Armature : Définition, fonction et parties (Moteur électrique et Générateur)
Qu'est-ce qu'un armature?
Un armature est le composant d'une machine électrique (c'est-à-dire un moteur ou un générateur) qui transporte du courant alternatif (CA). L'armature conduit du CA même dans les machines à courant continu (CC) via le collecteur (qui inverse périodiquement la direction du courant) ou en raison de la commutation électronique (par exemple, dans un moteur à courant continu sans balais).
L'armature fournit un logement et un support au bobinage de l'armature, qui interagit avec le champ magnétique formé dans l'entrefer entre le stator et le rotor. Le stator peut être soit une partie rotative (rotor), soit une partie fixe (stator).
Le terme "armature" a été introduit au 19ème siècle comme un terme technique signifiant "gardien d'un aimant".
Comment fonctionne un armature dans un moteur électrique?
Un moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique en utilisant le principe de l'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur porteur de courant est placé dans un champ magnétique, il subit une force selon la règle de la main gauche de Fleming.
Dans un moteur électrique, le stator produit un champ magnétique tournant en utilisant des aimants permanents ou des électroaimants. L'armature, qui est généralement le rotor, porte le bobinage de l'armature qui est connecté au collecteur et aux balais. Le collecteur inverse la direction du courant dans le bobinage de l'armature alors qu'il tourne pour qu'il s'aligne toujours avec le champ magnétique.
L'interaction entre le champ magnétique et le bobinage de l'armature génère un couple qui fait tourner l'armature. L'arbre attaché à l'armature transfère la puissance mécanique à d'autres dispositifs.
Comment fonctionne un armature dans un générateur électrique?
Un générateur électrique convertit l'énergie mécanique en énergie électrique en utilisant le principe de l'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, il induit une force électromotrice (FEM) selon la loi de Faraday.
Dans un générateur électrique, l'armature est généralement le rotor qui est entraîné par un moteur principal, tel qu'un moteur diesel ou une turbine. L'armature porte le bobinage de l'armature qui est connecté au collecteur et aux balais. Le stator produit un champ magnétique stationnaire en utilisant des aimants permanents ou des électroaimants.
Le mouvement relatif entre le champ magnétique et le bobinage de l'armature induit une FEM dans le bobinage de l'armature, ce qui entraîne un courant électrique à travers le circuit externe. Le collecteur inverse la direction du courant dans le bobinage de l'armature alors qu'il tourne afin de produire un courant alternatif (CA).
Parties de l'armature et diagramme
L'armature est composé de quatre parties principales : le noyau, le bobinage, le collecteur et l'arbre. Un diagramme d'un armature est montré ci-dessous.
Pertes de l'armature
L'armature d'une machine électrique est soumis à divers types de pertes qui réduisent son efficacité et ses performances. Les principaux types de pertes de l'armature sont :
Perte cuivre : C'est la perte de puissance due à la résistance du bobinage de l'armature. Elle est proportionnelle au carré du courant de l'armature et peut être réduite en utilisant des fils plus épais ou des chemins parallèles. La perte cuivre peut être calculée en utilisant la formule :
où Pc est la perte cuivre, Ia est le courant de l'armature, et Ra est la résistance de l'armature.
Perte par courants de Foucault : C'est la perte de puissance due aux courants induits dans le noyau de l'armature. Ces courants sont causés par le flux magnétique variable et produisent de la chaleur et des pertes magnétiques. La perte par courants de Foucault peut être réduite en utilisant des matériaux de noyau laminés ou en augmentant l'entrefer. La perte par courants de Foucault peut être calculée en utilisant la formule :
où Pe est la perte par courants de Foucault, ke est une constante dépendant du matériau et de la forme du noyau, Bm est la densité de flux maximale, f est la fréquence de renversement du flux, t est l'épaisseur de chaque lamelle, et V est le volume du noyau.
Perte par hystérésis : C'est la perte de puissance due à la magnétisation et à la démagnétisation répétées du noyau de l'armature. Ce processus cause de la friction et de la chaleur dans la structure moléculaire du matériau du noyau. La perte par hystérésis peut être réduite en utilisant des matériaux magnétiques doux avec une coercivité faible et une perméabilité élevée. La perte par hystérésis peut être calculée en utilisant la formule :
où Ph est la perte par hystérésis, kh est une constante dépendant du matériau du noyau, Bm est la densité de flux maximale, f est la fréquence de renversement du flux, et V est le volume du noyau.
La perte totale de l'armature peut être obtenue en additionnant ces trois pertes :
L'efficacité de l'armature peut être définie comme le rapport de la puissance de sortie à la puissance d'entrée de l'armature :
où ηa est l'efficacité de l'armature, Po est la puissance de sortie, et Pi est la puissance d'entrée de l'armature.
Conception de l'armature
La conception de l'armature affecte les performances et l'efficacité de la machine électrique. Certains des facteurs qui influencent la conception de l'armature sont :
Le nombre de fentes : Les fentes sont utilisées pour accueillir le bobinage de l'armature et fournir un support mécanique. Le nombre de fentes dépend du type de bobinage, du nombre de pôles et de la taille de la machine. Généralement, plus de fentes entraînent une meilleure distribution du flux et du courant, une réactance et des pertes plus faibles, et un couple plus lisse. Cependant, plus de fentes augmentent également le poids et le coût de l'armature, réduisent l'espace pour l'isolation et le refroidissement, et augmentent le flux de fuite et la réaction de l'armature.
La forme des fentes : Les fentes peuvent être ouvertes ou fermées, selon qu'elles sont exposées à l'entrefer ou non. Les fentes ouvertes sont plus faciles à bobiner et à refroidir, mais elles augmentent la réluctance et le flux de fuite dans l'entrefer. Les fentes fermées sont plus difficiles à bobiner et à refroidir, mais elles réduisent la réluctance et le flux de fuite dans l'entrefer.
Le type de bobinage : Le bobinage peut être enroulé en lap ou en onde, selon la façon dont les spires sont connectées aux segments du collecteur. L'enroulement en lap est adapté aux machines à haut courant et basse tension, car il fournit plusieurs chemins parallèles pour le flux de courant. L'enroulement en onde est adapté aux machines à faible courant et haute tension, car il fournit une connexion en série des spires et ajoute les tensions.
La taille du conducteur : Le conducteur est utilisé pour transporter le courant dans le bobinage de l'armature. La taille du conducteur dépend de la densité de courant, qui est le rapport du courant à la section transversale. Une densité de courant plus élevée entraîne une perte cuivre plus élevée et une augmentation de la température, mais un coût et un poids de conducteur plus faibles. Une densité de courant plus faible entraîne une perte cuivre et une augmentation de la température plus faibles, mais un coût et un poids de conducteur plus élevés.
La longueur de l'entrefer : L'entrefer est la distance entre les pôles du stator et du rotor. La longueur de l'entrefer affecte la densité de flux, la réluctance, le flux de fuite et la réaction de l'armature dans la machine. Un entrefer plus petit entraîne une densité de flux plus élevée, une réluctance plus faible, un flux de fuite plus faible et une réaction de l'armature plus forte. Un entrefer plus grand entraîne une densité de flux plus faible, une réluctance plus élevée, un flux de fuite plus élevé et une réaction de l'armature plus faible.
Conception de l'armature (suite)
Certaines des méthodes utilisées pour concevoir l'armature sont :
Équation de la FEM : Cette équation relie la FEM induite dans l'armature au flux, à la vitesse et au nombre de spires du bobinage. Elle peut être utilisée pour déterminer les dimensions et les paramètres nécessaires de l'armature pour une tension et une puissance de sortie données.
où Ea est la FEM induite en volts, ϕ est le flux par pôle en webers, Z est le nombre total de conducteurs en série, N est la vitesse de rotation en tr/min, P est le nombre de pôles, et A est le nombre de chemins parallèles.
