Armatura: Definicija funkcija i dijelovi (Električni motor i generator)

Što je armatura?

Armatura je komponenta električnog stroja (na primjer, motora ili generatora) koja nosi izmjenjivanje struje (AC). Armatura provodi AC čak i u DC (Direct Current) strojevima putem komutatora (koji periodički mijenja smjer struje) ili zbog elektroničke komutacije (na primjer, u bezčetkastom DC motoru).

Armatura pruža kućište i podršku armaturskom opletkanju, koje interagira s magnetskim poljem formiranim u zračnom razmaku između statora i rotorа. Stator može biti rotirajući dio (rotor) ili statični dio (stator).

Termin armatura je uveden u 19. stoljeću kao tehnički termin koji znači "držač magneta".

Kako armatura funkcionira u električnom motoru?

Električni motor pretvara električnu energiju u mehaničku energiju koristeći princip elektromagnetske indukcije. Kada se vodilac struje postavi u magnetsko polje, iskusit će silu prema Flemingovom lijevom pravilu.

U električnom motoru, stator proizvodi rotirajuće magnetsko polje korištenjem stalnih magneta ili elektromagneta. Armatura, koja je obično rotor, nosi armatursko opletkanje povezano s komutatorom i cetkama. Komutator mijenja smjer struje u armaturskom opletkanju dok se vrati tako da uvijek bude usklađen s magnetskim poljem.

Interakcija između magnetskog polja i armaturskog opletkanja generira moment koji uzrokuje rotaciju armature. Vrat priložen armaturi prijenosi mehaničku snagu drugim uređajima.

Kako armatura funkcionira u električnom generatoru?

Električni generator pretvara mehaničku energiju u električnu energiju koristeći princip elektromagnetske indukcije. Kada se vodilac pomiče u magnetskom polju, inducirane su elektromotorna sila (EMF) prema Faradayevom zakonu.

U električnom generatoru, armatura je obično rotor koji pokreće glavni pogon, poput dizelskog motora ili turbine. Armatura nosi armatursko opletkanje povezano s komutatorom i cetkama. Stator proizvodi statično magnetsko polje korištenjem stalnih magneta ili elektromagneta.

Relativni pokret između magnetskog polja i armaturskog opletkanja inducira EMF u armaturskom opletkanju, što pokreće električnu struju kroz vanjski krug. Komutator mijenja smjer struje u armaturskom opletkanju dok se vrati tako da proizvede izmjenjivanje struje (AC).

Dijelovi armature i dijagram

Armatura se sastoji od četiri glavnih dijela: jezgra, opletkanja, komutatora i vrata. Dijagram armature prikazan je u nastavku.

Gubitci armature

Armatura električnog stroja podliježe različitim vrstama gubitaka koji smanjuju njenu učinkovitost i performanse. Glavne vrste gubitaka armature su:

• Gubitak bakra: To je gubitak snage zbog otpora armaturskog opletkanja. Proporcionalan je kvadratu armaturske struje i može se smanjiti korištenjem debljih žica ili paralelnih putova. Gubitak bakra može se izračunati koristeći formulu:

gdje je Pc gubitak bakra, Ia armaturska struja, a Ra otpor armature.

• Gubitak od cirkularnih struja: To je gubitak snage zbog induciranih struja u jezgru armature. Ove struje su uzrok promjenjivom magnetskom toku i stvaraju toplinu i magnetske gubitke. Gubitak od cirkularnih struja može se smanjiti korištenjem laminiranih materijala za jezgro ili povećanjem zračnog razmaka. Gubitak od cirkularnih struja može se izračunati koristeći formulu:

gdje je Pe gubitak od cirkularnih struja, ke konstanta ovisna o materijalu i obliku jezgra, Bm maksimalna gustoća toka, f frekvencija obrtanja toka, t debljina svake laminacije, a V volumen jezgra.

• Gubitak histerese: To je gubitak snage zbog ponovljene magnetizacije i demagnetizacije jezgra armature. Taj proces uzrokuje trenje i toplinu u molekularnoj strukturi materijala jezgra. Gubitak histerese može se smanjiti korištenjem mekih magnetskih materijala s niskom koercitivnom silom i visokom prolaznošću. Gubitak histerese može se izračunati koristeći formulu:

gdje je Ph gubitak histerese, kh konstanta ovisna o materijalu jezgra, Bm maksimalna gustoća toka, f frekvencija obrtanja toka, a V volumen jezgra.

Ukupni gubitak armature može se dobiti zbrajanjem ovih tri gubitka:

Učinkovitost armature može se definirati kao omjer izlazne snage i ulazne snage armature:

gdje je ηa učinkovitost armature, Po izlazna snaga, a Pi ulazna snaga armature.

Dizajn armature

Dizajn armature utječe na performanse i učinkovitost električnog stroja. Neki faktori koji utječu na dizajn armature su:

• Broj raspona: Rasponi se koriste za smještaj armaturskog opletkanja i pružanje mehaničke podrške. Broj raspona ovisi o vrsti opletkanja, broju polova i veličini stroja. Općenito, više raspona rezultira boljom distribucijom toka i struje, nižim reaktancijama i gubitcima, te gladkijim momentom. Međutim, više raspona također povećava težinu i trošak armature, smanjuje prostor za izolaciju i hlađenje, te povećava izbijanje toka i reakciju armature.

• Oblik raspona: Rasponi mogu biti otvoreni ili zatvoreni, ovisno o tome jesu li izloženi zračnom razmaku ili ne. Otvoreni rasponi su lakši za opletkanje i hlađenje, ali povećavaju neprijateljstvo i izbijanje toka u zračnom razmaku. Zatvoreni rasponi su teži za opletkanje i hlađenje, ali smanjuju neprijateljstvo i izbijanje toka u zračnom razmaku.

• Vrsta opletkanja: Opletkanje može biti lap opletkanje ili valno opletkanje, ovisno o tome kako su cijevi spojene sa segmentima komutatora. Lap opletkanje je prikladno za strojeve s visokim strujama i niskim napajanjima, jer pruža više paralelnih putova za protok struje. Valno opletkanje je prikladno za strojeve s niskim strujama i visokim napajanjima, jer pruža seriju spojeva cijevi i dodaje napajanja.

• Veličina vodilaca: Vodilac se koristi za nositi struju u armaturskom opletkanju. Veličina vodilca ovisi o gustoći struje, koja je omjer struje i presjeka. Viša gustoća struje rezultira većim gubitcima bakra i porastom temperature, ali nižim troškovima i težinom vodilca. Niža gustoća struje rezultira manjim gubitcima bakra i porastom temperature, ali većim troškovima i težinom vodilca.

• Duljina zračnog razmaka: Zračni razmak je udaljenost između polova statora i rotora. Duljina zračnog razmaka utječe na gustoću toka, neprijateljstvo, izbijanje toka i reakciju armature u stroju. Manji zračni razmak rezultira većom gustoćom toka, nižim neprijateljstvom, nižim izbijanjem toka i većom reakcijom armature. Veći zračni razmak rezultira manjom gustoćom toka, većim neprijateljstvom, većim izbijanjem toka i manjom reakcijom armature.

Dizajn armature (nastavak)

Neki metodi koji se koriste za dizajn armature su:

• Jednadžba EMF: Ova jednadžba povezuje inducirani EMF u armaturi s tokom, brzinom i brojem zavojnica. Može se koristiti za određivanje potrebnih dimenzija i parametara armature za zadani izlazni napon i snagu.