Armadura: Definición Función e Partes (Motor Eléctrico e Xerador)

Que é un armadura?

A armadura é o componente dunha máquina eléctrica (por exemplo, un motor ou xerador) que conduce corrente alternativa (CA). A armadura conduce CA incluso en máquinas de corrente continua (CC) mediante o comutador (que invirte periodicamente a dirección da corrente) ou debido á comutación electrónica (por exemplo, nun motor de CC sen escovas).

A armadura proporciona aloxamento e soporte ao enrolamento da armadura, que interacciona co campo magnético formado na fenda entre o estator e o rotor. O estator pode ser unha parte rotatoria (rotor) ou unha parte estática (estator).

O termo armadura foi introducido no século XIX como un termo técnico que significa "guardián dun imán".

Como funciona unha armadura nun motor eléctrico?

Un motor eléctrico converte a enerxía eléctrica en enerxía mecánica usando o principio da indución electromagnética. Cando un conductor que transporta corrente está situado nun campo magnético, experimenta unha forza segundo a regra da man esquerda de Fleming.

Nun motor eléctrico, o estator produce un campo magnético rotatorio usando imáns permanentes ou electroimáns. A armadura, que xeralmente é o rotor, leva o enrolamento da armadura que está conectado ao comutador e as escovas. O comutador cambia a dirección da corrente no enrolamento da armadura a medida que rota para que sempre se alinee co campo magnético.

A interacción entre o campo magnético e o enrolamento da armadura xera un par que fai que a armadura rote. O eixo adxacente á armadura transmite a potencia mecánica a outros dispositivos.

Como funciona unha armadura nun xerador eléctrico?

Un xerador eléctrico converte a enerxía mecánica en enerxía eléctrica usando o principio da indución electromagnética. Cando un conductor se move nun campo magnético, induce unha forza electromotriz (FEM) segundo a lei de Faraday.

Nun xerador eléctrico, a armadura xeralmente é o rotor que é accionado por un motor primario, como un motor diésel ou un turbina. A armadura leva o enrolamento da armadura que está conectado ao comutador e as escovas. O estator produce un campo magnético estático usando imáns permanentes ou electroimáns.

O movemento relativo entre o campo magnético e o enrolamento da armadura induce unha FEM no enrolamento da armadura, que impulsa unha corrente eléctrica a través do circuito externo. O comutador cambia a dirección da corrente no enrolamento da armadura a medida que rota para que produza unha corrente alternativa (CA).

Partes da armadura & diagrama

A armadura consiste en catro partes principais: núcleo, enrolamento, comutador e eixe. Un diagrama dunha armadura amóstrase a continuación.

Perdas da armadura

A armadura dunha máquina eléctrica está suxeita a varios tipos de perdas que reducen a súa eficiencia e rendemento. Os principais tipos de perdas da armadura son:

• Perda de cobre: Esta é a perda de potencia debido á resistencia do enrolamento da armadura. É proporcional ao cadrado da corrente da armadura e pode reducirse usando cables máis grosos ou camiños paralelos. A perda de cobre pode calcularse usando a fórmula:

onde Pc é a perda de cobre, Ia é a corrente da armadura, e Ra é a resistencia da armadura.

• Perda de correntes de Foucault: Esta é a perda de potencia debido ás correntes inducidas no núcleo da armadura. Estas correntes son causadas polo cambio do fluxo magnético e prodúcen calor e perdas magnéticas. A perda de correntes de Foucault pode reducirse usando materiais de núcleo laminados ou aumentando a fenda de aire. A perda de correntes de Foucault pode calcularse usando a fórmula:

onde Pe é a perda de correntes de Foucault, ke é unha constante dependente do material e forma do núcleo, Bm é a densidade máxima de fluxo, f é a frecuencia de inversión do fluxo, t é o espesor de cada laminación, e V é o volume do núcleo.

• Perda de histerese: Esta é a perda de potencia debido á magnetización e desmagnetización repetida do núcleo da armadura. Este proceso causa fricción e calor na estrutura molecular do material do núcleo. A perda de histerese pode reducirse usando materiais magnéticos moles con baixa coercitividade e alta permeabilidade. A perda de histerese pode calcularse usando a fórmula:

onde Ph é a perda de histerese, kh é unha constante dependente do material do núcleo, Bm é a densidade máxima de fluxo, f é a frecuencia de inversión do fluxo, e V é o volume do núcleo.

A perda total da armadura pode obterse sumando estas tres perdas:

A eficiencia da armadura pode definirse como a relación entre a potencia de saída e a potencia de entrada da armadura:

onde ηa é a eficiencia da armadura, Po é a potencia de saída, e Pi é a potencia de entrada da armadura.

Deseño da armadura

O deseño da armadura afecta ao rendemento e eficiencia da máquina eléctrica. Algúns dos factores que influen no deseño da armadura son:

• O número de ranuras: As ranuras úsanse para acomodar o enrolamento da armadura e proporcionar soporte mecánico. O número de ranuras depende do tipo de enrolamento, o número de polos e o tamaño da máquina. Xeralmente, máis ranuras resultan nunha mellor distribución de fluxo e corrente, menor reactancia e perdas, e torque máis suave. No entanto, máis ranuras tamén aumentan o peso e o custo da armadura, reducen o espazo para aisolamento e refrigeración, e aumentan o fluxo de fuga e a reacción da armadura.

• A forma das ranuras: As ranuras poden estar abertas ou pechadas, dependendo de se están expostas á fenda de aire ou non. As ranuras abertas son máis fáciles de enrrollar e refrigerar, pero aumentan a reluctancia e o fluxo de fuga na fenda de aire. As ranuras pechadas son máis difíciles de enrrollar e refrigerar, pero reducen a reluctancia e o fluxo de fuga na fenda de aire.

• O tipo de enrolamento: O enrolamento pode ser un enrolamento en lapada ou onda, dependendo de como os devanos están conectados aos segmentos do comutador. O enrolamento en lapada é adecuado para máquinas de corrente alta e voltaxe baixo, xa que proporciona múltiples camiños paralelos para o flujo de corrente. O enrolamento en onda é adecuado para corrente baixa e voltaxe alto, xa que proporciona unha conexión en serie de devanos e suma os voltaxes.

• O tamaño do condutor: O condutor úsase para transportar a corrente no enrolamento da armadura. O tamaño do condutor depende da densidade de corrente, que é a relación entre a corrente e a área da sección transversal. Unha maior densidade de corrente resulta en maiores perdas de cobre e aumento de temperatura, pero menor custo e peso do condutor. Unha menor densidade de corrente resulta en menores perdas de cobre e aumento de temperatura, pero maior custo e peso do condutor.

• A lonxitude da fenda de aire: A fenda de aire é a distancia entre os polos do estator e do rotor. A lonxitude da fenda de aire afecta á densidade de fluxo, reluctancia, fluxo de fuga e reacción da armadura na máquina. Unha fenda de aire máis pequena resulta en maior densidade de fluxo, menor reluctancia, menor fluxo de fuga e maior reacción da armadura. Unha fenda de aire máis grande resulta en menor densidade de fluxo, maior reluctancia, maior fluxo de fuga e menor reacción da armadura.

Deseño da armadura (continuación)

Algunhas dos métodos utilizados para deseñar a armadura son:

• Ecuación de FEM: Esta ecuación relaciona a FEM inducida na armadura co fluxo, velocidade e número de voltas do enrolamento. Pode usarse para determinar as dimensións e parámetros necesarios da armadura para unha tensión e potencia de saída dadas.

onde Ea é a FEM inducida en volts, ϕ é o fluxo por polo en webers, Z é o número total de conductores en serie, N é a velocidade de rotación en rpm, P é o número de polos, e A é o número de camiños paralelos.

• Ecuación de MMF: Esta ecuación relaciona a forza magnetomotriz (MMF) producida polo enrolamento da armad