Armatura: Definizione Funzione e Parti (Motore Elettrico & Generatore)
Cos'è un armatura?
L'armatura è il componente di una macchina elettrica (cioè, un motore o un generatore) che trasporta corrente alternata (CA). L'armatura conduce CA anche nelle macchine a corrente continua (CC) tramite il commutatore (che inverte periodicamente la direzione della corrente) o grazie alla commutazione elettronica (ad esempio, in un motore a corrente continua senza spazzole).
L'armatura fornisce alloggiamento e supporto all'avvolgimento dell'armatura, che interagisce con il campo magnetico formato nello spazio tra lo statore e il rotore. Lo statore può essere sia una parte rotante (rotore) che una parte fissa (stator).
Il termine armatura fu introdotto nel XIX secolo come termine tecnico per indicare "custode di un magnete".
Come funziona un'armatura in un motore elettrico?
Un motore elettrico converte l'energia elettrica in energia meccanica utilizzando il principio dell'induzione elettromagnetica. Quando un conduttore portatore di corrente viene posto in un campo magnetico, sperimenta una forza secondo la regola della mano sinistra di Fleming.
In un motore elettrico, lo statore produce un campo magnetico rotante utilizzando magneti permanenti o elettromagneti. L'armatura, che è solitamente il rotore, porta l'avvolgimento dell'armatura che è collegato al commutatore e alle spazzole. Il commutatore inverte la direzione della corrente nell'avvolgimento dell'armatura mentre ruota, in modo che sia sempre allineato con il campo magnetico.
L'interazione tra il campo magnetico e l'avvolgimento dell'armatura genera una coppia che causa la rotazione dell'armatura. L'albero collegato all'armatura trasferisce la potenza meccanica ad altri dispositivi.
Come funziona un'armatura in un generatore elettrico?
Un generatore elettrico converte l'energia meccanica in energia elettrica utilizzando il principio dell'induzione elettromagnetica. Quando un conduttore si muove in un campo magnetico, induce una forza elettromotrice (FEM) secondo la legge di Faraday.
In un generatore elettrico, l'armatura è solitamente il rotore che è azionato da un motore primario, come un motore diesel o una turbina. L'armatura porta l'avvolgimento dell'armatura che è collegato al commutatore e alle spazzole. Lo statore produce un campo magnetico stazionario utilizzando magneti permanenti o elettromagneti.
Il movimento relativo tra il campo magnetico e l'avvolgimento dell'armatura induce una FEM nell'avvolgimento dell'armatura, che fa scorrere una corrente elettrica attraverso il circuito esterno. Il commutatore inverte la direzione della corrente nell'avvolgimento dell'armatura mentre ruota in mododa produrre una corrente alternata (CA).
Parti dell'armatura e diagramma
L'armatura è composta da quattro parti principali: nucleo, avvolgimento, commutatore e albero. Un diagramma dell'armatura è mostrato di seguito.
Perdite dell'armatura
L'armatura di una macchina elettrica è soggetta a vari tipi di perdite che riducono la sua efficienza e prestazioni. I principali tipi di perdite dell'armatura sono:
Perdita di rame: Questa è la perdita di potenza dovuta alla resistenza dell'avvolgimento dell'armatura. È proporzionale al quadrato della corrente dell'armatura e può essere ridotta utilizzando fili più spessi o percorsi paralleli. La perdita di rame può essere calcolata utilizzando la formula:
dove Pc è la perdita di rame, Ia è la corrente dell'armatura e Ra è la resistenza dell'armatura.
Perdita di correnti indotte: Questa è la perdita di potenza dovuta alle correnti indotte nel nucleo dell'armatura. Queste correnti sono causate dal flusso magnetico in mutamento e producono calore e perdite magnetiche. La perdita di correnti indotte può essere ridotta utilizzando materiali a nastro o aumentando la fessura d'aria. La perdita di correnti indotte può essere calcolata utilizzando la formula:
dove Pe è la perdita di correnti indotte, ke è una costante dipendente dal materiale e dalla forma del nucleo, Bm è la densità di flusso massima, f è la frequenza di inversione del flusso, t è lo spessore di ciascun nastro e V è il volume del nucleo.
Perdita di isteresi: Questa è la perdita di potenza dovuta alla ripetuta magnetizzazione e demagnetizzazione del nucleo dell'armatura. Questo processo causa attrito e calore nella struttura molecolare del materiale del nucleo. La perdita di isteresi può essere ridotta utilizzando materiali magnetici morbidi con coercività bassa e permeabilità elevata. La perdita di isteresi può essere calcolata utilizzando la formula:
dove Ph è la perdita di isteresi, kh è una costante dipendente dal materiale del nucleo, Bm è la densità di flusso massima, f è la frequenza di inversione del flusso e V è il volume del nucleo.
La perdita totale dell'armatura può essere ottenuta sommando queste tre perdite:
L'efficienza dell'armatura può essere definita come il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso dell'armatura:
dove ηa è l'efficienza dell'armatura, Po è la potenza in uscita e Pi è la potenza in ingresso dell'armatura.
Progettazione dell'armatura
La progettazione dell'armatura influenza le prestazioni ed l'efficienza della macchina elettrica. Alcuni dei fattori che influenzano la progettazione dell'armatura sono:
Il numero di scanalature: Le scanalature vengono utilizzate per ospitare l'avvolgimento dell'armatura e fornire supporto meccanico. Il numero di scanalature dipende dal tipo di avvolgimento, dal numero di poli e dalle dimensioni della macchina. Generalmente, più scanalature risultano in una migliore distribuzione del flusso e della corrente, reattanza e perdite inferiori, e una coppia più liscia. Tuttavia, più scanalature aumentano anche il peso e il costo dell'armatura, riducono lo spazio per l'isolamento e il raffreddamento, e aumentano il flusso di dispersione e la reazione dell'armatura.
La forma delle scanalature: Le scanalature possono essere aperte o chiuse, a seconda che siano esposte alla fessura d'aria o meno. Le scanalature aperte sono più facili da avvolgere e raffreddare, ma aumentano la reluctanza e il flusso di dispersione nella fessura d'aria. Le scanalature chiuse sono più difficili da avvolgere e raffreddare, ma riducono la reluctanza e il flusso di dispersione nella fessura d'aria.
Il tipo di avvolgimento: L'avvolgimento può essere a bobina sovrapposta o a onda, a seconda di come le spire sono connesse ai segmenti del commutatore. L'avvolgimento a bobina sovrapposta è adatto per macchine ad alta corrente e bassa tensione, poiché fornisce più percorsi paralleli per il flusso di corrente. L'avvolgimento a onda è adatto per macchine a bassa corrente e alta tensione, poiché fornisce una connessione in serie delle spire e somma le tensioni.
La dimensione del conduttore: Il conduttore viene utilizzato per trasportare la corrente nell'avvolgimento dell'armatura. La dimensione del conduttore dipende dalla densità di corrente, che è il rapporto tra la corrente e l'area della sezione trasversale. Una maggiore densità di corrente risulta in una maggiore perdita di rame e aumento di temperatura, ma in un minore costo e peso del conduttore. Una minore densità di corrente risulta in una minore perdita di rame e aumento di temperatura, ma in un maggiore costo e peso del conduttore.
La lunghezza della fessura d'aria: La fessura d'aria è la distanza tra i poli dello statore e del rotore. La lunghezza della fessura d'aria influenza la densità di flusso, la reluctanza, il flusso di dispersione e la reazione dell'armatura nella macchina. Una fessura d'aria più piccola risulta in una maggiore densità di flusso, una minore reluctanza, un minore flusso di dispersione e una maggiore reazione dell'armatura. Una fessura d'aria più grande risulta in una minore densità di flusso, una maggiore reluctanza, un maggiore flusso di dispersione e una minore reazione dell'armatura.
Progettazione dell'armatura (continua)
Alcuni dei metodi utilizzati per progettare l'armatura sono:
Equazione FEM: Questa equazione correla la FEM indotta nell'armatura al flusso, alla velocità e al numero di spire dell'avvolgimento. Può essere utilizzata per determinare le dimensioni e i parametri richiesti dell'armatura per una data tensione e potenza in uscita.
