به طور دوره‌ای جهت جریان را معکوس می‌کند) یا به دلیل کموناتور الکترونیکی (مانند موتور DC بدونブラシ)も交流（AC）を伝導します。

آرماتور محل و پشتیبانی برای پیچش آرماتور فراهم می‌کند، که با میدان مغناطیسی شکل‌گرفته در فاصله هوایی بین استاتور و روتور تعامل می‌کند. استاتور می‌تواند یا بخش چرخان (روتور) یا بخش ثابت (استاتور) باشد.

اصطلاح آرماتور در قرن ۱۹ به عنوان یک اصطلاح فنی به معنای "نگهدارنده مغناطیس" معرفی شد.

آرماتور در یک موتور الکتریکی چگونه عمل می‌کند؟

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

در یک موتور الکتریکی، استاتور با استفاده از مغناطیس‌های دائمی یا الکترومغناطیس‌ها یک میدان مغناطیسی چرخان تولید می‌کند. آرماتور، که معمولاً روتور است، پیچش آرماتور را که به کموناتور و برس‌ها متصل است حمل می‌کند. کموناتور جهت جریان را در پیچش آرماتور در حال چرخش تغییر می‌دهد تا همیشه با میدان مغناطیسی هم‌خط باشد.

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

آرماتور در یک ژنراتور الکتریکی چگونه عمل می‌کند؟

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

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

حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی و پیچش آرماتور یک EMF در پیچش آرماتور القاء می‌کند که یک جریان الکتریکی را از طریق مدار خارجی می‌راند. کموناتور جهت جریان را در پیچش آرماتور در حال چرخش تغییر می‌دهد تاجریان متناوب (AC) تولید کند.

اجزاء آرماتور و نمودار

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

تلفات آرماتور

آرماتور یک دستگاه الکتریکی به 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 کاهش داد. تلفات مس می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:

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

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

که در آن Pe تلفات گردابه، ke یک ثابت وابسته به ماده و شکل هسته، Bm چگالی مغناطیسی ماکزیمم، f فرکانس معکوس شدن میدان مغناطیسی، t ضخامت هر لایه و V حجم هسته است.

• تلفات هیسترزیس: این تلفات ناشی از مغناطیس‌سازی و دی‌مغناطیس‌سازی مکرر هسته آرماتور است. این فرآیند در ساختار مولکولی ماده هسته اصطکاک و گرما ایجاد می‌کند. تلفات هیسترزیس می‌تواند با استفاده از مواد مغناطیسی نرم با کوانتیتی کوچک و نفوذپذیری بالا کاهش یابد. تلفات هیسترزیس می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود:

که در آن Ph تلفات هیسترزیس، kh یک ثابت وابسته به ماده هسته، Bm چگالی مغناطیسی ماکزیمم، 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 صورت نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی آرماتور تعریف شود:

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

طراحی آرماتور

طراحی آرماتور عملکرد و کارایی دستگاه الکتریکی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. برخی از عواملی که بر طراحی آرماتور تأثیر می‌گذارند عبارتند از:

• تعداد شیارها: شیارها برای جای دادن پیچش آرماتور و ارائه پشتیبانی مکانیکی استفاده می‌شوند. تعداد شیارها به نوع پیچش، تعداد قطب‌ها و اندازه دستگاه بستگی دارد. عموماً، تعداد شیارهای بیشتر منجر به توزیع بهتر جریان و میدان مغناطیسی، واکنش‌های مغناطیسی و تلفات کمتر و گشتاور هموارتر می‌شود. با این حال، تعداد شیارهای بیشتر وزن و هزینه آرماتور را افزایش می‌دهد، فضای عایق‌بندی و خنک‌سازی را کاهش می‌دهد و جریان‌های نشتی و واکنش آرماتور را افزایش می‌دهد.

• شکل شیارها: شیارها می‌توانند باز یا بسته باشند، بسته به اینکه آیا به فاصله هوایی مواجه هستند یا نه. شیارهای باز رساندن پیچش و خنک‌سازی آن را آسان‌تر می‌کند، اما مقاومت و جریان‌های نشتی در فاصله هوایی را افزایش می‌دهد. شیارهای بسته رساندن پیچش و خنک‌سازی آن را سخت‌تر می‌کند، اما مقاومت و جریان‌های نشتی در فاصله هوایی را کاهش می‌دهد.

• نوع پیچش: پیچش می‌تواند پیچش لاپ یا پیچش موج باشد، بسته به اینکه کوات‌ها چگونه به بخش‌های کموناتور متصل می‌شوند. پیچش لاپ برای دستگاه‌های با جریان بالا و ولتاژ پایین مناسب است، زیرا مسیرهای موازی بیشتری برای جریان فراهم می‌کند. پیچش موج برای دستگاه‌های با ج