ארמאטורה: הגדרה, תפקיד וחלקים (מנוע חשמלי ומגניט)
מהו ארמטור?
ארמטור הוא המרכיב של מכשיר חשמלי (כלומר, מנוע או גנרטור) שמתוקף בו זרם חילופין (AC). הארמטור מוליך זרם חילופין גם במכשירי זרם ישר (DC) דרך הקומוטטור (אשר משנה באופן מחזורי את כיוון הזרם) או בשל קומוטציה אלקטרונית (לדוגמה, במנוע DC ללא פושרים).
הארמטור מספק תומך ותמיכה למקלט הארמטור, המגיב לשדה מגנטי שנוצר בעדשת האוויר בין הסטטור לרוטור. הסטטור יכול להיות חלק מסתובב (רוטור) או חלק סטטי (סטטור).
המונח ארמטור הוצג במאה ה-19 כתואר טכני המשמעות "שומר מגנט".
איך עובד ארמטור במנוע חשמלי?
מנוע חשמלי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית באמצעות עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית. כאשר מוליך זרם ממוקם בשדה מגנטי, הוא חווה כוח בהתאם לתורת היד השמאלית של פלמינג.
במנוע חשמלי, הסטטור מייצר שדה מגנטי מסתובב באמצעות מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים. הארמטור, שהוא בדרך כלל הרוטור, נושא את המקלט של הארמטור המחובר לקומוטטור לפושרים. הקומוטטור משנה את כיוון הזרם במקלט הארמטור כשהוא מסתובב כך שהזרם תמיד מתאים לשדה המגנטי.
האינטרקציה בין השדה המגנטי והמקלט של הארמטור יוצרת מומנט שמגרה את הארמטור לסובב. הציר המחובר לארמטור מעביר את האנרגיה המכנית לערכות אחרות.
איך עובד ארמטור בגנרטור חשמלי?
גנרטור חשמלי ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית באמצעות עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית. כאשר מוליך זרם נע בשדה מגנטי, הוא מפעיל כוח אלקטרומוטיבי (EMF) בהתאם לחוק פאראדיי.
בגנרטור חשמלי, הארמטור הוא בדרך כלל הרוטור הניע על ידי מנוע ראשוני, כגון מנוע דיזל או טורבינה. הארמטור נושא את המקלט של הארמטור המחובר לקומוטטור לפושרים. הסטטור מייצר שדה מגנטי קבוע באמצעות מגנטים קבועים או אלקטרומגנטים.
התנועה היחסית בין השדה המגנטי למקלט הארמטור מפעילה EMF במקלט הארמטור, שמדrive זרם חשמלי דרך המעגל החיצוני. הקומוטטור משנה את כיוון הזרם במקלט הארמטור כשהוא מסתובב כךשהוא מפיק זרם חילופין (AC).
חלקי הארמטור ותרשים
הארמטור מורכב מארבעה חלקים עיקריים: גוף, מקלט, קומוטטור וציר. תרשים של ארמטור מוצג להלן.
הפסדים בארמטור
הארמטור של מכשיר חשמלי חשוף למגוון סוגי פסדים המפחיתים את יעילותו וביצועיו. סוגי הפסדים העיקריים בארמטור הם:
הפסד נחושת: זהו הפסד כוח עקב התנגדות של מקלט הארמטור. הוא פרופורציונלי לריבוע הזרם בארמטור ניתן להפחית אותו באמצעות שימוש בחוטים עבים יותר או נתיבים מקבילים. הפסד הנחושת ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה:
כאשר Pc הוא הפסד הנחושת, Ia הוא הזרם בארמטור, ו-Ra היא התנגדות הארמטור.
הפסד זרמי עד: זהו הפסד כוח עקב הזרמים המושרהים בגוף הארמטור. הזרמים הללו נגרמים על ידי שינוי פלוקס המגנטי ומפיקים חום והפסדים מגנטיים. הפסד זרמי העד ניתן להפחית באמצעות שימוש בחומרים מרובלים או בהגדלת הפער האווירי. הפסד זרמי העד ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה:
כאשר Pe הוא הפסד זרמי העד, ke הוא קבוע תלוי בחומר הגוף והצורה, Bm הוא צפיפות הפלוקס המכסימלית, f הוא תדירות ההיפוך של הפלוקס, t הוא עובי כל לבלוב, ו-V הוא הנפח של הגוף.
הפסד היסטרזה: זהו הפסד כוח עקב מגנטיזציה חוזרת ופרימגנטיזציה של גוף הארמטור. תהליך זה גורם לחיכוך וחום במבנה המולקולרי של חומר הגוף. הפסד ההיסטרזה ניתן להפחית באמצעות שימוש בחומרים מגנטיים רכים עם נמוכה ואפסיה גבוהה. הפסד ההיסטרזה ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה:
כאשר Ph הוא הפסד ההיסטרזה, kh הוא קבוע תלוי בחומר הגוף, Bm הוא צפיפות הפלוקס המכסימלית, f הוא תדירות ההיפוך של הפלוקס, ו-V הוא הנפח של הגוף.
הפסד הארמטור הכולל ניתן לקבל על ידי חיבור של שלושת הפסדים הללו:
יעילות הארמטור יכולה להיות מוגדרת כיחס בין כוח הפליטה לכוח הקלט של הארמטור:
כאשר ηa היא יעילות הארמטור, Po הוא כוח הפליטה, ו-Pi הוא כוח הקלט של הארמטור.
עיצוב הארמטור
עיצוב הארמטור משפיע על הביצועים והיעילות של המכשיר החשמלי. חלק מהגורמים המשפיעים על עיצוב הארמטור הם:
מספר הסלטים: הסלטים משמשים כדי להכיל את מקלט הארמטור ולהספק תמיכה מכנית. מספר הסלטים תלוי בסוג המקלט, במספר קטבים ובקנה המידה של המכשיר. באופן כללי, יותר סלטים מביאים להתפלגות טובה יותר של פלוקס וזרם, נמוך ריאקטנס והפסדים, ומומנט חלק יותר. עם זאת, יותר סלטים גם מגבירים את המשקל והעלות של הארמטור, מפחיתים את החלל עבור מבודד וקירור, ומגדילים את הפלוקס החשוף ואת תגובה הארמטור.
צורת הסלטים: הסלטים יכולים להיות פתוחים או סגורים, בהתאם לחשיפה שלהם לפער האוויר. סלטים פתוחים קלים יותר למקלט וקירור, אבל מגבירים את ההתנגדות והפלוקס החשוף בפער האוויר. סלטים סגורים קשים יותר למקלט וקירור, אבל מפחיתים את ההתנגדות והפלוקס החשוף בפער האוויר.
סוג המקלט: המקלט יכול להיות מעובק או מעובץ, בהתאם לאופן שבו הקוונים מחוברים למקטעי הקומוטטור. מעובק מתאים למכשירים בעלי זרם גבוה ומתח נמוך, כיוון שהוא מספק נתיבים מקבילים מרובים לזרם. מעובץ מתאים למכשירים בעלי זרם נמוך ומתח גבוה, כיוון שהוא מספק חיבור סדרתי של קוונים ומחבר את מתחים.
גודל המוליך: המוליך משמש כדי להעביר זרם במקלט הארמטור. גודל המוליך תלוי ב צפיפות הזרם, שהיא היחס בין הזרם לשטח החתך. צפיפות זרם גבוהה גורמת להפסד נחושת גבוה ועלייה בטמפרטורה, אבל לעלות נמוכה יותר ומשקל נמוך יותר של המוליך. צפיפות זרם נמוכה גורמת להפסד נחושת נמוך ועלייה בטמפרטורה נמוכה, אבל לעלות גבוהה יותר ומשקל גבוה יותר של המוליך.
אורך הפער האווירי: הפער האווירי הוא המרחק בין סטטור ורוטור קטבים. אורך הפער האווירי משפיע על צפיפות הפלוקס, התנגדות, פלוקס חשוף ותגובה הארמטור במכשיר. פער אווירי קטן גורם לצפיפות פלוקס גבוהה, התנגדות נמוכה, פלוקס חשוף נמוך ותגובה ארמטור גבוהה. פער אווירי גדול גורם לצפיפות פלוקס נמוכה, התנגדות גבוהה, פלוקס חשוף גבוה ותגובה ארמטור נמוכה.
עיצוב הארמטור (המשך)
חלק מהשיטות המשמשות לעיצוב הארמטור הן:
משוואת EMF
