Virta: Määritelmä toiminta ja osat (Sähkömoottori & Generaattori)

Mikä on armatuuri?

Armatuuri on sähkökoneen (esimerkiksi moottorin tai generaattorin) komponentti, joka kuljettaa vaihtovirtaa (AC). Armatuuri johtaa vaihtovirtaa myös DC (suora virta) -laitteissa kääntölevyn (joka kääntää säännöllisesti virran suuntaa) tai elektronisen kääntämisen (esimerkiksi siirtoimellisessa DC-moottorissa) kautta.

Armatuuri tarjoaa asennon ja tukikehyksen armatuurivaipalle, joka vuorovaikutaa magneettikentän kanssa statorin ja rotorin välissä olevassa ilmavälissä. Stator voi olla joko pyörimällä osa (rotori) tai paikallaan oleva osa (stator).

Termi armatuuri otettiin käyttöön 1800-luvulla tekniseksi termiksi, joka tarkoittaa "magneetin säilöntävälinettä".

Miten armatuuri toimii sähkömoottorissa?

Sähkömoottori muuttaa sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi käyttäen elektromagneettisen induktion periaatetta. Kun virransaava johtaja sijoitetaan magneettikenttään, se kokoo voiman Flemings vasemmankäden säännön mukaan.

Sähkömoottorissa stator tuottaa pyörimällä magneettikentän käyttäen pysyviä magneetteja tai sähkömagneetteja. Armatuuri, joka on yleensä rotori, kuljettaa armatuurivaipan, joka on yhdistetty kääntölevylle ja sikaleille. Kääntölevy kääntää virran suunnan armatuurivaipassa sen pyöriessä, jotta se aina vastaa magneettikenttää.

Vuorovaikutus magneettikentän ja armatuurivaipan välillä tuottaa momentin, joka aiheuttaa armatuurin pyörimisen. Armatuuriin kiinnitetty akseli siirtää mekaanisen voiman muihin laitteisiin.

Miten armatuuri toimii sähkögeneraattorissa?

Sähkögeneraattori muuttaa mekaanista energiaa sähköenergiaksi käyttäen elektromagneettisen induktion periaatetta. Kun johtaja liikkuu magneettikentässä, se aiheuttaa sähkömotorin voiman (EMF) Faradayn lain mukaan.

Sähkögeneraattorissa armatuuri on yleensä rotori, jota ajaa pääkone, kuten dieselmoottori tai turbiini. Armatuuri kuljettaa armatuurivaipan, joka on yhdistetty kääntölevylle ja sikaleille. Stator tuottaa paikallaan olevan magneettikentän käyttäen pysyviä magneetteja tai sähkömagneetteja.

Suhteellinen liike magneettikentän ja armatuurivaipan välillä aiheuttaa EMF:n armatuurivaipassa, joka kuljettaa sähkövirtaa ulkoiseen piiriin. Kääntölevy kääntää virran suunnan armatuurivaipassa sen pyöriessä niin, että se tuottaa vaihtovirtaa (AC).

Armatuuriosat & kaavio

Armatuuri koostuu neljästä pääosasta: ytimestä, vaipasta, kääntölevystä ja akselista. Armatuurin kaavio näkyy alla.

Armatuurihäviöt

Sähkökoneen armatuuri on altis erilaisille häviöille, jotka vähentävät sen tehokkuutta ja suorituskykyä. Armatuurin pääasialliset häviöt ovat:

• Kuparihäviö: Tämä on tehohäviö armatuurivaipan vastusta takia. Se on verrannollinen armatuurivirran neliöön ja sitä voidaan vähentää käyttämällä paksompia juoksujouhoja tai rinnakkaisia polkuja. Kuparihäviö lasketaan käyttäen kaavaa:

missä Pc on kuparihäviö, Ia on armatuurivirta, ja Ra on armatuurin vastus.

• Kierronhäviö: Tämä on tehohäviö, joka johtuu induktoiduista virroista armatuurin ytimessä. Nämä virrat aiheutuvat muuttuvasta magneettifluxista ja ne tuottavat lämpöä ja magneettisia häviöitä. Kierronhäviötä voidaan vähentää käyttämällä laminoituja ytimemateriaaleja tai lisäämällä ilmaväliä. Kierronhäviö lasketaan käyttäen kaavaa:

missä Pe on kierronhäviö, ke on vakio, joka riippuu ytimen materiaalista ja muodosta, Bm on maksimifluxitiheyys, f on fluxin kääntymisen tahti, t on jokaisen laminoinnin paksuus, ja V on ytimen tilavuus.

• Hysteresishäviö: Tämä on tehohäviö, joka johtuu ytimen toistuvaan magnetisoitumiseen ja demagnetisoitumiseen. Tämä prosessi aiheuttaa kitkaa ja lämpöä ytimen materiaalin molekulaarisessa rakenteessa. Hysteresishäviötä voidaan vähentää käyttämällä pehmeitä magneettisia materiaaleja, joilla on pieni koersivisuus ja korkea permeabiliteetti. Hysteresishäviö lasketaan käyttäen kaavaa:

missä Ph on hysteresishäviö, kh on vakio, joka riippuu ytimen materiaalista, Bm on maksimifluxitiheyys, f on fluxin kääntymisen tahti, ja V on ytimen tilavuus.

Armatuurin yhteishäviö saadaan lisäämällä nämä kolme häviötä:

Armatuurin tehokkuuden voidaan määritellä armatuurin tulostevoiman ja syöttövoiman suhde:

missä ηa on armatuurin tehokkuus, Po on tulostevoima, ja Pi on syöttövoima armatuurissa.

Armatuurin suunnittelu

Armatuurin suunnittelu vaikuttaa sähkökoneen suorituskykyyn ja tehokkuuteen. Joitakin tekijöitä, jotka vaikuttavat armatuurin suunnitteluun, ovat:

• Paikkojen määrä: Paikot käytetään armatuurivaipan sijoittamiseen ja mekaaniseen tuelle. Paikkojen määrä riippuu vaipan tyypistä, navien määrästä ja koneen kokoisesta. Yleisesti ottaen enemmän paikkoja johtaa parempaan fluxin ja virran jakautumiseen, alhaisempaan reaktanssiin ja häviöihin, sekä sileämpään momenttiin. Mutta enemmän paikkoja myös lisää armatuurin painoa ja hintaa, vähentää eristyksen ja jähdytyksen tilaa, ja lisää vuoto-fluxin ja armatuurireaktion.

• Paikkojen muoto: Paikat voivat olla avoimia tai suljettuja, sen mukaan, onko ne alttiina ilmavälinä vai ei. Avoimet paikat ovat helpompia vaipata ja jädittyä, mutta ne lisäävät vastustetta ja vuoto-fluxia ilmavälissä. Suljetut paikat ovat vaikeampia vaipata ja jädittyä, mutta ne vähentävät vastustetta ja vuoto-fluxia ilmavälissä.

• Vaipan tyyppi: Vaipa voi olla lap-wound tai wave-wound, sen mukaan, miten kympit yhdistetään kääntölevyn segmentteihin. Lap-winding on sopivaa korkeavirtaisille ja alhaispannisille laitteille, sillä se tarjoaa useita rinnakkaisia polkuja virran kululle. Wave-winding on sopivaa matalavirtaisille ja korkeapannisille laitteille, sillä se tarjoaa kympien sarja-yhdistelmän ja lisää pannit.

• Johtajan koko: Johtaja käytetään virran kuljettamiseen armatuurivaipassa. Johtajan koko riippuu virantasitiheydestä, joka on virran ja poikkileikkausalan suhde. Korkeampi virantasitiheys johtaa korkeampaan kuparihäviöön ja lämpötilan nousuun, mutta alhaisempaan johtajan hintaan ja painoon. Matalampi virantasitiheys johtaa matalampaan kuparihäviöön ja lämpötilan nousuun, mutta korkeampaan johtajan hintaan ja painoon.

• Ilmavälin pituus: Ilmaväli on etäisyys statorin ja rotorin navien välillä. Ilmavälin pituus vaikuttaa fluxitiheyteen, vastustukseen, vuoto-fluxiin ja armatuurireaktioon koneessa. Pienempi ilmaväli johtaa korkeampaan fluxitiheyteen, alhaisempaan vastustukseen, alhaisempaan vuoto-fluxiin ja korkeampaan armatuurireaktioon. Suurempi ilmaväli johtaa matalampaan fluxitiheyteen, korkeampaan vastustukseen, korkeampaan vuoto-fluxiin ja matalampaan armatuurireaktioon.

Tuki